摘 要

众所周知，地球上最为丰富的资源是天然纤维素。大部分的植物，小部分的细菌，甚至在动物体内都存在着纤维素。且纤维素有着可再生，无毒性，良好的生物相容性等一系列优异的特质。由于这些优良的特性，纤维素一直吸引着广大科学研究者们的注意。但由于纤维素难提取，设备要求高，对制备的条件苛刻等技术难点，纤维素的研究一度陷入低谷。然而随着近代科学的研究手段的不断发展，人们又重新将研究重点转移到纤维素的研究上来。

法国的科学家在利用强酸水解纤维素的研究中发现了一种棒状的晶体，经过长时间的严谨检测后确认其跟纤维素为同一种物质，但由于其纳米级别的尺寸，遂将其命名为纤维素纳米晶体。随后的研究中，这种新物质的优点被慢慢地发掘出来：高纯度、高结晶度、高杨氏模量、高强度等特性。再加上其为纤维素酸解制得的产物，所以其也具备纤维素的所有优点。纤维素纳米晶由于其上述的优良特质，在未来的科学研究和工业生产中具有广阔的前景。本课题主要以脱脂棉为原料，通过研究反应条件如温度,酸浓度，反应时间等对制备纤维素纳米晶的影响，为了能够进一步提高纤维素纳米晶的分散性和得到较优化的制备工艺。

本文分别采用不同浓度的硫酸和盐酸来酸解脱脂棉制备不同的纤维素纳米晶悬浮液，并对最佳浓度下的酸水解反应添加几组不同反应时间的实验来研究该条件下反应的详细进程。对制得的纤维素纳米晶悬浮液的粒径，电位测试可知：相同酸度下的硫酸和盐酸酸解脱脂棉得到的纤维素纳米晶粒径基本相同，但是电位绝对值硫酸酸解的明显比盐酸得到的要大。45%~65%的硫酸水解的纤维素纳米晶平均粒径分布在300~500nm； 20%~38%的盐酸水解得到的纤维素纳米晶平均粒径分布在500~1700nm；60%浓度的硫酸水解效果最好，平均粒径为339nm。故对反应条件为60%硫酸的反应进行不同反应时间的实验，结果表明:反应前0~2h，得到的纤维素纳米晶悬浮液的平均粒径不断变小，超过2h后平均粒径维持稳定，基本无明显变化。

关键词：纤维素纳米晶；硫酸；盐酸；除酸方法；干燥方法

Abstract

Natural cellulose is the earth's most abundant biomass resources, the annual output of about 1.5x1012 tons, is the most widely distributed in nature biopolymer, which exists in a variety of organisms, such as plants, animals and some bacteria , a cellulose regeneration, rich content and non-toxic, biodegradable, biocompatible, environmentally friendly features. With the development of nano-science and technology, and with respect to the preparation of the special properties of macroscopic matter nanomaterials increasingly attracted people's attention. Preparation and properties of cellulose nanocrystals also been extensively studied.

Through the study of acid hydrolysis of cellulose residues, found a cellulose crystal rod, its size in the nanometer scale, usually referred to as cellulose nanocrystals. Cellulose nanocrystals because of its high purity and high crystallinity, high Young's modulus, high strength and other characteristics, combined with a lightweight biological materials, biodegradable, biocompatible and renewable and other characteristics, suitable for use as high-performance composite filling material. Cellulose nanocrystals functionalized by chemical modification of the surface, as well as with inorganic functional nano hybrid materials have been given more performance, but also to show potential application in many fields. Cellulose nanocrystals also has a high surface area, low density, mechanical performance advantages, can be used as a high performance composite reinforcing filler material. This paper mainly cotton linters as raw material, by studying the reaction conditions such as temperature, acidity influence of Preparation of nanocrystalline cellulose concentration and improve the dispersion of cellulose nanocrystals, obtained preparation and a higher yield than the optimization.

In this paper, using different concentrations of sulfuric acid and hydrochloric acid hydrolysis of cotton cellulose nanocrystals prepared different suspensions, and adding an acid hydrolysis reaction optimum concentration of several different sets of experiments to study the reaction time of the process in detail under the reaction conditions. The prepared nanocrystalline cellulose suspension particle size, potential test shows: hydrochloric acid and sulfuric acid hydrolysis of cotton obtained under the same acidity cellulose nanocrystals particle size is basically the same, but the absolute value of the potential of sulfuric acid hydrolysis to obtain significantly higher than hydrochloric acid larger. Cellulose nanocrystals average particle diameter of 45% to 65% sulfuric acid hydrolysis distributed in 300 ~ 500nm; mean particle size of the cellulose nanocrystals hydrochloric acid hydrolysis of 20% to 38% of the distribution obtained in 500 ~ 1700nm; 60% concentration of sulfuric acid hydrolysis best, an average particle diameter of 339nm. So the reaction conditions at different times of the experiment 60% sulfuric acid reaction, the results showed that: before the reaction 0 ~ 2h, the average particle size of nanocrystalline cellulose suspension was continuously smaller than the average particle diameter remained stable after 2h, basically no significant change.

Keywords: cellulose nanocrystals; sulfuric acid; hydrochloric acid; the acid method; drying method

目录

1绪论………………………………………………………………………………8

1.1前言……………………………………………………………………………8

1.2纤维素的研究现状……………………………………………………………9

1.2.1纤维素的主要来源…………………………………………………………9

1.2.2纤维素的化学结构…………………………………………………………9

1.2.3纤维素的晶体结构…………………………………………………………10

1.3纤维素纳米晶…………………………………………………………………11

1.3.1纳米纤维素分类……………………………………………………………11

1.3.1.1纳米纤维素晶体…………………………………………………………11

1.3.1.2纳米纤维素复合物………………………………………………………11

1.3.1.3纳米纤维素纤维…………………………………………………………11

1.3.2纤维素纳米晶的制备方法和性质…………………………………………12

1.3.3纤维素纳米晶的应用………………………………………………………13

1.3.4选题意义和研究内容………………………………………………………14

2纤维素纳米晶的制备……………………………………………………………15

2.1纤维素纳米晶的制备原理……………………………………………………15

2.2实验原料与仪器………………………………………………………………16

2.2.1实验试剂……………………………………………………………………16

2.2.2主要实验和测试仪器………………………………………………………16

2.2.3实验装置图…………………………………………………………………16

2.3实验方法和测试方法…………………………………………………………17

2.3.1纤维素纳米晶的制备步骤…………………………………………………17

2.3.2主要测试方法………………………………………………………………17

3结果分析与讨论…………………………………………………………………18

3.1粒径电位测试分析……………………………………………………………19

3.2红外光谱分析…………………………………………………………………19

3.3 X射线衍射分析………………………………………………………………21

3.4双折射实验……………………………………………………………………23

结论…………………………………………………………………………………24

参考文献……………………………………………………………………………25

致谢…………………………………………………………………………………26

1绪论

1.1前言

纤维素的主要来源是植物的光合作用，这一在生物中最为常见的化学反应。光合作用不光每年生产了数以亿计的纤维素，还制造了氧气和水等物质，使得地球上的元素得以循环，气体环境得以平衡，还为广大的动物提供了大量的食物。早在很远以前，人类就会利用纤维素来改善生活，用腐烂的木材来造纸传播文明，用棉，麻等物质来纺织保暖。然而，针对纤维素的科学研究直到19世纪才出现，科学家通过元素分析法确认了纤维素的分子式为C₆H₁₀O₅，随后差不多过了一百多年，才在法国的学术会议上被一致命名为纤维素。纤维素由于其在地球上庞大的储量，无毒性，再生速度快，一度吸引着广大的科学研究者的注意，这在间接程度上促进了高分子化学的发展。然而之后由于石油，煤和天然气等化石能源的发现，再加上其易使用，蕴含能量高等实用性的特质，人类在第二次工业革命后就开始大规模使用化石能源。近些年来，化石能源的储量急剧减少以及由于使用化石能源造成严重的环境问题。迫于发展的需要，全世界又开始重新把研究的重心放回到纤维素的研究上来。

生物质资源由于其可再生性，且再生速度相当快，而且生物质资源在地球上分布广泛，所以不用担心生物质资源会有被用完的一天。各种天然资源和由天然资源派生而出的资源都是生物质资源，这其中就有纤维素。纤维素广泛存在于高等植物的细胞壁中，数量巨大。棉花中就几乎全是纤维素，是地球上天然存在的纤维素含量最高的物质；稻草，麦秆等农作物废弃物中纤维素的含量也不低。以后如果纤维素能够工业化大批量生产的，原料的来源会十分的广泛和廉价的。