基于纤维素纳米晶须和聚丙烯腈电纺纤维的纳米多孔网络结构的构筑与应用

High yielding preparation of cellulose nanowhiskers and its functional application is one of the most difficult and hot research topics at home and broad at present. Combined selective oxidation by TEMPO/NaBr/NaClO aqueous system and the mechanical ultrasoniation, cellulose nanowhiskers were extracted from jute. Here we open up its application in the field of water purification materials to make full use of its surface functional groups. At present, the polyacrylonitrile ultrafiltration flat membrane showed disadvantages such as poor filtering properties and low water flux. During our previous research results, the Polyacrylonitrile nanofiber/cellulose nanowhiskers composite membrane can be effectively intercepted of silica particles with diameters of 7-40 nm. The preparation of nanoporous network structure fiber composite membrane was successful, where cellulose nanowhiskers were as nano network, polyacrylonitrile electrospun membrane was as ultra-micron skeleton materials. It is of great importance to study the key technical difficulties, to explore a new micro-nano network structure for filtering mechanism and establish related model, for investigating the micro-nano network structure influence on the filtration performance, which would provide ideas and lay the theoretical foundations for preparation a novel type of micro-nano network structure polyacrylonitrile filtration materials.

纤维素纳米晶须的高效高产制备及其功能化应用是目前国内外研究的难题和热点之一，本课题将采用TEMPO/NaBr/NaClO反应体系进行催化氧化，结合超声匀质分散的方法制备以黄麻为原料的纤维素纳米晶须，充分利用其表面功能基团，开拓其在水过滤材料方面的应用。针对目前聚丙烯腈超滤平滑膜的过滤效果不佳、水通量低等问题，结合目前聚丙烯腈纳米纤维复合纤维素纳米晶须后可对7-40纳米亲水性二氧化硅粒子进行有效拦截的前期研究成果，提出制备纤维素纳米晶须为纳米网络，聚丙烯腈电纺纤维膜为超微米骨架材料的复合纳米纤维过滤膜。研究关键的技术难点与问题，探索新型微-纳米网络结构用于过滤的机理并建立相关模型，对阐明微-纳米网络结构化对过滤性能的影响规律有重要意义，为新型微-纳米网络结构聚丙烯腈过滤材料的制备提供思路并奠定理论基础。

纳米网络结构材料是一类具有三维相连通的层次化纳米网络孔道结构的新颖多孔材料，它具有比表面积大、透气性好、压阻小、尺寸稳定性等特点，由于各层次纳米孔道之间的相互协同效应，使其在吸附、分离、催化和能源等领域均有着巨大的潜在应用前景。网络单元是设计纳米网络结构材料的核心要素，因为它决定材料的孔结构、物理结构和骨架化学性质，进而决定材料的性能及用途。本项目研究中采用2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物（TEMPO）选择性氧化反应体系进行催化氧化反应，结合超声匀质分散的方法制备以黄麻为原料的纤维素纳米晶须，制备纤维素纳米晶须为纳米网络、聚丙烯腈静电纺纳米纤维膜为超微米骨架材料的复合纳米多孔网络结构纤维过滤膜。研究发现，PAN电纺纳米纤维膜的纤维直径随着纺丝液体浓度增大而增大，黄麻纤维素纳米晶须均匀分布于PAN纳米纤维膜的表层；拉伸测试结果表明黄麻纤维素纳米晶须的加入可以提高PAN纳米纤维膜的机械性能（可将其断裂强度从3 MPa提升到10 MPa），而过滤测试表明黄麻纤维素纳米晶须/PAN纳米纤维复合膜的过滤性能提高，该复合过滤膜可实现对7-40 nm亲水二氧化硅纳米颗粒的有效拦截。黄麻纤维作为一种纤维素含量较高的天然纤维素纤维，具有产量大、价格低、力学性能优良等优势，同时还具有吸湿性好、抗菌性优良等优点，在一些亚洲国家的社会经济发展中扮演着相当重要的角色。前人已经对黄麻纤维的化学法精细化研究、黄麻纤维的改性及其增强可降解热塑性塑料复合材料进行了相关探讨。另外，黄麻纤维的高纤维素含量（45-71.5%）、高结晶度（尤其是比其它非木纤维高）使得其特别适合于作为制备纤维素纳米晶须的原材料，这也将会成为提高苎麻产品附加值的一个全新的方向。因此，基于黄麻纤维开发纤维纳米晶须及其宏观组装与应用研究具有巨大的经济和现实意义。