纖維素納米晶體及其復(fù)合物的制備與應(yīng)用研究.pdf

1、纖維素納米晶體（Cellulose nanocrystals，CNs）是一種新型的生物質(zhì)基納米材料，因具有高純度、高結(jié)晶度、高楊氏模量、高強(qiáng)度等特性，加之具有生物材料的輕質(zhì)、可降解、生物相容及可再生等特性，適于作為高性能復(fù)合材料的填充物。纖維素納米晶體通過(guò)對(duì)其表面進(jìn)行化學(xué)功能化改性，以及與無(wú)機(jī)功能化納米材料復(fù)合，被賦予了更多的性能，也使其在眾多領(lǐng)域中顯現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。
　　論文研究了纖維素納米晶體的制備及其功能化改性，并以制得

2、的纖維素納米晶體為模板，分別制備了納米Ag、Ag-Pd合金和Fe2O3與纖維素納米晶體的復(fù)合物，對(duì)復(fù)合物作為高分子材料的多功能填料、DNA電化學(xué)生物傳感器標(biāo)記物及水處理吸附材料進(jìn)行了詳細(xì)研究。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：采用堿溶脹法對(duì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)TEMPO/NaClO/NaBr氧化制備了纖維素納米晶體；以纖維素納米晶體為模板，制備纖維素納米晶體與Ag-Pd合金和Fe2O3的復(fù)合物，并將復(fù)合物分別應(yīng)用于DNA電化學(xué)生物傳感器標(biāo)記物及水處理吸

3、附材料。
　　采用硫酸催化水解法，以微晶纖維素（microcrystalline cellulose，MCC）為原料，制備尺寸范圍在長(zhǎng)100～200 nm，寬10～20 nm的纖維素納米晶體粒子，纖維素納米晶體的晶型與原料MCC一致。并用TEMPO/NaClO/NaBr氧化體系對(duì)制備的纖維素納米晶體進(jìn)行表面羧基化改性，羧基化改性纖維素納米晶體的晶型同樣未發(fā)生變化。另外，在非酸體系中，以TEMPO/NaClO/NaBr氧化體系對(duì)堿預(yù)

4、先溶脹的MCC進(jìn)行氧化處理，制備了同樣形貌及尺寸范圍的纖維素納米晶體粒子。
　　以羧基化改性纖維素納米晶體（carboxylated cellulose nanocrystals，CCNs）為載體，通過(guò)液相化學(xué)法制備了 CCNs與 Ag納米粒子（Ag nanoparticles，AgNPs）的復(fù)合物（CCNs/AgNPs），并分別與水性聚氨酯（WPU）和聚乙烯醇（PVA）復(fù)合制備功能化高分子復(fù)合物。分析結(jié)果顯示W(wǎng)PU/CCNs復(fù)合

5、物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱穩(wěn)定性隨著CCNs添加量的增加而升高，CCNs的添加使得WPU復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，復(fù)合物的斷裂伸長(zhǎng)率降低。與WPU/CCNs復(fù)合物不同的是，CCNs的添加使PVA復(fù)合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低，熱穩(wěn)定性能增強(qiáng)，拉伸強(qiáng)度明顯提高。此外，AgNPs的添加使WPU復(fù)合物和PVA復(fù)合物對(duì)大腸桿菌和金黃葡萄球菌表現(xiàn)出良好的抗菌性能。
　　利用纖維素納米晶體表面的羧基，在乙基-3-（3-二甲基氨基丙基）碳

6、二亞胺（EDC）和N-羥基琥珀酰亞胺（NHS）作用下與探針DNA（probe DNA）分子上的-NH2反應(yīng)生成酰胺鍵（-CONH-），使探針 DNA與 CCNs/AgNPs復(fù)合物連接，制備成具有電化學(xué)活性的CCNs/AgNPs-probe DNA探針。CCNs/AgNPs-probe DNA探針與目標(biāo)PAT基因和非互補(bǔ)DNA的電化學(xué)檢測(cè)結(jié)果表明，以CCNs/AgNPs作為DNA標(biāo)記物的電化學(xué)生物傳感器對(duì)PAT基因片段的檢測(cè)具有很好的選擇

7、性，Ag的電化學(xué)信號(hào)與PAT基因片段濃度在1.0×10-10 mol/L到1.0×10-7 mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，檢測(cè)限為2.3×10-11 mol/L。結(jié)果表明，纖維素納米晶體可用于DNA生物分子固定；CCNs/AgNPs作為DNA電化學(xué)生物傳感器中探針DNA的標(biāo)記物，制備的電化學(xué)生物傳感器可用于PAT基因片段的檢測(cè)。
　　使用羧基化改性纖維素納米晶體水分散液作為反應(yīng)體系，以硼氫化鈉為還原劑，采用共還原沉淀法制備了A

8、g-Pd合金納米粒子。合金粒子的平均粒徑小于AgNPs和鈀納米粒子（Pd nanoparticles，PdNPs）的平均粒徑，且隨著Ag含量的增加，合金粒子的平均粒徑減小。CCNs/Ag-Pd復(fù)合物作為標(biāo)記物與探針DNA結(jié)合，經(jīng)探針DNA與目標(biāo)DNA發(fā)生雜交反應(yīng)后，可同時(shí)產(chǎn)生Ag和Pd的電化學(xué)信號(hào)，表明CCNs/Ag-Pd復(fù)合物可作為標(biāo)記物用于DNA電化學(xué)生物傳感器。
　　采用水熱法，以纖維素納米晶體為穩(wěn)定劑制備了不同形貌的氧化鐵

9、納米粒子。通過(guò)TEM、XRD、FT-IR對(duì)纖維素納米晶體與氧化鐵納米粒子（CNs/Fe2O3）復(fù)合物的形態(tài)進(jìn)行了表征。將制備的CNs/Fe2O3復(fù)合材料作為吸附材料用于水處理，同時(shí)還考察了試劑Fe2O3、MCC和纖維素納米晶體的在水體系中的吸附性能。選取金屬陽(yáng)離子 Cd2+、Pb2+和Ni2+，陰離子Cr2O72-、AsO43-和PO43-作為吸附性能研究對(duì)象。結(jié)果表明，四種吸附材料對(duì)幾種離子均有一定的吸附性能。相比于單一的吸附材料，由