第41卷,第6期 工程塑料应用 Vo1.41,NO.6 . 2013年6月 ENGINEERING PLASTICS APPLICATION Jun.2O13 11/ doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2013.06.025 提高纳 米纤维素分散性能的研究进展 杜庆栋 ,孙洁 ,吕海宁 (1.临沂大学生命科学学院,山东临沂276000;2.东华大学化学化工与生物工程学院,上海201620; 3.嘉兴学院材料与纺织工程学院,浙江嘉兴314001) 摘要:综述了近年来为提高纳米纤维素在水溶液中的再分散性能和在有机溶剂中分散性能而进行物理和化学两 方面改性的研究进展。分析了物理改性和化学改性的优缺点,展望了纳米纤维素改性研究的应用前景。 关键词:纳米纤维素;改性;分散性;相容性 中图分类号:TQ351 文献标识码:A 文章编号:1001-3539(2013)06.0117—04 Research Progress on Improving Dispersion of Nano—Cellulose Particles Du Qingdong ,Sun Jie ,Lyu Haining (1.College ofLife Science,Linyi University,Linyi 276000,China;2.College ofChemistry,Chemical Engineering and Biotechnology,Donghua University,Shanghai 201620,China;3.College ofMaterial andTextileEngineering,JiaxingUniversiyt,Jiaxing 314001,China) Abstract:Recent investigations on modification of nano—cellulose particles to improve the redispersion in water solution and dispersion in organic solvents were reviewed involving the use of adsorbing surfactants and chemical modification method. Advantage and disadvantage of different modiifcation methods were analyzed.The developing ̄ends of nano-cellulose particles and applications were introduced and forecasted. Keywords:nano-cellulose;modiifcation;dispersion;compatibility 纳米纤维素(CNC)因具备纳米尺寸、高比表面积、低密 能均匀分散且两者界面相容性增加。山梨酸单硬酸酯类阴 度、优异的力学强度、形态独特、来源广泛、天然可再生及可 离子表面活性剂 叫可提高CNC在聚苯乙烯(Ps)中的分散 生物降解等独特特性已引起人们广泛的研究_1],尤其是在复 性能和相容性能,经电纺制备的Ps/CNC纳米复合纤维的 合材料领域方面 ]。除二甲基酰胺、二甲基亚砜溶剂和部分 力学性能提高 】。经盐酸酸解得到的细菌纳米纤维素(BCN) 水溶性或水分散性聚合物聚氧乙烯、聚乙烯醇外,CNC难以 表面吸附羧甲基纤维素钠(CMC)的BCN水溶液,在氢键 分散在多数有机溶剂及聚合物中。由于分子间氢键作用强 作用和范德华力作用下稳定分散,当CMC/BcN浓度比在 极易发生团聚现象,尤其在干燥过程中氢键闭锁会发生不可 0.05以上时,随着CMC的用量增加分散性能提高更多[1010 逆转的纤维角质化现象使得CNC干燥后团聚,很难通过物 D.0.Bondeson【 】对阴离子表面活性剂提高CNC在PLA中的 理方法来实现再分散。这些都极大地制约其研究和广泛应 分散性能作用进行了研究。结果表明,增加阴离子表面活性 用。 剂浓度能相应提高CNC在PLA中的分散性能,但是浓度过 目前针对改善CNC的分散性能及增强与聚合物基材 高则引起PLA的降解。性能测试表明,表面活性剂的质量 的相容性而提高应用性能的研究及改性方法众多p ,主要 分数为5%时,PLA/CNC的力学性能最优异,且随着用量 途径有利用表面活性剂、增容剂、构建连续相等物理方法以 的增加CNC在PLA中的分散性能增加,相应的复合物拉伸 及化学改性方法。笔者综述了近年来在改善CNC颗粒分 强度和断裂伸长率也提高。Zhou Qi等 采用了基于吸附 散性、溶液稳定性及提高与聚合物间相容性等方面的研究进 糖类基两亲性嵌段共聚物对CNC表面改性的新型简便方 展。 法。通过模拟木质素糖类共聚物,在CNC表面吸附木糖葡 1物理改性 聚糖低聚物一聚乙二醇一聚苯乙烯(XGO-PEG-PS)三嵌段 1.1表面活性剂 共聚物。结果显示,在非极性溶剂甲苯中CNC获得优异的 表面活性剂稳定CNC的机理主要是静电稳定机制和 分散性。 空间位阻机制。含有烷基或苯基的疏水性端基磷酸单酯 联系人:杜庆栋,硕士,主要从事食品营养及基础化学教学研究 或双酯类非离子表面活性剂如Beycostat AB09[6-7j。能实现 工作 CNC干燥后再分散于有机溶剂中,与聚乳酸(PLA)复合时 收稿日期:2013—03.12 118 工程塑料应用 2013年,第41卷,第6期 1.2其它 D.Bondeson等 将CNC分散在聚乙烯醇fPVA)中得 到PVA-CNC均匀分散混合物,混合物因PVA与PLA基质 的相容性良好从而进一步形成连续相,实现了CNC在PLA 中均匀分散。L.Pranger等 报道了一种既不需要溶剂也不 需要表面活性剂直接制备聚糠醇/cNc纳米复合物的方法。 此外,聚乙二醇(PEG)可作为CNC和PLA之间的增容剂㈣, 基于PLA-PEG-CNC之间的分子间氢键作用力从而提高亲 水性CNC和疏水性PLA之间的界面作用力。在CNC水溶 液中加入异丁醇可防止冷冻干燥时发生团聚 ],比直接冷冻 干燥所得的CNC更疏松,这种疏松结构有利于CNC进行再 分散。 物理改性具有方法简单易操作、在极性更低的溶剂中 形成稳定分散溶液、能增进与聚合物基体之间的粘附性以及 不会改变CNC化学结构及形貌结构等优点,但是CNC表面 羟基和表面活性剂之间缺乏共价键作用,表面活性只是吸附 在CNC表面上,因此在复合物应用方面效果并不理想,而且 用量通常为CNC的4~6倍,成本高,过多表面活性剂的存 在也会对复合物性能产生不良影响,如会引起聚合物基质的 降解 “】。 2化学改性 纤维素的每个葡萄糖单元中都存在3个反应活性羟 基——c2仲羟基、c3仲羟基和C6伯羟基,纤维素化学改性 主要依靠与活性羟基的反应来实现,主要包括氧化、酰化、醚 化、接枝共聚、硅烷化反应等(见图1),反应过程称为纤维素 衍生化。 图1 NCN化学改性途径 2.1氧化反应 (1)TEMPO氧化体系——选择性氧化反应。 Y.Habibi等 对经盐酸酸解被囊类动物纤维素得到的 CNC进行TEMPO氧化。结果表明,结晶或天然结晶度没有 受到破坏,羧基化CNC分散在水中未出现絮凝或沉淀现象。 s.Montanari等 也观察到相同的实验结果,有关研究进一 步指出若氧化过度则会导致结晶尺寸下降[18]0 TEMPO氧 化体系对纤维素C6伯羟基进行选择性氧化,反应条件缓和 不发生键的断裂和环的破坏,过程简单,CNC还能进一步改 性。但是可能会造成CNC结晶尺寸的降低,而反应中生成 的自由基也会对纤维素产生降解作用。 (2)过硫酸铵氧化体系——制备改性一步法。 采用过硫酸盐对多种来源纤维素进行处理反应制备出 羧酸化CNC,可实现同时制备和改性羧酸化CNC的一步法 工艺,过硫酸铵在反应中既作降解试剂又作改性试剂” ,该 方法存在反应时间长且氧化度低的缺点。 2.2酰化反应 K.Y.Lee等 。司在CNC表面进行一系列有机酸f乙 酸、己酸和月桂酸)的酯化反应改变了自身亲水性,改性后 CNC的疏水性能和有机酸碳链链长有关,随着链长增加疏 水性增加,但链长增加会导致热降解性能降低(这是因为纤 维素间氢键作用降低会导致纤维素之间有效紧密度降低, 使纤维素分子间变得松散)。此外,随着链长增加取代度降 低。乙酸酯化反应的活性高,因此乙酸酯化改性后结晶改变 最大,己酸和月桂酸改性后结晶度变化不大。改性后CNC 能均匀分散于左旋PLA(PLLA)中,与PLLA的界面结合 力增加。采用烯基琥珀酸酐改性的CNC溶解于甲苯中时显 现良好的分散性能[23]o以烯基乙酰琥珀酸酐/水乳液作为 模板,CNC分散液与模板乳液进行简单混合冷冻干燥后加 热到105℃所得到纤维素衍生物即为酰化CNC,这种方法的 试剂耗用量低且易于操作,酰化后CNC具有较高疏水性,易 溶于各种有机溶剂中,如不仅可以分散于 ̄--46.45的DMSO 中,还可以分散于e=2.21的1,4.二氧六环中[24]o用乙酸酐 酰化CNC后可实现对天然橡胶和PLA的增强作用,结果表 明,在不改变CNC结晶度的情况下,可以降低CNC极性、 增强其与聚合物基体之间的作用力,在基体中分散均匀与相 容性良好,进一步提高聚合物基体的力学性能及热性能【2 。 在温和条件下N.S.Cetin[2 等在温和条件下采用乙酸乙烯酯 进行酯交换反应实现CNC酰化改性。在酯交换反应初级阶 段,改性只发生在CNC表面且其尺寸和结晶度均保持不变, 随反应时间延长,扩散机理控制反应速率,酰化程度增加、尺 寸减小、结晶度降低,酰化度增加使其在THF中的分散稳定 性也相应增加。对CNC进行酰化反应能提高在有机溶剂中 杜庆栋,等:提高纳米纤维素分散性能的研究进展 ll 9 的分散稳定性并改善其与合成聚合物之间的相容性,但是反 应必须控制合适的酰化度,若酰化过度会发生结晶下降、晶 体结构破坏、甚至降低CNC自身性能(热性能),必然不利于 复合时提高聚合物基体材料的性能。 2.3醚化反应 醚化是指用脱水剂或烷化剂使醇或酚类成为含醚键化 合物的反应。目前研究发现CNC醚化改性后经干燥均可再 分散于适当有机溶剂中,颗粒粒径无明显变化,但CNC本 身的结晶度和热性能都呈现不同程度的下降,可分散的有机 溶剂种类范围比较小。C.Eyholzer等口 利用氯代乙酸在碱 性条件下对CNC进行部分羧甲基化,根据羧甲基化和机械 处理的先后顺序有两种实验途径,即机械处理后羧甲基化或 羧甲基化后机械处理。结果表明,羧甲基化避免了干燥过程 发生的纤维角质化现象从而获得在水中再分散性能良好的 CNC,两种方法都出现结晶度降低现象,羧甲基化后机械处 理使得结晶度降低更明显的同时水溶液更稳定且透明度也 更好。 2.4有机硅改性 C.Gousse等 引采用一系列烷基二甲基氯代硅烷r烷基 碳链骨架分别为异丙基、正丁基、正辛基和正十二烷基)来 制备部分硅烷化CNC,取代度在0.6~1之间,改性后CNC 形貌完整且易分散于低极性有机溶剂THF中得到稳定分散 液。研究指出若硅烷化程度过高晶体核内部的纤维链也被 硅烷化改性,将导致晶体裂变而改变相应形貌结构。采用相 同方法对棉源CNC进行部分硅烷化得到可在THF和氯仿 中形成稳定分散溶液的硅烷化CNC(SCNC),且SCNC可 作为加速PLA结晶速度的成核剂使用。将PLA和SCNC 进行复合成膜,CNC在PLA中聚集而SCNC则呈现良好分 散均匀性。由于成核作用和分散均匀性,在PLA中仅添加 质量分数1%的SCNC就能将PLA的拉伸强度和拉伸弹性 模量提高20%多[29]o选用六甲基二硅胺烷对CNC进行三 甲基硅烷化处理[30-311,当取代度为0.49,分子量增加22%[30], 疏水性增加的同时增塑性能降低。表面硅烷化改性有利于 获取分散均匀与稳定的CNC悬浮液,在改性条件温和情况 下能保持形貌结构完整,过分剧烈则CNC溶解破坏纳米结 构,此外,硅烷试剂用量过低则改性不足,若太多又改变内部 结构影响分散性、粒径甚至后续的使用性能等。 2.5聚合物接枝改性 (1)接枝到主链法。 E.Kloser等[3 在碱性条件下将末端环氧基的聚氧化乙 烯(PEO)接枝到纤维素表面,得到PEO.g—CNC,空间位阻效 应取代静电稳定作用可防止团聚和沉淀,形成分散性能良好 的稳定溶液。利用通过在水中碳二亚胺衍生物催化缩氨酸 偶联工艺,J.Araki等p 将末端氨基聚乙二醇fPEG-NH)在 TEMPO自由基氧化的CNC表面进行接枝,大大提高分散稳 定性,改性产物既能在水中分散也能在氯仿中稳定分散。以 甲苯二异氰酸酯为偶联剂将短链聚己内酯(PCL)接枝在纳 米纤维表面可提高其疏水性以增强与PCL的相容性 。利 用异氰酸盐偶联剂将不同分子量的PCL接枝在CNC的表 面 ,报道结果称接枝密度足够高以至于接枝PCL能够在 CNC的表面进行结晶。Cao Xiaodong等【] 也做了相同的 研究,通过一步法用异氰酸盐催化在CNC.g.PCL表面接枝 预合成水性聚氨酯。在CNC基纳米复合物的制备过程中, 这种表面结晶激发了聚合物基体自身的自由链的共结晶化 行为,这种共结晶化现象是由填充物和基体之间的共连续化 相的形成而引发,一方面显著提高界面粘合力,另一方面极 高地增强了纳米复合物的力学强度。 (2)从主链接枝法。 s.Harrisson等 在经TEMPO羧酸化后的CNC表面 上,利用原子转移自由基引发均相反应聚合接枝了低聚合 度的含末端氨基Ps和含末端氨基聚丙烯酸叔丁酯,接枝率 为60%~64%,均能在有机溶剂中稳定分散。在微波辐射条 件下对CNC进行开环聚合反应得到CNC—g.PCL口 ” ,CNC —g-PCL和PLA两者之间的作用力加强且复合物力学性能提 高。将苯胺单体在CNC表面发生原位聚合得到改性的聚苯 胺接枝纳米纤维素(CNC.g.PANI),可提高与聚氨酯(PUR) 复合时的相容性,并且能根据复合物中CNC浓度来调节 PUR的形状记忆功能变化【4 。 虽然接枝共聚改性法能根据需要接枝上不同种类的侧 链从而扩大与聚合物复合的范围,但CNC本身难溶于有机 溶剂导致其很难与溶剂形成均相反应体系。而采用非均相 反应体系进行聚合接枝方法简单易行,但接枝位点不固定, 接枝率普遍较低(小于10%),侧链聚合可控性差,分子量分 布宽。 2.6阳离子化 对CNC进行改性选择的阳离子化试剂主要是环氧丙 基型季铵盐和卤代烷基型季铵盐,这些季铵盐类化合物含有 阳离子性较强的阳离子基团且至少含有一个能与纤维素羟 基反应的活性基团,如2,3一环氧丙基三甲基氯化铵就可被 接枝到CNs表面【4”,首次实现CNC的阳离子化改性,其在 水中分散性能良好[42]o环氧丙基型季铵盐试剂具有成本较 低且易溶于水等优点,因此方便对水分散性的CNC进行均 相改性,不需要进行溶剂交换等复杂且不环保的处理过程, 改性也可赋予与其复合的材料其它功能如抗菌性。但阳离 子化试剂与CNC直接反应性低导致反应时间长、用量大、利 用效率低等缺点。 l20 2.7酰胺化 工程塑料应用 2013年,第41卷,第6期 [1 3]Bondeson D,et a1.Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,2007,38(12):2 486—2 492. [14] PrangerL,et a1.Macromolecules,2008,41(22):8682-8687. [15】 Qu Ping,et a1.BioResources,2010,5(3):1 8ll一1 823. [16] HabibiY,et a1.Cellulose,2006,13(6):679-687. K.G.Nair等 采用异氰酸苯酯对几丁质CNC进行酰 胺化改性,苯酰胺化CNC在甲苯溶液中能分散均匀,将天然 橡胶溶解到甲苯溶液中与苯酰胺化CNC进行复合,扫描电 子显微镜观察到苯酰胺化CNC一天然橡胶复合物中两者的 界面相容性能显著提高。G.Siqueira等f4 通过在甲苯中的 [17】 Montanari S,et a1.Macromolecules,2005,38(5):l 665~1 67 1. [18】 FollainN,et a1.Polymer,2010,51(23):5 332—5 344. [19] LeungACW,et a1.Small,201l,7(3):302—305. Y,Quero F,Blaker J J,et a1.Cellulose,2011,l8(3):595— [20] Lee K 605. 本体聚合反应将CNC和 ̄_十八烷基异氰酸酯进行交联,以 提高其在有机介质中的分散性和与聚己酸内酯的相容性,可 显著提高所得纳米聚合物的硬度和柔性,其后又进一步对改 性方法进行优化——使用原位溶剂交换法进行接枝,不但能 提高分散性能也使改性过程更环保、反应效率更高 】。 3结语 [21] Lee K Y,et a1.Composites Science and Technology,2009,69(1 5- 16):2 724—2 733. [22] Lee KY,et a1.Cellulose,2012,19(3):891-900. [23] Nair K G,et a1.Biomacromolecules,2003,4(6):1 835一l 842. 纤维素在大多数有机溶剂中的溶解性极差使得化学改 性均相反应体系的溶剂体系复杂且昂贵,因此开发绿色的溶 剂体系来溶解纤维素提高羟基的可及性并赋予CNC功能 化,是今后研究的重点方向。将物理、生物和化学方法相结 合一步法分离并制备具有优异性能的改性CNC,也是纤维 素科学的前沿领域和热点。采用“绿色化学”原则优化原料、 [24] YuanHuihong,eta1.Biomacromolecules,2006,7(3):696-700. [25】 LinNing,et a1.Carbohydrate Polymers,201l,83(4):1 834_l 842. in N S,et a1.Macromolecular Bioscience,2009,9(10):997— 【26] Cet1 003. zer C,et a1.Cellulose,2010,l7(1):19—30. [27] Eyhol[28】 Gousse C,eta1.Polymer,2002,43(9):2645—2651. Aihua,et a1.Composites Science and Technology,20 1 0, [29] Pei改进工艺流程进一步实现低耗能、绿色高效分离制备纤维素 纳米级晶须,拓宽CNC晶须在新技术、新材料和新能源中的 应用等将是新的研究方向。 70(5):815-821. M,et a1.Journal of Polymers and the Environment,2002, [30] Gnmert10(1-2):27——30. 参考文献 Klemm D,et a1.Angewandte Chemie-International Edition,2011, er S,et a1.Journal of Polymer Science Part a-Polymer [31] KoehlChemistry,2008,46(12):4070-4080. 32] Kloser E,et a1.Langmuir,2010,26(16):13 45O—l3 456. 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