乙酰化纳米纤维素纤维的制备及其凝胶机制研究

纳米纤维素纤维(cellulosenanofibrils,CNF)凝胶以其独特的生物亲和性、生物降解性和力学性能,可以广泛地应用到生物医药、食品等领域。然而,CNF在水溶液中易聚集而发生相分离,为了调控其聚集性能,有必要对其进行化学改性。今以商业化微晶纤维素为原料,采取无溶剂体系对其进行化学修饰,结合高压均质作用制备乙酰化纳米纤维素纤维(acetylated cellulose nanofibrils,ACNF)。利用流变仪、小角X射线散射仪、激光共聚焦显微镜等测试方法考察盐离子、温度对ACNF凝胶微观结构和宏观力学性能的影响。结果表明,ACNF呈现弯曲和无晶形的结构特征;其凝胶强度随着温度的升高先缓慢下降,而后急剧增加;而盐的加入能增强其凝胶强度,降低温度敏感性。无盐条件下,ACNF凝胶化主要基于纤维间热运动引起的物理缠结;而盐能促进体系发生浓度涨落,纤维因局部团聚经相互连接形成凝胶。

乙酰化蔗渣纳米纤维素/PVA复合膜的制备及性能研究

为提高蔗渣纤维素在汽车内饰上的应用,通过乙酸酐和微波-超声波法将蔗渣纤维素进行乙酰化和纳米化改性,制备出颗粒尺寸均匀、耐水性能和分散性好的乙酰化蔗渣纳米纤维素(ACNF)。通过浇铸成膜法将ACNF与聚乙烯醇(PVA)进行混合后制备出ACNF/PVA复合膜,利用量子化学计算方法分析ACNF/PVA复合物结构的作用类型。结果表明,在微波功率为100 W、时间为2 h、超声波功率为500 W、纤维素与乙酸酐比为1∶2(质量体积比)时,得到的ACNF颗粒尺寸在200 nm左右,乙酰化取代度为0.86,水接触角为36.5°。相较于PVA膜,该复合膜的拉伸强度从10.55 MPa提高至33.91 MPa,水接触角从56.44°增加到72.04°。在复合物结构中,作用类型主要为静电作用和分散作用。

明胶/氧化纳米纤维素高弹性模量高孔隙皮肤支架的3D打印工艺

背景:在采用主动修复治疗手段应对皮肤创伤时,需要使用组织工程技术生成新的组织来代替坏死组织,皮肤支架在创伤修复领域具有良好的应用前景。皮肤支架需要呈现具有一定力学强度的三维多孔结构,以满足细胞增殖分裂的需求,而目前使用的明胶基生物材料力学强度弱,无法达到皮肤支架的使用要求。目的:针对明胶/氧化纳米纤维素复合材料制备组织工程皮肤支架时使用的3D打印工艺进行研究,重点研究不同工艺参数下制备皮肤支架的孔隙率与其力学强度之间的关系。方法:从葎草中提取10%浓度的氧化纳米纤维素晶须,再与5%的明胶复合得到明胶/氧化纳米纤维素复合材料,检测明胶与明胶/氧化纳米纤维素复合材料的弹性模量。以明胶/氧化纳米纤维素复合材料为基材,采用3D打印挤压成型方法制备皮肤支架,通过对材料进行力学性能测试和流变特性测试确定挤压成型工艺参数(填充间隙1.5-2.5 mm,0.1 mm均布;气压160-200 kPa),并以此制备具有三维多孔结构的皮肤支架。对皮肤支架进行了抗压性能的测试并与有限元分析结果相对比,论证了支架打印时的填充间隙与支架孔隙率及力学强度之间的关系。结果与结论:①通过实验得出,加入10%浓度的氧化纳米纤维素晶须使5%明胶的弹性模量度提升了8.84倍;在气压160 kPa下挤出成型可以得到1 mm直径的丝状凝胶,此时填充间隙从1.5 mm增大到2.5 mm会使支架的理论孔隙率从33%上升到60%,但抗压强度从230000 Pa降低到95000 Pa;②结果显示,使用2 mm填充间隙制备得到了理论孔隙率为50%、弹性模量160000 Pa的皮肤支架,该支架具有清晰的三维多孔结构。

基于纤维素纳米晶乳化陈皮精油的淀粉基抗菌膜的制备与性能

以玉米淀粉(corn starch,CS)为基质、柠檬酸为交联剂、纤维素纳米晶(cellulose nanocrystals,CNC)乳化陈皮精油(orangepeelessentialoil,OPO)制备的Pickering乳液为抗菌剂,采用流延法成功制备了CS/CNC-OPO抗菌复合膜;探讨了CNC和OPO的添加量对CS/CNC-OPO抗菌复合膜的机械强度、水蒸气透过率、水接触角、抗菌性能等的影响,并采用傅里叶变换光谱、X射线衍射光谱和扫描电子显微镜对CS/CNC-OPO抗菌复合膜进行表征。结果表明,当OPO添加量为11%,CNC和OPO比例为1∶11(g/mL)时,CS/CNC-OPO膜的性能最好,水蒸气透过率为1.03×10^(-3)g/(m·h·kPa),水接触角为74.53°,拉伸强度达6.01 MPa,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌面积高达88.4 mm2和96.45 mm^(2)。该淀粉基膜强度好,且具有较好的疏水和抗菌性,在食品包装领域具有广阔的应用前景。

黄秋葵酒渣纳米纤维素的制备工艺及表征分析

酒渣又被称为酒糟,是发酵后的酒醅经过蒸馏出酒后余下的残渣。黄秋葵发酵酒渣富含果胶多糖和纤维素,以提取果胶多糖后制备的纤维素为原料,采用硫酸酸解法制备黄秋葵酒渣纳米纤维素(nanocrystalline cellulose from okra fermented pomance,NCC),通过单因素试验和Box-Behnken响应面试验法确定NCC的最佳制备工艺条件,即硫酸质量分数45%、酸解温度60℃、酸解时间120 min、料液比1∶17(g/mL),此条件下NCC的得率为21.07%。利用扫描电镜、透射电镜、傅立叶变换红外光谱、X射线衍射对其微观结构进行表征。结果表明,硫酸酸解法得到的NCC为直径在100 nm左右的棒状结构,但由于氢键作用,使其极易团聚;此法对NCC的基团影响较小,其仍然具备黄秋葵酒渣纤维素的最基本化学结构;NCC的结晶度为65.14%,属于纤维素Ⅰ型结晶结构。

利用纤维素工业废丝/胶高效制备再生纤维素纳米晶

为解决再生纤维素工业丝的废丝以及生产过程中的废丝/胶的再利用问题,设计了以再生纤维素工业废丝或废丝/胶为原料高效制备再生纤维素纳米晶(RCNC)的方法,并通过傅里叶变换红外光谱、马尔文激光粒度仪、扫描电子显微镜、X射线衍射和原子力显微镜等方法,对比了利用新溶剂法再生纤维素工业废丝/胶、粘胶再生纤维素工业废丝和浆粕制得的RCNC、CNC的结构性能上的区别。结果表明:新溶剂法再生纤维素工业丝废丝/胶高取向度、高结晶度和结构简单的特性使其可以在更温和的条件下酸解,制备的RCNC得率高达到65.09%,远大于以浆粕为原料制备CNC的得率,且具有更高的结晶度。与粘胶纤维素工业废丝制得的RCNC相比,两者具有相似的尺寸与形貌,都为纳米级的棒状结构,长度和长径比分别为93 nm±26 nm和35±20,表明此方法对于不同来源的纤维素工业丝废丝具有一定的普适性。

麦秆基纳米纤维素过滤膜的制备及对微纳米颗粒的过滤性能

以麦秆为原料,采用对甲基苯磺酸(p-TsOH)结合酶辅助超声处理制备木质纤维素纳米纤丝(LCNFs),通过真空抽滤制备LCNFs过滤膜(LCNF-FM)。研究LCNF-FM的微观形貌、纯水通量、润湿性及对微纳米粒子的过滤性能。结果表明,LCNF-FM由相互交联的纳米纤维网络组成,平均孔径为30.2nm。该过滤膜对细菌及纳米TiO_(2)颗粒均具有良好的截留作用。初步应用于红葡萄酒过滤除菌,其对红葡萄酒中有效成分的保留率均在84%以上,对葡萄酒品质影响不大。该LCNFs及其过滤膜的制备方法绿色环保,在农业废弃物的资源化利用及水处理、食品饮料的净化等方面具有广泛的应用前景。

纳米纤维素在造纸法再造烟叶基片中的应用

为提高再造烟叶的物理性能,使用2种纳米纤维素(纤维素纳米晶须CNC和纤维素纳米纤丝CNF)替代部分木桨纤维,比较其对再造烟叶松厚度、抗张强度的影响,选择添加效果较好的纤维素纤丝,然后考察其不同添加量对再造烟叶松厚度、抗张强度、热解性能的影响,最后研究纳米纤维素的添加对再造烟叶主流烟气粒相物成分的影响。结果表明,在同一木浆纤维添加量下,添加CNF对再造烟叶抗张强度的提升效果强于CNC,且两者的添加对再造烟叶松厚度均无显著影响;在烟草浆料中添加CNF可以有效提高再造烟叶基片的抗张强度,随着CNF添加量的增加,造纸法再造烟叶基片的抗张强度随之增大;再造烟叶的热稳定性随CNF添加量的增加而增强,质量损失达到5%时温度(T-5%)、质量损失达到50%的温度(T-50%)和最终残渣量逐渐增加,而质量损失最大时温度(Tmax)未发生明显变化;添加少量CNF对再造烟叶主流烟气粒相物成分没有显著影响。CNF的添加可有效替代部分木浆纤维,从而降低木浆纤维的添加量,在提升再造烟叶抗张强度的同时,还提高了烟草薄片的热稳定性,为开发一种满足加工工艺需求的新型再造烟叶提供新思路。

纤维素纳米晶手性光学材料研究进展

利用来源广泛、绿色、可再生的纤维素纳米晶,与功能材料相结合,构建性能优异的生物质手性光学材料,在比色传感、信息加密、手性诱导和建筑节能等领域具有广阔的应用前景。本文介绍了纤维素纳米晶的制备、手性向列液晶结构的自组装构建及其手性光学性质,重点综述了纤维素纳米晶手性结构材料光学性质的调控策略以及手性光学应用的研究进展,最后总结并展望了纤维素纳米晶手性光学材料发展所面临的挑战和前景。

纳米纤维素光热吸油气凝胶的构建及性能

采用物理吸收法清理石油及石油产品在海上的泄漏是油水分离最具潜力的方法之一。以可降解麦秆基LCNFs(木质纳米纤维素纤丝)为原料,以PVA(聚乙烯醇)为增强相、PDA(聚多巴胺)为光热成分,通过冷冻干燥及MTMS(甲基三甲氧基硅烷)化学沉积法制备具有光热性能的M-LPPA(疏水性LCNFs/PVA/PDA气凝胶)。对M-LPPA的微观结构、接触角、光热转化性能进行表征,并对不同质量分数PVA的M-LPPA的吸油性能进行初步研究。结果表明:M-LPPA为深灰色弹性气凝胶,具有大、小孔互穿的三维网络结构。M-LPPA疏水角均>130°,且随着PVA质量分数的增加而增加。M-LPPA-0.25对不同有机溶剂及轻质油的吸附容量可达43—168 g/g(以每g气凝胶计),其中对二氯甲烷的吸附量高达168 g/g。在一个太阳光下,M-LPPA-0.25气凝胶在5 min内温度可上升至57.7℃,表明其具有良好的光热性能,可以降低高黏度原油的黏度,提高其吸附性能。

石墨烯/纳米纤维素复合导电纸的制备及电容性能研究

本研究选用球形碳(GS)作为插层剂,还原氧化石墨烯(rGO)作为导电基质,纤维素纳米纤丝(CNF)作为绿色柔性基底,制备了具有三明治结构的石墨烯/纳米纤维素复合导电纸(rGO/GS/CNF),并探讨了GS和CNF的加入对rGO/GS/CNF的影响。结果表明,与纯石墨烯导电纸相比,CNF和GS的存在改变了复合纸的微观结构,使rGO/GS/CNF具有更好的力学强度(53.7 MPa);GS的嵌入增加了rGO的片层距离,有效改善了rGO/GS/CNF的倍率性能和电容性能。在0.5 mA/cm^(2)的电流密度下,rGO/GS/CNF电极的面积比电容为227.8 mF/cm^(2),经过1000次充放电循环测试后,电容保留率为82.1%,且具有较大的能量密度(62.0μWh/cm2)和功率密度(2080μW/cm2),在柔性超级电容器领域具有良好的应用潜力。

纳米纤维素改性染料溶液及其染色单板耐光色牢度性能

采用纳米纤维素晶体(cellulose nanocrystal,CNC)对红、黄、蓝三种酸性染料进行改性处理得到CNC改性染液,对其粒径分散性、Zeta电位、紫外-可见光吸收性能进行分析,并对染色单板的上染率、耐光色牢度、表面化学结构和微观结构进行研究。结果表明:经过CNC改性处理后的三种染料,分散均匀性和稳定性均得到改善。经CNC-1%改性后的染料,粒径降低,粒径分布均匀性和Zeta电位绝对值提高,紫外-可见光吸收强度下降;染色单板的上染率提高,耐光色牢度达到GB/T 15104—2021《装饰单板贴面人造板》4级要求;染色单板微观结构表面具有纳米纤维素与染料复合形成的纤丝状聚集体。较高添加量(CNC-4%)的CNC会增大对染料的吸附量,导致胶体颗粒增大,团聚情况增加,反而使粒径变大,Zeta电位绝对值降低,从而影响单板的上染率和耐光色牢度。

纳米晶纤维素组装的手性介孔材料及其对手性药物的分离

纤维素纳米晶体(CNC)是由硫酸催化的纤维素水解制备的,根据纤维素的来源和水解条件,纳米晶体的直径约为5~15 nm,长度约为100~300 nm。CNC在水中可以形成具有手性向列型结构的液晶相。当干燥成固体薄膜时,CNC保持螺旋手性向列顺序并组装成层状结构。在CNC自组装过程中,可以添加溶胶-凝胶前体,如Si(OMe)_(4)。随着溶剂的蒸发,这些前体会发生水解和缩合,从而形成手性向列相二氧化硅/CNC复合材料。复合材料在空气中煅烧破坏纤维素模板,留下高表面积手性向列结构的介孔二氧化硅膜。此外,有机二氧化硅或二氧化钛薄膜也采用类似的方法得到。这些薄膜可用作滤光片、反射器和薄膜。最重要的是,合成的手性介孔二氧化硅可用作手性色谱固定相材料分离手性药物。结果显示,手性分离的效果显著,为CNC开发手性新材料提供了新方法。

纳米纤维素基材料对水中新污染物的处理探讨

新污染物具有毒性、环境持久性、生物累积性等特点,近几年在水中被频繁检测出,对人类健康和生态环境造成潜在威胁,如何去除水中新污染物是当前的研究热点。研究发现,纳米纤维素基吸附材料在新污染物的处理中有很好的吸附效果。文中介绍了纳米纤维素的类别、制备及改性方法,综述了纳米纤维素基材料对水中持久性有机污染物、内分泌干扰物、抗生素及微塑料的去除应用,并提出了今后的研究要点应为不同类型新污染物同时高效地吸附,及吸附后的处理和再生问题。

基于纳米纤维素和碳点的荧光复合材料的制备与应用研究进展

碳点是一种新型的零维荧光纳米材料,具有优异的光学性能、高热稳定性和化学稳定性,是近几年的一个研究热点。从天然生物质中提取的纳米纤维素,具有比表面积大、环境友好和可生物降解等特点。以纳米纤维素为载体掺杂碳点制备的复合材料兼具优异的荧光性能和机械性能,具有重要的应用价值。本文综述了基于纳米纤维素和碳点的荧光复合材料的制备与应用,简要介绍了碳点的性质和制备,论述了纳米纤维素基荧光碳点水凝胶、薄膜以及气凝胶和油墨等复合材料的制备方法及相关应用,并对纳米纤维素和碳点的荧光复合材料的发展进行展望。

三种蛋白包覆纤维素纳米晶稳定皮克林乳液的构建及体外消化特性

纤维素纳米晶(CNCs)由于其表面固有的强亲水性,往往需要修饰改性才能应用,如乳液稳定。该文研究了三种蛋白(牛血清蛋白BSA、酪蛋白酸钠CAS和大豆分离蛋白SPI)通过静电修饰CNCs表面性质的可行性,并研究了其对CNCs乳液体外消化特性的影响。首先研究了pH值3.0时蛋白与CNCs的作用模式、吸附比例、颗粒结构特征,结果发现二者可以通过静电作用结合(Zeta电位由-35 mV至+20 mV),CNCs表面蛋白吸附比例由100%(蛋白浓度0~0.1%,m/V)逐渐降低至40%~60%(蛋白浓度0.5%,m/V)。静电修饰引起CNCs絮凝,显著改善其两亲性(接触角由35°增加至75°~80°)。然后研究了蛋白包覆CNCs的乳化性质,结果发现蛋白包覆CNCs形成了粒径为3~9μm的絮凝乳液,且凝聚稳定性更好,不同蛋白之间无显著差异。体外消化结果表明,与吐温20乳液(~90%)相比,蛋白包覆CNCs稳定乳液具有更低的游离脂肪释放率(~80%),蛋白种类影响不显著。可见,三种常见蛋白能够通过静电吸附方式修饰CNCs并将其转化为良好的Pickering稳定剂。该文研究结果能够极大丰富食品级皮克林稳定剂的来源,并促进相关功能乳液食品的开发。

纤维素纳米晶基复合微球及其在水处理中的应用

纤维素纳米晶(CNC)作为世界上最丰富的生物聚合物,是一种绿色、可再生的环保材料,其较高的比表面积和表面活性基团等良好的吸附剂特性,在废水处理中具有较高的潜在应用价值。当CNC与其它功能性纳米粒子复合时,由于其独特的性质和吸附活性,可以有效地增强各组分的作用,同时以微球作为载体有效解决了纳米材料难以回收利用,对环境造成二次破坏的问题。综述了近年来关于CNC基复合微球在水处理中应用的文献,这将为研究人员提供设计更合适CNC基复合微球的指导方针,从而促进研究。

纳米微晶纤维素复合膜的制备及性能分析

以具有可持续性和环保特点的棉纤维为原料制备纳米微晶纤维素(NCC),再通过硫酸水解法简单高效地制得NCC悬浮液,将该悬浮液与壳聚糖混合,制备出NCC复合膜.利用万能试验机测试NCC复合膜的力学拉伸性能,同时用拟杯子法测试NCC复合膜的透湿性、用覆盖油脂的过氧化值测试NCC复合膜的阻氧性、用分光光度计测试NCC复合膜的透光性、用金黄色葡萄球菌和大肠杆菌测试NCC复合膜的抗菌性,最后用细胞培养试验评估复合膜对人体细胞的毒性.结果表明,NCC用量在45%质量分数时,制备的NCC复合膜拉伸强度最大、力学性能最高、断裂界面更粗糙;NCC复合膜水蒸气透过率保持在2.8×10^(-11) g·(m·s·Pa)^(-1)以上;NCC复合膜氧气阻隔性的过氧化值在2.0以上;经过与NCC复合膜32 min的接触,金黄色葡萄球菌和大肠杆菌接近完全被杀灭;24 h人体细胞存活率在70%以上.综上,所制备的NCC复合膜性能优良,值得开发.

中外合作办学模式下学生科研创新的培养——脱脂棉纳米纤维素超声法制备及工艺条件优化实验

脱脂棉纳米纤维素超声法制备及工艺条件优化实验为例,在单因素实验结果的基础上进行响应面法优化超声辅助硫酸水解脱脂棉制备纳米纤维素,最优制备工艺条件为超声时间31.91 min、硫酸浓度55.88%,反应温度50.55℃,考虑到实际操作的便利,将最佳工艺条件修正为超声时间32 min、硫酸浓度56%,反应温度51℃。在此工艺条件下,实际测得纳米纤维素得率平均值为90.84%,与响应面模型预测值90.41%相接近;模型的决定系数为92.51%,说明模型拟合有效。总结实验,培养学生查阅文献、创新实验设计、测试仪器的高效利用等科研能力。

纳米纤维素基材料在柔性电子器件中的应用

目的由于纳米纤维素基材料良好的柔韧性、热力学性能和高透明度,近年来在柔性电子产品中引起越来越多的关注。通过综述该领域的研究进展,将有助于研究人员更高效地开展研究。方法综述3类纳米纤维素的制备方法及将纳米纤维素基材料应用在柔性电子产品中的研究进展。分别阐述纳米纤维素基材料应用于器件柔性衬底及绝缘材料的研究实例,并讨论纳米纤维素在各种应用方向中的优势以及存在的问题,最后对材料的未来应用前景进行展望。结论纳米纤维素是天然纤维素与纳米技术结合的产物,可主要划分为纤维素纳米纤丝、纤维素纳米晶以及细菌纤维素3类。近年来,纳米纤维素基材料作为电子器件柔性衬底、绝缘材料等研究均有许多成果问世。虽然纳米纤维素基电子器件的开发还主要停留在实验室阶段,但是与传统的石油化工产品相比,纳米纤维素具有原材料丰富、环保可降解等优点。对纳米纤维素基新型材料的开发利用,有助于解决人类社会中日益严重的电子垃圾问题。