摘 要

纤维素是一种可再生、可降解的天然高分子生物质材料。采用酸水解制备的纤维素纳米晶，具有高度结晶性、高比模量、生物相容性、无毒性等众多优良性质，是一种良好的聚合物基纳米增强填料。值得关注的是，从天然纤维素纤维中提取纤维素纳米晶，控制其表面性质和几何尺寸，将决定这种天然生物质纳米粒子在材料领域的应用前景。

本课题采用乙酸酐修饰的方法对硫酸水解提取的棒状纤维素纳米晶进行尺寸调控，通过加大反应时间、控制反应投料比，实现纤维素纳米晶表面化学修饰反应程度的调控，最终实现有效控制这种棒状纳米粒子的尺寸，并采用红外，透射电镜等表征手段对乙酰化修饰的纤维素纳米晶进行尺寸评估，最终结果表明，纤维素纳米晶乙酰化修饰成功，并且可以通过控制不同的反应条件，基本实现对纤维素纳米晶的几何尺寸调控。

关键词：纤维素纳米晶 乙酰化 尺寸可控

Abstract

Cellulose is a renewable and degradable natural polymer biomass material. The prepared cellulose nanocrystals by acid hydrolysis are the good polymer matrix reinforcement nanofiller because of its high crystallinity, high specific modules, biocompatibility and nontoxicity. It’s noteworthy that the extraction of cellulose nanocrystals from cellulosic fiber and then by control of its surface character and size will decide its prospect in material field.

The project uses the method of acetic anhydride modification to control the size of rod-like cellulose nanocrystals extracted from sufuric acid hydrolysis. By increasing reaction time and controlling reaction ratio, the degree of surface chemical modification of cellulose nanocrystals can be controlled, and then the control of size of rod-like cellulose nanocrystals is achieved. The characterization method of FTIR and TEM is applied to assess the size of acetylated cellulose nanocrystals. The final result indicates that the acetylation of cellulose nanocrystals is successful and the size of cellulose nanocrystals can be controlled at different reaction conditions.

Keywords：cellulose nanocrystals; acetylation; size controllable

目 录

第1章绪论 1

1.1课题背景 1

1.2研究现状 2

1.3纤维素纳米晶改性研究 3

1.3.1纤维素纳米晶的性质 4

1.3.1.1丰富的表面羟基 4

1.3.1.2广阔的表面积 5

1.3.1.3高长径比 5

1.3.1.4高结晶度 5

1.3.1.5力学性能 6

1.3.1.6高抗热性 6

1.3.2纤维素纳米晶的提取方法 7

1.3.3纤维素纳米晶表面改性的方法 8

第2章基于化学修饰法尺寸可控纤维素纳米晶制备方案和实验方法 10

2.1改性原理 10

2.2.1研究内容 10

2.2.2.实验步骤及方案 10

2.2.3.实验过程及分析 11

2.3产物表征 11

2.3.1红外表征 11

2.3.2 TEM表征 12

2.4.修饰程度与纤维素纳米晶尺寸的关系 13

第3章 结论及课题后续思考 16

参考文献 18

致谢 20

第1章 绪论

1.1 课题背景

21世纪以来，有限资源储量的下降、化石能源价格的飞速增长、环境污染问题日益严重，以及可再生新材料在科技、医学、技术等方面的发展，纤维素的应用正愈来愈收到重视。纤维素应用于新型材料具有很大的发展潜力，是一种可再生可生物降解的生物质资源，。在全世界范围内，可以很容易地大量获得，每年的纤维素产量非常之高。纤维素来源丰富（主要来源于木材，棉花，大痳等植物），这种广泛的来源使得纤维素的获取成本非常低。纤维素新材料与传统材料相比，有着生物可降解绿色环保的优势，因此在未来的发展更有优势。纤维素作为新型材料时，它的发展潜力非常巨大，因为生物可降解性和环境友好性。如果纤维素复合材料能够大量的应用到生活中，那么困扰人类社会的资源问题和环境问题将会得到很大程度上的解决。首先，人类社会经济科学等各方面得到很大的发展，都是建立在资源的基础上的。然而，像石油、天然气等资源储量有限，总有用完的一天，寻找可以替代传统资源，而且又可以再生的资源是非常迫切的。纤维素作为可再生资源，储量丰富，几乎用不完，作为传统资源的替代品，是一个非常不错的选择。其次，传统材料大部分是人工合成的，尽管改善了人类社会的物质生活，但同时也造成了很大的环境污染问题。环境问题日渐严重，人们的环保意识也越来越强。通过发展新型绿色材料，改善物质生活的同时，又能解决环境污染问题。所以，近年来，环保材料的研究和开发是科学研究的热点问题。纤维素因为优良的性质，广泛的来源，丰富的储量，走进科学研究者视野。纤维素作为天然生物大分子，在自然条件下是可以完全降解的，对环境影响非常小。作为替代传统人工合成材料，是一个理想的选择。可以想象，当纤维素为基础的复合材料大量应用到生活中时，很多困扰人类社会的问题将不复存在。资源上的压力问题不复存在，环境保护上的问题也不复存在。理想离现实之间还有很长一段路要走，这期间需要科学家们刻苦钻研，把研究转化为产品，得以应用。同时，我也期待着纤维素为基础的复合材料能早日大量应用到生活中。

由于纤维素优良的性质，以及诱人的前景，科学家们对纤维素的研究也越来越多。对纤维素的研究，主要集中在纤维素的形成，构造，提取与分离，不同尺寸纤维素产品的性能及其作为复合材料成分所表现出的性能。纤维素的形成是受其生长条件决定的，同时与自身的植物种类也有很大关系。生长条件（比如植物来源，土壤性质，气候条件，植物年龄）在纤维素内部结构形成过程中扮演着一个重要的角色。纤维素纤维（也可以被叫做木质纤维素天然纤维）包含纤维素，木质素和半纤维素，由它们结合在一起所形成。纤维素中存在结晶度比较好的定型区，因为它性能表现好，所以我们非常希望能从纤维素中分离出该区域，如何有效提取纤维素纤维中的结晶区是考虑的重点。目前，研究最多的是纳米尺寸的纤维素，也就是所谓的纤维素纳米晶。通常，物质在具有纳米尺寸时，会表现出良好的性能。纤维素纳米晶的纳米结构使得纤维素作为新型纳米材料运用到纳米复合物中成为可能。纤维素纳米晶（cellulose nanocrystals，CNC）是一种纳米粒子，具有高度结晶结构，外形呈棒状结构，其长度一般为100~1000 nm，直径为10-50 nm，比表面积很大，可以长期稳定地分散在溶剂体系，在水中分散形成稳定的CNC胶体。由于CNC表面有大量的羟基，在干燥过程中，由于氢键作用，粒子之间很容易团聚，团聚后的CNC很难用物理方法使其再分散，限制了其应用前景。所以，纤维素纳米晶的表面性质需要修饰和改变。目前，改善CNC的再分散性主要通过两种方法：加入表面活性剂和化学接枝。后一种方法更具有优势，在高离子浓度下CNC悬浮液仍具有很好的稳定性，但反应条件比较苛刻，所以也可以通过一些简易的化学改性方法对CNC进行表面修饰，如乙酰化修饰。改性后的CNC具有良好的再分散性，能均匀地分散于普通溶剂，也具有更好的分散稳定性。

1.2 研究现状