关于竹材改性纤维素在轻工业生产中应用的研究

王凯新

摘 要：本文以自然界中广泛存在的纤维素为研究对象，因其具有的特有性能使纤维素能在功能膜材料、非线性光学材料、高性能结构材料、计算机工业等领域有着巨大作用。本文以绿色环保且可再生的植物竹材为纤维原料，在17%的碱浓度下通过碱处理制得α-纤维素，再通过60%的硫酸酸处理得到竹材纳米纤维素。为了使纳米纤维素性质稳定以及可以高效应用于更多种工业，使用化学方法对其进行改性处理，使竹材纳米纤维素发生接枝聚合反应，纤维素的结构、化学、光学特性都会随之改变，纤维素原本具有的亲水性、可及性、结晶性、和化学活性等特殊性能都会随着纤维素分子上的大量氢键而与溶液中的自由羟基结合而改变。这就决定了纤维素具有可被改造为多种特殊性能的基础。

关键词：纳米纤维素；改性；光学特性；自由羟基

1、 改性纤维素简介

随着中国国力日趋强盛带来的经济跨越式发展，诸如煤和石油等自然资源绝大多数已日益匮乏，与之带来的环境污染问题也逐渐严重，使得人们不断寻求可再生绿色资源的潜在价值。中国是新型轻工业生产大国，造纸产业又是与国民经济、社会事业发展关系密切的重要基础原材料产业，造纸必先制浆，制浆离不开纤维原料。纤维素是一种资源数量尤其丰富的绿色可再生资源，年产量可达上千万吨。纤维素广泛分布木材原料和绝大多数非木材原料中。在这其中，非木材原料中竹材的优点就显得格外突出，与传统造纸原料相比，竹子具有生长周期短、硬度大、产量高、强度高、韧性好等特点，是制浆造纸行业不可多得的理想原料。并且我国竹类资源丰富，竹林占地面积约为550万公顷，约占世界竹林总面积的 25%。这就使得充分开发竹类资源成为当前节约资源和治理环境中的重要任务。

随着制浆造纸行业的持续发展和人们对纸制品的要求日渐苛刻，造纸企业日常生产的一般包装、印刷等纸制品已满足不了各行各业的需求。为了应各行业对纸制品性能的要求，通常需要在纸张的生产过程中向纸料中加入一些物质，使纸张的物理强度，光学性能等得到改善，能满足更高的性能需求及应用。改性纤维素在很大程度可以满足这些企业的需求，就目前研究进展来看，改性纤维素应用于造纸业的技术已经十分成熟，新的制浆造纸工艺流程在过去的数十年研究中得到了全面开展。另外由于改性纤维素产品附加值高，这一度成为国内外的研究热点。因此利用竹材制备改性纤维素，对于提高竹材资源的综合利用效果甚好，所以研究人员将目光投向于改性纤维素的性能研究与新的应用上，尤其是在研究更适合造纸行业的改性纤维素制备技术方面更是进行的如火如荼。

纤维素具有亲水性、可及性、结晶性、和化学活性等特殊性能，这主要是由于纤维素分子上具有的大量氫键。纤维素羟基上的氢原子与另一羟基上的氧原子上相互吸引可以形成氢键，因此纤维素分子之间，纤维素和水分子之间、都可以形成氢键，氢键的作用力小于碳氧单键、碳碳单键的化学键作用力，但如果大量的自由羟基形成氢键时，纤维素的氢键作用力则就十分巨大，因此，这就奠定了纤维素具有多种特殊性能的基础。纤维素是由 D-葡萄糖基通过β-1，4糖苷键连接而成的线性高分子化合物。纤维素结构中的β-1，4 糖苷键对酸敏感，遇酸糖苷键断裂，纤维素长链发生降解反应。理论上纤维素可完全水解为葡萄糖，但在水解过程中可产生纤维三糖和纤维二糖等副产物，抑制水解的进行。这时，溶液中的纤维素羟基可参与酯化、氧化、接枝共聚等官能团反应，可全部参与反应，也可部分参与反应，因此通过控制纤维素羟基上的官能团的种类和位置，可制备出不同的改性纤维素衍生物。常见的改性纤维素制备方法有机械法、化学法、生物法等，与非改性纤维素相比，改性纤维素具有许多优良特性，如高纯度、高强度、高透明性、高亲水性和超精细结构等。利用改性纤维素的独特性能可开发一系列特殊工业产品，如造纸行业中的定量透析纸、特殊透明纸等。

2、改性纤维素在工业中的应用

我国四川省是竹子的生产基地，为竹纤维的制备和发展提供了原材料基础，竹材不仅是制浆造纸的主要原料，也是其他行业的重要原料来源。因此，纤维素在许多行业的应用中发挥着至关重要的作用。改性纤维素在造纸工业中的应用较为广泛，如作助留助滤剂，有研究人员发现在季铵化阳离子淀粉和改性纤维素混合体系中，有利于提高抄纸工段中浆料细小组分的留着率，虽然提高的幅度不是很大，但是可以明显改善纸页滤水速度。

为了开发出新型的纤维材料，人们对改性纤维素的认识也越来越深入。同时，造纸工业以外的诸多轻工业的研究人员也对改性纤维素产生了不小的兴趣，例如：

1）改性纤维素在复合材料中的应用

桂红星等人研究了改性纳米纤维素（NCC）对天然乳胶的增强效果，当 NCC 用量为 4% 时，硫化胶膜的拉伸强度提高了69%，撕裂强度提高了21%。采用纳米纤维素作为工程塑料的增强填充剂，纳米纤维素含量高达70%时，增强产品具有普通工程塑料5倍的高强度，与硅晶相似的低热涨系数，同时保持高的透光率。利用这种特性可开发出柔性显示屏、精密光学器件和汽车或火车车窗等新产品。

2）改性纤维素在化妆品工业中的应用

将改性纤维素应用在化妆品技术中后，使化妆品具有了更好的乳化效果，可扩大宜使用者人群范围，防止皮肤敏感。并且可以提高皮肤选择性吸收物质的利用率，增加化妆品中药品的渗透性，充分发挥化妆品的效果。同时也可以应用在防晒产品中，这种物理的防晒剂的光稳定性好，优于光稳定性差的化学防晒剂。

3）改性纤维素在制药工业中的应用

改性纤维素晶体能牢固地吸附药物及其他配料，所形成片剂不易吸湿，但可迅速崩解，因而被广泛用作赋形剂和崩解剂，制造咀嚼药片、糖衣片和膜衣片等。此外还可用于人造皮肤、动物伤口无创缝合等。

4）改性纤维素在环境治理中的应用

改性纤维素以一定比例加入土壤治理药液中，可以加大对污染土壤中重金属离子的吸附作用，可以作为土壤治理的预处理环节。另外还可以配合硝化微生物对一定范围内的密集污染土地进行快速处理，效果理想。

3、前景与展望

竹材改性纤维素从制备到应用无不反应着科技的进步，但我国当前高质量、高附加值产品的供给能力不足，自2010年以来，我国稳居全球制造业产出第一大国，有100多种消费品产量居全球首位，但我国却是高端消费品进口大国 ，“弱品质”成为我国高端购买力严重外流的主要因素。另外我国造纸工业领域的品牌与世界级品牌仍有较大差距，这是由于新技术对传统产业的渗透融合不深入，工业企业技术人员创新能力不足，缺乏大胆的探索精神，再加上智能制造理念没有落地生根导致智能化设备利用率不高、效果不明显。

针对这些存在的问题，造纸行业内首先是要坚持与时俱进，开拓创新的发展理念，支持提升生产技术、工艺装备、能效环保等水平。其次是要鼓励科研人员对于未知新纸种的探索，提升纸种的品质与多样性，加快培育自主品牌和前沿产品。最后还应该把握时代发展新机遇，利用全球森林资源的分布以此合理布局产业，使得造纸企业可以形成可持续发展的格局。

参考文献：

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