纤维素纳米纤维复合膜的制备及其作为食品包装材料的优异性能研究进展

近年来,塑料包装的大量使用造成了严重的环境污染。随着人们环保意识的提升,开发可生物降解的新型食品包装材料以替代传统石油基塑料已成为研究热点。纤维素纳米纤维(cellulose nanofibrils,CNF)因其高比表面积、高弹性模量、高强度和高气体阻隔性等优异性能而受到研究者们广泛青睐。本文总结了CNF及其相关复合膜的制备方法,讨论了CNF复合膜作为食品包装材料的机械性能、阻隔性能、抑菌性能、可降解性及响应性能。最后,提出CNF应用于食品包装领域所面临的挑战,旨在为未来生产纳米纤维素食品包装材料代替传统石油基材提供参考。

2种纤维素纳米纤维作为水基润滑添加剂的摩擦学性能研究

为探索不同制备方法得到的纤维素纳米纤维作为水基润滑添加剂的摩擦学性能,选择TEMPO(2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基)氧化法和机械法得到的2种纤维素纳米纤维(TO-CNF和C-CNF).采用光学显微镜(POM)、扫描电子显微镜(SEM)、激光粒度仪、红外光谱(FT-IR)、X射线粉末衍射(XRD)和元素分析等方法对其形貌和结构进行表征,发现上述2种不同类型的CNF均为棒状结构,且为纤维素I型,其中氧化法制备的TO-CNF结构中含有一定量的羧基官能团.通过热重分析表明,C-CNF的热稳定性略优于TO-CNF.进一步通过UMT往复摩擦试验机研究了2种CNF作为水基润滑添加剂的摩擦学性能,结果表明,在添加量(质量分数,w)不超过1%时,2种CNF在不同添加浓度下均表现出显著的减摩性能.其中TO-CNF的减摩性能略优于C-CNF,添加w=1%可使摩擦系数相对于基础体系降低51%.通过钢板表面接触角和磨损后的表面分析对CNF的润滑作用机理进行分析,推测由于CNF结构中含有大量的羟基或羧基等极性官能团,作为添加剂能够在摩擦副表面发生不同程度的吸附从而形成润滑保护膜,防止滑动表面微凸体的直接接触进而改善摩擦学性能.

纤维素纳米纤维PAM基混合凝胶对柔性锌空气电池的性能影响

采用自由基聚合法制备具有良好柔性的聚丙烯酰胺(PAM)基凝胶电解质,作为柔性锌空气电池电解质。探究了不同含量的纤维素纳米纤维(CNF)对PAM基凝胶电解质表面形貌、离子电导率、吸液率、保水率等一系列性能的影响,并将含有不同含量CNF的PAM基凝胶电解质组装成锌空气电池,分别对其进行了电化学阻抗、功率密度、恒流放电、放电倍率、充放电循环等电化学性能测试。结果表明:所制纤维素纳米纤维PAM基混合凝胶电解质(PAMC)(以5%含量CNF的PAMC凝胶电解质为例)具有较高的吸液率(4383%)、保水率(79.00%)和离子电导率(340mS/cm),组装的柔性锌空气电池功率密度为19.03mW/cm^(2),在低电流密度和高电流密度(0.25~11mA/cm^(2))下都有较好的放电性能,且稳定性较好,并可连续充放电23.74h,循环效率为57.5%。

从丝瓜络废料中提取纤维素纳米纤维及在聚乙烯醇超临界二氧化碳复合发泡材料中的应用

通过TEMPO氧化法从废弃丝瓜络中成功提取出纤维素纳米纤维(CNF),并通过超临界二氧化碳(scCO_(2))发泡技术制备聚乙烯醇(PVA)/CNF复合发泡材料。对CNF在复合材料中的结晶性进行表征,探究了CNF含量对泡孔形貌的影响以及CNF含量对发泡材料收缩性能的影响。结果表明,CNF在发泡过程中可作为异相成核点,提高成核效率,减小了平均泡孔尺寸,增加了泡孔密度,同时减少了泡孔褶皱,降低了发泡材料的收缩率。当CNF含量为2%时,平均孔径从99.96μm下降至41.96μm,泡孔密度增加了大约一个数量级,收缩率从12.19%下降至5.02%。

甘蔗渣纤维素纳米纤维的制备与表征

以甘蔗制糖废弃物甘蔗渣为原料提取甘蔗渣纤维素(sugarcane bagasse cellulose,SBC),在羧基化预处理的基础上,通过高压均质制备甘蔗渣纤维素纳米纤维(sugarcane bagasse cellulose nanofibers,SBCNFs),对其结构性质进行表征,并探究SBCNFs悬浮液的流变行为。Zeta电位检测结果表明SBCNFs表面带负电荷,透射电镜(transmission electron microscopy,TEM)结果显示SBCNFs呈纤丝状,直径为3~10 nm,长度为1000~2000 nm。傅立叶变换红外光谱(fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)和X⁃射线衍射(X⁃ray diffraction,XRD)分析结果表明羧基化预处理使SBCNFs表面成功接枝上羧基,其中羧酸根以羧酸盐的形式存在。与SBC相比,SBCNFs的纤维晶型结构没有改变,仍保持纤维素I型结构,但是其结晶度指数由32.62%增加为71.37%。热重(thermogravimetric,TG)分析结果表明SBCNFs热稳定性高于SBC。流变测试结果表明,随着SBCNFs悬浮液浓度提高,其黏度增大、剪切变稀行为增强,在线性黏弹区域内(应力<10%),储能模量(G')大于损耗模量(G″),弹性行为主导,SBCNFs悬浮液表现出固态的性质,且具有较好的触变恢复性。综上,所制备的SBCNFs具有纤维结构且具有较好性能。

综纤维素纳米纤维的制备及应用研究进展

综纤维素纳米纤维(HCNFs)以其典型的“核-壳”结构和优异性能,在纳米材料领域备受关注。本文总结了HCNFs的制备方法及其在功能材料领域的应用进展。制备HCNFs的方法多样,目前主要有物理法(如研磨、高压均质、超声波处理)和化学法(如酸水解、2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基氧化、低共熔溶剂处理)。HCNFs具有原料来源广、易于化学改性和生物相容性好等特点,在成膜性、热稳定性、可再生性以及机械性能等方面表现出显著的优势,能够被制备成具有不同维度和应用方向的材料,如复合薄膜、功能纳米纸、气凝胶、吸附剂、乳液稳定剂等,在生物医学、电化学、传感和吸附材料等领域表现出巨大的应用潜力。重点介绍了基于HCNFs制备的具有较高的透明度、灵敏度,良好的柔韧性和机械性能的复合膜(纳米纸)以及具有低密度、高孔隙率等特点的HCNFs基气凝胶。

3D打印构筑羧基化纤维素纳米纤维基辐射制冷复合材料

日间辐射制冷是一种无能量输入的被动冷却技术,主要通过调控材料自身的光学特性使其对太阳光进行高反射,同时大幅增强其在大气透明窗口的热辐射,以实现自身降温的效果。多孔结构辐射冷却材料是最有潜力实现日间辐射制冷的材料体系,提出墨水直写3D打印方法,制备得到了具有良好辐射制冷性能的羧基化纤维素纳米纤维(CNF)/六方氮化硼(h-BNNS)多孔复合材料。CNF作为一种可从天然材料中提取的绿色资源,由丰富的、在大气透明窗口波段具有高吸收峰的C-O等官能团组成,成为了辐射制冷材料良好的构筑单元。利用CNF表面丰富的含氧官能团极易与其他组分复合并构筑具有三维网络结构的复合体系。高折射h-BNNS无机纳米颗粒的引入,使得所构筑的复合材料获得了较高的太阳光散射(96%)、较高的大气窗发射率(94%)。在太阳光直射条件下,该纤维素纳米纤维复合材料可最高实现12℃的冷却温度和90.1 W·m^(-2)的平均冷却功率。

超薄柔性银纳米线/还原氧化石墨烯/纤维素纳米纤维复合纸的制备及其电磁屏蔽性能

随着无线通信技术的发展,电磁辐射污染日益严重,开发超轻、超薄、柔性、高机械性能的电磁屏蔽材料以保护精密电子器件免受电磁辐射干扰十分必要。以纤维素纳米纤维(CNFs)为基质,银纳米线(Ag NWs)和氧化石墨烯(GO)为导电填料,通过交替真空抽滤CNFs和具有不同比例的Ag NWs/GO混合液的方法构建了一种超薄柔性电磁屏蔽复合纸(厚度为34μm)。研究了复合薄膜的润湿性、力学性能以及电磁屏蔽性能,揭示了复合纸微观结构及组成对其润湿性、力学性能以及电磁屏蔽性能的影响。SEM测试结果表明,该复合纸具有多层结构。导电性测试结果表明,3个导电层导电性呈梯度变化。接触角测试的结果表明,形成多层梯度结构后,复合纸的接触角为115°,表现出了一定的疏水性。万能力学试验机的结果表明,多层梯度结构复合纸的应力和应变分别为26.7 MPa和2.16%,相比混合非梯度复合纸有了一定的提升。矢量网络分析仪的测试结果表明,具有梯度结构的复合纸在8.2 GHz时,电磁屏蔽效能为24 dB,高于混合非梯度结构复合纸的效能(19 dB),并以吸收损耗为主。因此,通过构建分层梯度结构可以显著提升复合纸的力学性能以及电磁屏蔽性能。

日本Tosoh公司与Bando化学工业有限公司联合推出纤维素纳米纤维增强氯丁橡胶

据“European Rubber Journal”网站2024年4月10日报道,近日,日本Tosoh公司与日本最大的动力传动和传送带制造商Bando化学工业有限公司(以下简称“Bando公司”)建立商业应用合作关系,共同推出了纤维素纳米纤维作为增强材料的新型氯丁橡胶复合材料SG系列产品。据悉,纤维素纳米纤维是一种生物质衍生的高性能材料,其重量仅为钢的1/5,但其强度却达到钢的5倍之多。从研发历史来看,将纤维素纳米纤维与橡胶材料相结合对混炼和混合等工艺提出了较大的技术挑战。然而,Tosoh公司表示,其SG系列产品的专有技术使纤维素纳米纤维在氯丁橡胶中的均匀和精细分散成为可能,纤维素纳米纤维将有望取代化石燃料衍生的橡胶增强材料(如炭黑),与其相关的增强技术也有望用于其他工业橡胶领域。

阔叶木浆高锰酸钾氧化制备纤维素纳米纤维

本研究以漂白阔叶木浆为原料,通过KMnO4氧化预处理,结合低能耗高压均质处理,成功制备了羧基化纤维素纳米纤维,并探究氧化时间对羧基化纤维素纳米纤维的形貌尺寸、得率、化学结构、Zeta电位、结晶度等参数的影响。研究结果表明,氧化反应1 h制备的羧基化纤维素纳米纤维得率高达97.3%,长径比375 nm,Zeta电位-22.5 mV,初始热分解温度高于293.2℃,具有良好的分散稳定性和热稳定性。通过真空抽滤制备的羧基化纤维素纳米纤维薄膜具有优异的机械性能(拉伸强度最高为85.49 MPa)和高透光率(最高为88.1%)。

改良耐水性纤维素纳米纤维胶粘剂的制备及应用研究

纤维素纳米纤维(CNF)作为一种生物质材料,其表面含有大量羟基,天然地对极性表面具有粘接能力,但只含有羟基的CNF粘接强度较低并且不易与水分子进行结合,影响了内聚力和黏附力。针对此现状,本研究根据聚乙烯亚胺(PEI)与单宁酸(TA)在极短时间内得到化学键,并能形成链缠结的特点,在CNF表面添加单宁酸,通过物理共混法制备了CNF-TA-PEI胶粘剂,并对胶粘剂的稳定性和耐水性进行了研究。研究结果表明:当m(TA)∶m(PEI)=60∶40时,虽然CNF-TA-PEI胶粘剂在水中浸泡时间达到了14 d,所测的粘接强度仍然高达(140.7±7.3) kPa。在浸泡超过21 d后,其粘接性能呈现出持续下降的趋势,直到时间为28 d时,测得的强度值是(61.9±1.4) kPa。以上结果表明,CNF-TA-PEI胶粘剂具有较好的界面黏附性和耐水性,在实际中具有一定的应用前景。

纤维素纳米纤维改性水性聚氨酯树脂涂饰剂的制备及其应用性能研究

本文以水性聚氨酯树脂为原料,经纤维素纳米纤维改性制备了一种高强度的水性聚氨酯树脂涂饰剂。通过旋转黏度仪和拉伸试验机等对改性前后的水性聚氨酯乳液的力学性能等进行表征,进一步通过摩擦色牢度仪等对聚氨酯树脂涂饰剂涂饰成品革的使用性能进行评估,探究纤维素纳米纤维用量对聚氨酯树脂的性能影响。结果显示,纤维素纳米纤维对聚氨酯树脂具有良好的改性效果。当加入聚氨酯树脂干重0.3%的纤维素纳米纤维时,聚氨酯树脂的拉伸强度、撕裂强度和断裂伸长率均大幅提高,其中拉伸强度提升幅度高达97.44%。

TEMPO氧化纤维素纳米纤维的制备及应用研究进展

制取纤维素纳米纤维有许多方法,如化学法、物理法、生物法等.其中,TEMPO(2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基)氧化法是最常用的制取纤维素纳米纤维的方法之一,本文综述了关于TEMPO氧化纤维素纳米纤维制备工艺及近年来国内外应用的最新进展.文章内容主要涉及TEMPO的催化氧化体系、TEMPO氧化法制备纤维素纳米纤维工艺的改进,以及TEMPO氧化纤维素纳米纤维(TEMPO-oxidized cellulose nanofibers,TOCNs)在复合材料方面的应用研究进展,同时提出该体系存在的问题及今后的发展方向.

碳点/纤维素纳米纤维复合薄膜的制备及性能研究

以异抗坏血酸钠为碳源,采用水热法合成新型纳米抗菌材料——碳点(CDs),并与纤维素纳米纤维(CNF)共混制备CDs/CNF复合薄膜。结果表明,CDs的平均粒径为(4.6±1.8)nm,添加CDs可提升复合薄膜的紫外阻隔性能和柔韧性,复合薄膜的抗菌和抗氧化性能与CDs的含量呈正相关,但是高含量的CDs会降低复合薄膜的疏水性和拉伸强度。添加7%含量CDs的复合薄膜的对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径分别达到16.88 mm和14.34 mm,CDs/CNF复合涂层能够延缓草莓的腐败。

芒果核壳纤维素纳米纤维的结构表征及其稳定的Pickering乳液性质分析

在本研究中,以芒果核壳为原料,经过次氯酸漂白、碱化处理、TEMPO氧化和高压均质处理后,成功制备了丝状的芒果核壳纤维素纳米纤维(CNFs),并考察了pH和离子强度对乳液稳定性的影响。结果表明,由TEMPO氧化和高压均质法制备的芒果核壳CNFs保持了纤维素的基本结构,部分羟基被氧化成羧基,纤维素晶型为I型纤维素,结晶度降低至57%,对温度更加敏感,但仍保持较高的热稳定性。芒果核壳CNFs稳定的Pickering乳液的粒径随着pH升高而显著减小,在pH11的条件下粒径最小,为469.5 nm,粒径分布也更均匀,30 d的CI为58.8%,表现出较好的稳定性。离子强度对芒果核壳CNFs Pickering乳液的稳定性有较大影响,在50~100 mmol/L的离子强度条件下,由于大量带正电的钠离子会聚集在CNFs表面并中和其表面的负电荷,使得液滴间的静电斥力减弱,液滴更易聚集,不利于乳液的稳定。综上,芒果核壳CNFs可以作为优异的固体颗粒应用于Pickering乳液,为芒果核的高价值利用提供了新的思路。

纤维素纳米纤维增强增韧酚醛树脂及其竹材胶合界面性能研究

针对酚醛树脂胶黏剂固化后脆性大,极易在竹材-树脂胶合界面形成应力集中,进而导致竹材胶合界面开裂问题,以纤维素纳米纤丝(CNF)和纤维素纳米晶须(CNW)为填料,通过用量的调控,以增韧酚醛(PF)树脂,改善竹材胶合界面性能,进而提高界面胶接强度。采用差示扫描量热仪(DSC)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等技术手段对改性前后酚醛树脂的性能和微观结构进行表征,并对竹胶合试件进行了胶合强度测试和胶合界面破坏形貌观察。结果表明:添加CNF和CNW虽不参与酚醛树脂胶黏剂固化过程,但对固化行为有一定影响,且对酚醛树脂有良好的增韧效果,进而能有效提高PF树脂与竹材界面胶接强度。当添加酚醛树脂胶黏剂固体含量0.5 wt%的CNF时,改性效果最优,PF树脂胶接试件的干、湿强度达到最大值,分别为13.56 MPa和7.61 MPa。本研究所采用的方法可有效改善竹材胶合制品界面性能,防止竹材胶合界面开裂,为提高竹材耐久性、拓展其应用范围提供良好的思路和借鉴。

壳聚糖-纤维素纳米纤维复合膜的制备及表征

随着消费者对食品安全的要求逐渐提高,天然食品保鲜膜材料的开发逐渐被重视。该文以丝瓜络为原料,通过2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物(2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy,TEMPO)氧化法制备平均宽度为7.3 nm、平均长度为156.3 nm的纤维素纳米纤维(cellulose nanofibrils,CNF)。以京尼平(genipin,GP)为交联剂,将CNF分别按照壳聚糖(chitosan,CS)质量的0%、1%、2%、3%、6%与CS交联,制备CS-GP-CNF复合膜。复合膜的表面基本均一、光滑且无气泡,随着CNF添加量的增加,复合膜表面出现少量结节形貌。另外,CS-GP-CNF复合膜具备良好的水蒸气阻隔性能,各样品均低于1.15×10^(-11)g/(s·m·Pa)。将样品CS-GP-CNF6应用于鸡肉保鲜,结果表明,CS-GP-CNF6复合膜能够有效延缓4℃贮藏期间鸡肉的菌落总数和挥发性盐基氮含量的上升速度,有效延长其保质期。因此,CS-GPCNF复合膜可以作为一种潜在的食品包装膜应用于食品保鲜。

纤维素纳米纤维的制备及其功能化技术进展

本文概述了由纤维素制备纤维素纳米纤维(CNF)的方法,同时对扩大CNF应用范围及为赋予其新功能而进行改性的方法(如吸附改性、分子接枝改性、聚合物接枝改性等)进行了总结,并对所制备的功能化CNF的应用进行了阐述。最后,展望了未来功能化CNF的发展方向。

小球藻藻渣TEMPO法制备纤维素纳米纤维及阳离子染料吸附研究

纤维素是自然界最丰富的生物大分子,普遍存在于植物细胞的细胞壁中。由纤维素分解制备的纳米纤维素因其优越的特性可被用作吸附剂进行污水处理。小球藻细胞壁中纤维素含量丰富而几乎没有木质素,是制备纳米纤维的优质原料。通过TEMPO介导氧化法从小球藻藻渣中制备了羧基化纤维素纳米纤维(TCNF),其平均直径约为2 nm,长度在300 nm左右,羧基含量为1.54 mmol/g。并以亚甲基蓝(MB)为模型染料进行了TCNF的吸附研究。结果表明,TCNF对MB吸附符合伪二级吸附动力学模型,在吸附80 min后基本达到平衡;TCNF对MB的吸附受pH影响较大,pH=8时具有最大吸附量;TCNF对MB的吸附量随MB浓度升高呈线性增加,当浓度高于10 mg/L后吸附趋于饱和;吸附等温线分析发现TCNF对MB的吸附符合Langmuir模型,表明TCNF表面均匀,表面不同位置的吸附能变化不大,为单层吸附。总之,利用小球藻藻渣制备TCNF进行工业废水中阳离子染料的去除,是一种简单且很有前途的的方案。

纤维素纳米纤维对聚乳酸结晶、流变和拉伸性能的影响

采用熔融共混-注射成型制备了聚乳酸(PLA)/纤维素纳米纤维(CNFs)可生物降解纳米复合材料,利用差示扫描量热仪、流变测试、拉伸性能测试等手段,考察了CNFs含量对PLA/CNFs复合材料结晶行为、流变特性和力学性能的影响规律。结果表明,少量的CNFs能均匀分散在PLA基体中,CNFs可作为PLA的异相成核剂,提高结晶速率常数,缩短半结晶时间,CNFs的含量为5%(质量分数,下同)时,半结晶时间由纯PLA的10.4 min缩短至2.9 min;CNFs体现出润滑作用,使PLA/CNFs复合材料的储能模量和损耗模量均低于纯PLA;CNFs的含量为3%时,复合材料的断裂伸长率较纯PLA提高了41.2%。