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鄭州中天建筑節(jié)能有限公司
木質(zhì)纖維素氣凝膠的研究和開發(fā)
21 世紀(jì)，世界普遍關(guān)注的科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要焦點之一就是新型材料的創(chuàng)生。我國林木資源短缺，木質(zhì)廢棄物、木材加工剩余物、廢舊木制品的高效再加工和循環(huán)利用，具有十分重要的意義，并且符合循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展趨勢，即組成“資源-產(chǎn)品-再生資源”的物質(zhì)反復(fù)和循環(huán)流動。
木質(zhì)廢棄物、木材加工剩余物、廢舊木制品的高效再加工和循環(huán)利用不僅可以緩解木材供需矛盾，更重要的意義在于，將這些資源量巨大的廢棄物通過科學(xué)的加工，形成新的產(chǎn)品或材料，有利于原本儲存的碳素進一步重新固定、封存，以保持減排低碳，減少溫室效應(yīng)，保護人們賴以生存的生態(tài)環(huán)境。
木質(zhì)纖維素氣凝膠的研究和開發(fā)邁出了木材剩余物高效再加工和循環(huán)利用中關(guān)鍵的一步，它是將木材中所有組分包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等不需經(jīng)過分離和化學(xué)處理，而通過溶解、凍融和干燥工藝制備的一種新型木質(zhì)纖維素基材料。
通過長期大量的試驗，本團隊以木粉為原料，采用凍融法制備成功木質(zhì)纖維素氣凝膠，其工藝流程為：木質(zhì)纖維素氣凝膠材料不僅充分利用了生物質(zhì)材料中的各種組分，而且依據(jù)氣凝膠所具有的特殊性能，諸如極低的密度、極大的比表面積和極高的絕緣性等，可被廣泛應(yīng)用于組織工程、控釋系統(tǒng)、血液凈化、傳感器、廢水處理、色譜分析、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域，還可在高效可充電電池、超級電容器、催化劑及載體、化妝品、氣體過濾和超級高效隔熱隔聲材等有廣闊的應(yīng)用前景。
納米纖絲化纖維素（nanofibrillatedcellulose）具有卓越的光學(xué)性能、機械性能和結(jié)構(gòu)性能，在組織工程、納米復(fù)合材料、納米器件中有非常廣泛的用途。事實上，木材細(xì)胞壁中的纖維素微纖絲（植物學(xué)術(shù)語）就是一種自然界中取之不盡的高性能納米纖維化纖維素。木材中的納米纖絲化纖維素，不但具有很高的長徑比，還具有木材天然的可再生性、可循環(huán)性和可生物降解性。
20 世紀(jì)70 年代末，美國的Sandberg 等人使用高壓勻質(zhì)機從木材紙漿中分離出一種高長徑比的納米纖維素，其直徑約為20nm，這是納米纖絲化纖維素第一次正式露面。最初的研究者將納米纖絲化纖維素稱為微纖化纖維素（microfibrillated cellulose），直到現(xiàn)在許多學(xué)術(shù)文獻和商業(yè)宣傳仍在使用。但這讓人感到困惑，因為這些纖絲的直徑并不是微米級的。受此影響，許多文獻中也將此類材料稱為纖維素微纖絲（cellulose microfibrils），但這個名詞還是一個植物學(xué)的術(shù)語，在植物學(xué)中有特定的含義。
根據(jù)人們對納米材料的定義（某一維度的尺寸小于100nm，即為納米材料），這種直徑2~100nm、長度達數(shù)微米的纖維素材料更宜命名為納米纖絲化纖維素。其納米纖絲化纖維素的制備方法主要有：①機械法：采用高強度沖擊、振動或高壓精磨處理進行纖維素分離而得到徑級為納米尺度的纖維素纖絲；主要包括高壓沖擊法、高壓乳化法、精磨/膠磨法、高速剪切法、冷凍壓碎法、超聲波法和高壓勻質(zhì)處理等。②化學(xué)法與機械法結(jié)合處理：先采用化學(xué)法預(yù)處理，脫除細(xì)胞壁物質(zhì)中的半纖維素和木質(zhì)素，然后在飽水狀態(tài)下利用高強度精磨機進行處理。
迄今，我公司對納米纖絲化纖維素的制備方法仍在進行著諸多嘗試。旨在尋求一種簡便、快捷和無污染、低成本的方法以制備出長徑比高、結(jié)晶度高和網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)密度高的納米纖絲化纖維素，以供高附加值的工業(yè)化利用。
自納米纖絲化纖維素出現(xiàn)以來，科研工作者們對這種新興納米材料的應(yīng)用做了大量探索工作。目前納米纖絲化纖維素主要在食品、化妝品中作為增強相在許多聚合物基體中有著廣泛的應(yīng)用。此外，一些科研工作者還將納米纖絲化纖維素與一些導(dǎo)電聚合物如聚吡咯復(fù)合制備可折疊的導(dǎo)電薄膜材料及柔性電極材料，從而拓寬了納米纖絲化纖維素的用途，提高了纖維素的附加值，也為高值化發(fā)展新型納米纖絲化纖維復(fù)合材料提供了科研思路。
當(dāng)前，對于木質(zhì)纖維素氣凝膠、納米纖絲化纖維素的研究已成為國內(nèi)外研究重點。特別是木質(zhì)纖維素氣凝膠制備中的全組分利用及其層級結(jié)構(gòu)調(diào)控，納米纖絲化纖維素的拆解機制等更備受關(guān)注。如何高值化開發(fā)利用木質(zhì)纖維素，氣凝膠及納米纖絲化纖維素將是未來一段時間研究的重點，而研制和開發(fā)這些新興的生物質(zhì)纖維素基材料對于促進我國生物質(zhì)納米材料發(fā)展及相關(guān)學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新具有深遠(yuǎn)的影響和重要的戰(zhàn)略意義。
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