納米纖維素研究及應(yīng)用進(jìn)展ⅰ

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1、第2期高分子通報(bào)納米纖維素研究及應(yīng)用進(jìn)展I袁嘩，范子千，沈青(1．東華大學(xué)高分子材料與工程系；2．東華大學(xué)纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200051)摘要：納米纖維素是一種新型的高分子功能材料，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的性能。特別是細(xì)菌纖維素，其三維納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，生物適應(yīng)性，良好的機(jī)械穩(wěn)定性，抗菌性等優(yōu)良性能使它越來(lái)越收到重視。本文介紹了近年來(lái)對(duì)于納米纖維素制備和應(yīng)用的研究進(jìn)展，主要涉及細(xì)菌纖維素，植物纖維素和纖維素納米復(fù)合物的制備。本文的下篇《納米纖維素研究及應(yīng)用進(jìn)展Ⅱ》將繼續(xù)介紹納米纖維素在生物，醫(yī)學(xué)，增強(qiáng)劑

2、，造紙工業(yè)，凈化，傳導(dǎo)，與無(wú)機(jī)物復(fù)合，食品工業(yè)，磁性復(fù)合物等方面的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：納米纖維素；電子紙；生物模板；磁性納米復(fù)合物煎專纖維素主要由植物的光合作用合成，是自然界取之不盡，用之不竭的可再生天然高分子。近年來(lái)隨著石油、煤炭?jī)?chǔ)量的下降、石油價(jià)格的飛速增長(zhǎng)、各國(guó)對(duì)環(huán)境污染問(wèn)題的日益關(guān)注和重視，以及可再生資源在科技、醫(yī)學(xué)、技術(shù)等方面的發(fā)展，纖維素的應(yīng)用正愈來(lái)愈受到重視]。纖維素具有很多優(yōu)越的性質(zhì)，如親水性、手性、生物可降解性，以及廣泛的化學(xué)改性能力。纖維素大分子之間，纖維素和水分子之間，或者纖維素大分子內(nèi)部都可以

3、形成氫鍵，而這些大規(guī)模的氫鍵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組成了纖維素的半晶體光纖形態(tài)l2]。纖維素的來(lái)源主要是植物。棉花幾乎是純的纖維素，而木材等則是由纖維素、木質(zhì)素、半纖維素、果膠等其它碳水化合物的混合體。除了植物以外，動(dòng)物、特定的細(xì)菌、海藻、真菌等也能生成纖維素。其中目前已知的合成纖維素能力最強(qiáng)的微生物菌株為木醋桿菌，它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究細(xì)菌纖維素(BC)。細(xì)菌纖維素的分子結(jié)構(gòu)與植物纖維素基本相同，但其重要的結(jié)構(gòu)特征和性質(zhì)使它的實(shí)際應(yīng)用意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于植物纖維素。細(xì)菌纖維素具有高純度、高聚合度(高達(dá)8000)、高結(jié)晶度、高

4、含水量和高力學(xué)穩(wěn)定性等重要性質(zhì)。而這些性質(zhì)都是由于它在水介質(zhì)中形成的特定網(wǎng)狀納米超分子結(jié)構(gòu)所引起的。類似于BC那樣具有納米尺度的纖維素被稱為納米纖維素]，它也包括納米尺度的纖維素晶須和納米纖維素復(fù)合物。本文對(duì)納米纖維素的研究和應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了綜述，包括其制備方法和一些新的應(yīng)用。1納米纖維素的制備從制備來(lái)源來(lái)說(shuō)，納米纖維素可以分為植物纖維素、動(dòng)物纖維素以及細(xì)菌纖維素。如被囊類動(dòng)物可以合成動(dòng)物纖維素，木醋桿菌可以合成細(xì)菌纖維素等。而現(xiàn)在興起的還有一種是納米纖維素復(fù)合材料。1．1用細(xì)菌制備納米纖維素1886年，Brow

5、n首次報(bào)道了由木醋桿菌(Acetobacterxylinum)合成了一種胞外呈凝膠狀的物質(zhì)，但基金項(xiàng)目：高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃資助(No．111-2—04)；作者簡(jiǎn)介：袁曄(1987一)，女，浙江寧波人，東華大學(xué)高分子材料工程系本科生；通訊聯(lián)系人：sqing@dhu．edu．cn．·76·高分子通報(bào)2010年2月由于無(wú)合適的實(shí)驗(yàn)手段以及產(chǎn)量較低，因此未受到重視。細(xì)菌纖維素(BC)引起人們更多的注意是在20世紀(jì)后期，而深入的研究則是從Hestrin和Schramm等的研究開(kāi)始的，他們證明了靜止和凍干的醋酸細(xì)菌細(xì)

6、胞在有葡萄糖和氧時(shí)能夠合成纖維素，并且研究出了一種特殊的培養(yǎng)基，使木葡糖酸醋桿菌在實(shí)驗(yàn)條件下最優(yōu)化產(chǎn)出纖維素j。BC的生物合成是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，從尿苷二磷酸葡萄糖開(kāi)始，經(jīng)過(guò)4個(gè)主要的酶催化反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化為纖維素長(zhǎng)鏈分子。木醋桿菌細(xì)胞壁側(cè)有一列50~80個(gè)軸向排列的小孔，在適宜條件下每個(gè)細(xì)胞每秒鐘可將200000個(gè)葡萄糖分子以1，4一糖苷鍵相連成聚葡萄糖，然后從小孔中分泌出來(lái)形成直徑1．78nm的纖維素絲，并隨著分泌量的持續(xù)增加平行向前延伸，相鄰的幾根微絲之間由氫鍵相互連接形成直徑為3～4nm的微絲束，微纖絲束

7、進(jìn)一步伸長(zhǎng)，相互之間仍由氫鍵連接，最后形成長(zhǎng)度不定，寬度為30~80nm，厚度為3~8nm的纖維絲帶。Fink等曾給出了一個(gè)BC結(jié)構(gòu)模型(見(jiàn)圖1)。圖1BC纖維結(jié)構(gòu)模型L3Figure1ModelofinitiallyhydratedBCfibrils由于BC不溶于水，所以在特定的培養(yǎng)基中實(shí)驗(yàn)時(shí)，BC會(huì)在氣液分界面上鋪展生長(zhǎng)成薄膜狀，纖維素分子自組裝形成了高膨脹度的3D網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它具有明顯的隧道和微孔結(jié)構(gòu)，而且水分含量可以達(dá)到99％。生物合成的納米纖維素是高純度的，其產(chǎn)出率與菌種有關(guān)。天然纖維素可分為I型和Ⅱ型

8、，I型中又有I(三斜晶胞)和工。(單斜晶胞)兩種晶形排列方式，不同的來(lái)源產(chǎn)出的纖維素I／I是不同的，木醋桿菌產(chǎn)生的BC是兩種晶型排列的混合物，其中I。型約60，I。型約4O。細(xì)菌纖維素相對(duì)于植物纖維素的優(yōu)越性在于：(1)它是一種純纖維素，具有高化學(xué)純度和高結(jié)晶度，而植物纖維主要由纖維素組成，但它摻雜其它許多糖類，如半纖維素或木質(zhì)素；(2)它的彈性模量為一般植物纖維的數(shù)倍至十倍以上，并且