纤维素的先进功能材料分析

纤维素是自然界中分布最广、存储量最大的天然高分子，它能够构成植物细胞壁，然后通过植物的光合作用继续产生大量的纤维素。换句话讲，纤维素是一种优秀的可再生资源。在使用过程中，纤维素与合成高分子相比，具有无毒、无污染、容易改性的特点，所以，它的存在更有利于社会的可持续发展。

1  纤维素材料

随着石油、煤、天然气等不可再生能源的应用，环境问题日益严重，这些能源的用量也在逐渐减少，所以，纤维素材料的研究已经成为了国际重点研究领域，纤维素的先进功能材料也已经逐渐成为了纤维素的科研热点。因为天然纤维素不能熔融，也很难在常规溶剂中溶解，所以，该材料的加工性能很差，这种情况限制了纤维素材料的运用。

在传统的纤维素材料生产中，主要采用黏胶法或铜氨溶液法。虽然黏胶法一直在纤维素再生产中占有主要地位，但是，这种方法大量使用烧碱和硫酸，在生产过程中会释放有毒气体，严重污染环境。

2  物理法制备纤维素功能材料

2.1  纯纤维功能材料

纤维素中的纤维能够制造出性能优良的纺织品。使用黏胶法制备再生纤维是目前最普遍的方法，但是，这种方法造成的污染很严重，所以，需要使用新工艺代替。在制备工程中，氯化锂或二甲基乙酰胺受自身体系的制约，很难进行工业化生产，所以，开创了4-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）体系，实现了新的工业化生产。利用这种方法生产出的再生纤维又被称为Lyocell纤维。这种纤维不仅有天然纤维的手感，还具有模量高、湿度强和延展性好等特点。再生纤维制造出的衣服不仅穿着舒服，而且耐磨，经常被应用于高档服装制造上。但是，这种制作溶剂的价格非常高，并且对回收技术的要求也很高，需要大量的前期资金投入，所以，这种方法并没有被推广。

再生纤维素膜是一种重要的膜材料，它被应用于过滤药物中。但是，纤维素膜的生产过程非常烦琐，需要通过醋酸纤维素水解或化学衍生化溶解再生的方法制备。在此过程中，会消耗大量的有机溶剂，造成严重的污染。近几年，相关人员使用新型的纤维素非衍生化溶剂溶解纤维素，然后利用特定的方法在玻璃板或模具中铺膜，将其浸泡在沉淀剂中再生，由此得到均匀、透明且力学性能稳定的再生纤维素膜。新制备的纤维素纳米纤维能够在水中均匀分散，将纤维素纳米纤维作为原料，然后将水作为分散剂。在这个过程中，通过简单的溶剂挥发能够得到高力学强度的纤维素纳米纤维膜，其拉伸强度可达214 MPa，断裂伸长率为10%.由此可知，纳米纤维的分离制备和纳米纤维的孔隙程度，会影响纳米纤维膜最后的力学性能。利用以上方法制得的纳米纤维膜修饰玻璃电极，能够有效阻止负电荷的传递，并集聚正电荷物质，这种膜材料能够作为电化学传感器使用。

2.2  纤维素复合材料

纤维素复合材料有很多种，按照组成成分区分，可分为纤维素/合成高分子复合材料、纤维素/导电聚合物复合材料等；按照功能区分，可分为力学材料、光学材料、电学材料。现简要介绍有特点的功能性纤维素复合材料。

2.2.1  具有光电活性的纤维素复合材料

通过相关学者的研究发现，如果将氢氧化钠/尿素水溶液作为溶剂制备纤维素或染料复合膜，那么，这种材料会显示出较强的发光性能或荧光性能。其中，复合膜还有较强的透明性，透光率能够达到90%. 试验发现，复合膜的力学性能很高，拉伸强度能够达到138 MPa。如果将天然纤维素浸泡在发光溶剂中进行离心干燥，经过一段时间后，能够得到光致发光纸。这种材料不仅展现了发光剂的吸附能力，还提供了复合纸的发光性能。因此，这些纤维素发光材料可以用于发光二极管和包装等领域。

2.2.2  纤维素/碳纳米管复合材料

从纤维素先进功能材料的研究、分析中发现，碳纳米管具有非常优秀的力学性能和电性能，受到人们的高度重视，并被广泛应用于电子器件中。随着科技的不断发展，这种材料在生物传感和复合材料中占有重要位置。

3  化学法制备纤维素功能材料

因为天然纤维素很难溶解，所以，不适用于工业生产中。它作为一种天然高分子，在性能上也有一定的不足，例如，这种纤维素耐化学腐蚀性很差、强度较低、稳定性不高。所以，相关人员可以通过化学方法改善天然纤维素的缺陷，强化其溶解性和强度，并赋予它新的性能，不断拓展纤维素的应用领域。因为纤维素分子链上有很多羟基，所以，可以利用这种方法制备出各种各样的纤维素衍生物。

近几年，纤维素衍生物材料被广泛应用于日用化工、涂料和食品等领域。其中，纤维素的制备方法主要有均相法和非均相法。因为纤维素很难溶解，所以，在工业生产中，都是利用非均相法制备纤维素衍生物。但是，在这个过程中，纤维素衍生物存在结构不统一和不可控的缺点，同时，还会产生大量的副产物，所以，纤维素衍生物的种类较少。相关人员尝试利用纤维素在不同溶液中的反应生产纤维素衍生物。

3.1  纤维素酯

纤维素酯是纤维素与强酸或羧酸衍生物，通过酯化反应得到的一种纤维素衍生物。这种衍生物的种类较多，并有较高的附加值，能够在生物、材料、食品中广泛应用。利用这种方式，相关人员可以合成一些具有新功能性的纤维素酯。相关人员通过酯化反应将卟啉分子连接在纤维素上，得到了光电转换材料，卟啉分子还给予了纤维素材料全新的抗菌性能。所以，通过酯化反应，能够在乙基纤维素上连接三苯基胺，然后得到溶致变色的纤维素衍生物，并显现出蓝-绿荧光。这种衍生物在溶液中的量子效率为65%，所以，它还被应用在光电器件领域。

3.2  纤维素醚

从传统意义上讲，纤维素醚类的种类很多，并有很多性能。这种物质被广泛应用于石油开采中，还有食品、纺织和日用化学品等方面，所以，相关人员可以引进新的基因功能，以得到新型的功能性纤维素醚。一些学者合成了纤维素咔唑醚，它能够用于存储信息，并在OLED的空穴中传输材料；还有一些学者利用醚化反应，在纤维素上连接联苯液晶分子，从而得到对

紫外光吸收能力较强的纤维素材料。

近年来，相关人员发现了一些新型、高效的纤维素溶剂，为纤维素的再生产提供了新介质。在纤维素溶液中进行衍生化反应，能够得到结构统一、可调控的功能性纤维素衍生物，例如纤维素酯、纤维素醚等。这些分子或衍生物的反应快速、高效、容易分离，为相关行业的研究奠定了良好的基础。

4  结束语

通过对纤维素先进功能材料的分析可知，纤维素先进功能材料能够有效利用纤维素的价廉、量大、易获得、可再生等特点，拓展纤维素材料的使用领域。相信纤维素先进功能材料的应用范围将会越来越广。新技术和新溶剂的开发和使用，会极大地推动纤维素功能材料的开发。

参考文献

［1］张菁.基于纤维素的高性能材料制备［D］.上海：复旦大学，2012：125-126.

［2］包涵珍，王静芸，黄霞芸，等.基于纤维素及半纤维素的先进材料［J］.纤维素科学与技术，2012（14）：167-168.

〔编辑：白洁〕