磁性材料研究背景2.doc

项目的立项依据 随着世界经济迅猛发展，石油、煤矿、天然气等不可再生资源的日趋耗竭和环境污染的日益严重，以纤维素为基础的农林生物质资源开发利用正逐渐成为世界范围内的科学家们研究的热点，已广泛应用于在食品[1]、生物能源[2]、制浆造纸[3]、功能复合材料[4]等诸多领域，许多发达国家已将农林生物质资源的开发与利用作为国家重大战略发展的考虑，在我国也明确将农林生物质综合开发与利用作为国家中长期科学和技术发展规划中的重点发展领域[5]。因此，高效开发与利用农林生物质资源符合当前科技导向和社会经济发展的需要。 以植物纤维为原料制备复合材料或功能性材料是农林生物质综合利用的重要内容之一。近年来，在以植物纤维为原料制备复合材料研究方面国内外科学家进行了很多研究[4,6]，这里就不一一陈述。而过去人们在制备植物纤维复合材料过程中往往绝大多数仅停留在宏观层面上的考虑，而很少从纤维素分子链及纤维素分子链为基体的角度思考复合材料的制备，这对高效和利用植物纤维资源高值化利用产生不利影响。导致目前状况的原因主要有：ⅰ）纤维素分子链特殊的物理化学结构赋予其稳定的化学和物理结构，纤维素具有较高的结晶结构和分子间的氢键作用，使得纤维素分子链的效分离成为重大难题；ⅱ）植物纤维中纤维素分子链的分离成为瓶颈问题，传统的化学溶剂或反应试剂[7]制备高纯度的纤维素分子链较为困难；ⅲ）人们还未深层次认识到以纤维素分子链为基体制备复合材料的潜在价值。因此，高效利用纤维素分子链制备复合材料具有探索意义和研究价值。 纤维素是一种主要由两个葡萄糖分子单元以苷键（C-O-C）在C1、C4上连接起来的线形纤维二糖聚合物。纤维素分子链的尺寸主要由聚合度(DP)所决定，实验室合成的纤维素聚合度(DP)在20～10000之间，而细菌纤维素会更高[]。每一个葡萄糖单元彼此以180°旋转重复排列。木质纤维素一般含有104个葡萄糖单元，β-（1-4）连接键由分子链内在C3上-OH与相邻的O原子的氢键，以及C2上羟基与C6上的羟甲基的氢键所稳定[10]，如图1所示。在自然状态下，约有40-70个纤维素分子链通过氢键连接，且纤维素分子链C6上的羟甲基和毗邻纤维素分子链上C3上的羟基形成的氢键结合主要构成微纤丝[11]。而这些微纤丝非常坚固，其具有220 GPa平行弹性模量和15 GPa 垂直弹性模量[12]。因此，利用纤维素分子链为基体制备复合材料，打破纤维素分子链之间的氢键结合力等就成为亟待解决的难题。 图1 纤维素分子链内部及纤维素分子链之间氢键连接示意图[8] 近年来，随着高效绿色溶剂（如低温NaOH/Urea溶液[13]）或离子液体[14,38-39]的成功开发，为纤维素分子链的分离及纤维素的溶解提供解决手段，使得利用纤维素分子链来制备复合材料成为可能。离子液体为有机阳离子和无机或有机阴离子的组合体，因其良溶性、稳定性、可结构设计性等优点，已广泛应用于纤维素研究。在应用于溶解纤维素的具有代表性离子液体的阳离子主要有1,3-二烷基取代的咪唑离子、N-烷基取代的吡啶离子、季铵离子等，阴离子则一般为Cl-、Br-、I-、[BF4]-等等[15]。在离子液体/纤维素互相作用研究方面国内外研究人员已做了很多工作，一般认为纤维素溶解过程[14-17]是由离子液体中的阴离子进攻纤维素分子链上氢键中-O原子，而离子液体中的阳离子则进攻氢键中-H，导致纤维素分子链间原有的氢键结合破坏，从而导致纤维素分子链的分离和纤维素的溶解，如图2反应了离子液体（[Bmin]+Cl-）进攻纤维素分子链氢键的示意图。 图2 离子液体（[Bmin]+Cl-）进攻纤维素分子链氢键的示意图[40] 在此基础上，部分研究人员则利用离子液体稳定的环境下对溶解的纤维素进行改性[18]，取得了较好的成果。如Schlufter[19]在（[C4min]+Cl-）离子液体中采用乙酸酐和异氰酸苯酯溴代琥珀酰亚胺琥珀酰酐蔗渣Kadokawa[24]将溶解于([Bmin]+ Cl -)离子液体中的纤维素通过保持7天的成形时间后制备纤维素膜材料；Wu[25] 利用在室温离子液体([Amin]+ Cl -)和(IL)中采用纤维素和大豆分离蛋白（SPI）制备复合薄膜材料。Tsioptsias[26] 利用先以([Amin]+ Cl -)溶解制备纤维素薄膜材料，随后在超临界CO2技术制备微米及纳米级多孔复合材料。Wu[27]则利用纤维素、淀粉和木质素为原料在([Amin]+Cl-)中共混作用下制备绿色复合膜材料。Sun[28]将纤维素溶解于（[C2min+]Cl-）中后将磁性Fe3O4颗粒与纤维素溶液共混后沉淀制备磁性纤维材料。Kadokawa[29] 通过在([Bmin]+ Cl -)离子液体中制备纤维素/淀粉复合材料，取得了较好的效果