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多糖高分子功能材料的构筑

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【摘要】

随着各国对环境保护问题的日益重视,新型环保可再生资源的开发与使用备受关注。文章对纤维素和甲壳素两种可持续发展的可再生的多糖高分子物质的来源、结构和改性方面等作出介绍,并对其发展前景作了展望。

【关键词】

可再生资源;多糖高分子;纤维素;甲壳素

1前言

随着人们生活水平的提高和人口的不断增长,化工原料和能源的需求量也与日俱增,然而面对石油价格上涨、能源紧缺与环境保护间等多重问题,化学化工也将向生物化工方向进行战略转移。纤维素和甲壳素等可再生生物资源的开发和应用越来越来受到关注,其产品也被广泛应用于纺织、服装、医药、环保等各个领域,所以对它们结构性质、溶解机理、溶解体系和改性的研究至关重要。

2纤维素和甲壳素的来源、结构与性质

2.1纤维素和甲壳素的来源1839年,纤维素首次由AnselmePayen将木材通过硝酸、氢氧化钠溶液交替处理、分离得到。它作为植物细胞壁的主要成分,同时也作为自然界中分布最广、含量最多的一种多糖而存在。主要来源于植物细胞壁、棉花纤维素、半纤维素和木质素等方面。1811年,法国自然科学史教授H.Braconnt从温热稀碱处理的蘑菇中得到一种纤维状白色残渣,并将其称为Fungine。1823年,又一法国科学家A.Odier从甲壳类昆虫翅鞘中分离出同样的物质,他认为此物质是一种新型的纤维素,便命名为Chitin。

2.2纤维素和甲壳素的结构与性质纤维素是D-葡萄糖通过1,4-β糖苷键结合形成的一种长链高分子化合物,常温不溶于稀酸、稀碱和水,化学式为(C6H10O5)n,其中C含量为44.44%,H含量为6.17%,O含量近49.39%。其物理结构分为结晶结构、纤丝结构、纤维素的氢键、纤维素光谱结构四种。若以特定条件下不同溶解进行划分,则又可分为α-,β-,γ-三种类型的纤维素。纤维素分子结构中存在着三个较为活泼“-OH”能与分子间的氢键作用,增加了其线性完整性、提高刚性,易于形成结晶区。甲壳素又名甲壳质、几丁质,简称β-1,4-聚-葡萄糖胺,分子式为(C8H13NO5)n,呈白色或灰色无定形、半透明固体,不溶于水、稀酸、弱碱、一般有机溶剂,可溶于浓盐酸、硫酸、磷酸和无水甲酸。其结构可分为晶体与非晶体两种,晶体中又细分为α-晶型甲壳素,β-晶型甲壳素,γ-晶型甲壳素三种,三种晶型在5%NaOH溶液中均稳定,其中α-晶型在自然界中含量最多,也最为稳定。

3新型纤维素和甲壳素材料

3.1新型纤维素材料新型纤维材料,是以然纤维素为原料,通过一系列化学、纺丝处理,不采用CS2生产的可再生纤维素纤维。从生产工艺看,目前再生纤维素纤维基本可分为两类:一类是以粘胶纤维为代表的传统型生产工艺,另一类是以Lyocell纤维为代表的新型溶剂法生产工艺。

3.2新型甲壳素材料甲壳素相比纤维素来说,只是结构上C2位置官能团的不同,纤维素分子有的是“CH3CONH-”,甲壳素则是一个“OH-”基团。所以两者性能十分相似,再加上甲壳素本身具有的高的结晶度性能,它也可以用于高强度纤维材料与膜材料的制作。

3.3前景展望随着当今社会人们环保意识的不断增强,再之石油等化工原料的紧缺问题的出现,对可再生能源,尤其是自然界中生物质资源的开发和利用逐渐成为人们关注的重点。纤维素和甲壳素作为自然界中广泛存在的多糖物质,经过系列化学物理方法处理后,就能转化成丰富的能源物质。

4纤维素材料疏水改性及表面与界面研究进展

纤维素材料,其具反应活性基团对周围环境极为敏感,热力学作用、化学作用和力学剪切作用都会使得其发生降解,导致强度降低,为了能在复合构成中保护其纤维性能,则需要对其进行一定的改性。其改性方法一般采用化学改性或是物理处理。

4.1化学改性化学改性方法从纤维表面结构上进行处理,从而提高基体树脂与纤维间的粘接性能及复合材料力学性能。它包括改变表面张力法、界面偶合法或表面接枝法等方法。其中,界面偶合法采用介于需要复合的不相容两种材料性质间的偶联剂来使它们达到相容。常用的偶联剂有硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂及铝酸酯类偶联剂等。这给出其中几种作用机理:(1)弱界面层:偶联剂可以消除弱界面层;(2)变形层:偶联剂可以生成有强度又有伸缩性的界面层;(3)抑制层:偶联剂的系数介于纤维和高聚物之间,可以形成一个高交联的界面;

4.2物理处理方法相比化学改性方法,物理处理法则是通过改变纤维的结构及表面性能,进而改善了纤维与基结体树脂间的粘合性能的一种方法,不对其化学成分进行改变。物理处理一般采用热处理法、碱处理法、放电技术等,除此之外压延、混纺的方式也是纤维改性的有效方法。其中,碱处理法通过将植物纤维中部分低分子杂质溶解和减小微纤旋转角的方法,将树脂与纤维间的粘合能增强。放电技术则是通过大量激活纤维素表面的醛基,进而改变纤维素的表面能的一种有效的物理处理方法,包括电晕、辐射、低温等离子体等。

参考文献:

[1]徐田军,冯玉红,庞素娟.纤维素的溶解研究进展[J].热带生物学报,2010(02):187~192.

[2]殷延开,陈玉放,戴现波,等.纤维素的溶解及活化过程[J].纤维素科学与技术,2004(02):54~63.

[3]孙国通,刘欣荣,王晋美.甲壳素纤维性能的研究[J].轻纺工业与技术,2014(03).

[4]JeJY,ChoYS,KimSK.CytotoxicActivitiesofWater-SolubleChitosanDerivativeswithDifferentDegreeofDeacetylation[J].BioorgMedChemLett,2006,16(8):2122~2126.

[5]赵艳锋.纤维素的改性技术及进展[J].天津化工,2006,20(2):11~14.

作者:王健 徐志君 单位:广西大学

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