高发光性能、高热稳定性纤维素基/稀土共掺杂纳米材料反应机理及构效关系的研究

The rare-earth metal, a valuable strategic resource, has been applying for many areas widely, such as high-tech and military fields and so on. Now, the most well-known advantages of cellulose are renewable, biodegradable, biocompatible and to be derivatized. In this project, firstly, cellulose derivative/rare-earth metal nanoparticles will be prepared, the influences of the reactants, such as different cellulose derivatives, the different structural levels of cellulose derivatives, different rare-earth metals and different codoped rare-earth metals, on the sizes and distributions of these nanoparticles, structures and performances will be investigated. Secondly, the functional properties of these nanoparticles will be explored carefully and reaction conditions will be optimized. The last, that is, the key point is that the reaction mechanisms of nanoparticles will be investigated and inferred detailedly so that the nanopartical sizes and distributions will be controlled during the syntheses. Furthermore, the relationship between particle sizes and distributions of nanoparticles and the performances will be revealed and explained. .This project, the synthesis of cellulosic namoparticles with special properties by reaction with cellulose derivatives and rare-earth metal, not only abide by the principles of green chemistry and green chemical processes, and more importantly, is carried out in order to reduce the use of petroleum products. The study would richen theory and application of biomacromolecules.

稀土金属是宝贵的战略资源，广泛应用于尖端科技领域和军工领域。而纤维素最大的优势在于它是可再生，可生物降解，生物相容和可衍生化。本项目首先制备纤维素衍生物/稀土复合纳米粒子，考察纤维素衍生物的种类及不同结构特点对纳米粒子粒径及其分布、结构和性能的影响，不同稀土及其混合物对纳米粒子粒径及其分布、结构和性能的影响，探索最优化的反应条件，以及详细考察复合纳米粒子的特殊的功能性质。研究的关键点在于通过阐明其反应机理，达到复合纳米粒子的粒径可控，并探索复合纳米粒子的粒径及其分布与其性质间的关系，解释反应物与产物间的构-效关系。. 本项目将纤维素衍生物与稀土结合制备具有特殊功能的纳米材料不仅符合"绿色"化学和"绿色"化学工艺，更重要的是为减少以石油制品为原料合成产品的使用以及其它天然高分子研究提供理论依据。

本项目考察了纤维素衍生物的种类（羧甲基纤维素CMC和羟丙基羧甲基纤维素HPCMC）及不同稀土离子（Eu3+和Tb3+）对所制备的纳米粒子粒径及其分布以及对荧光性能的影响；不同加热方式对产物荧光性能的影响，得到了不同种类纳米粒子的优化的反应条件。.通过SEM-EDS、TEM观察得到：在CMC或HPCMC基质上均匀发布球形实心粒子，其直径均在100nm以内；EDS结果表明：这些颗粒均含有Eu（III）和/或Tb（III），即本项目合成了具有纳米尺寸的复合粒子；TEM衍射图表明：所合成的产物具有微小晶区的特征；通过XRD结果表明产物较配体的结晶性降低，而结晶缺陷也导致荧光性能的降低。 .通过XPS、FTIR、Uv-Vis等研究了纳米复合产物的键合。结果表明：CMC和HPCMC中的羟基氧及醚键氧与Eu3+发生配位，但羧基以离子键的形式与稀土金属结合。而这些配位键是CMC能有效地将能量传递给稀土粒子（即天线效应）的根源。.通过研究CMC或HPCMC的UV-Vis和产物的激发谱图。可以看到有明显的交叠区域，表明配体与金属间有能量传递，即天线效应。这也是该项目的特色之一，即不需要添加小分子配体或其他还原剂，通过简单的过程就能制备具有较高荧光性能的纳米复合物。.产物的发射谱表明产物的发射峰均为稀土离子的特征发射峰。而且在双稀土离子复合物中，可以通过调节Tb3+和Eu3+的比例来实现荧光光色可控的目的。在双稀土离子复合物中，还存在着Tb（III）向Eu（III）间的能量转移。.将所制备的纳米复合粒子通过浆内施胶和表面施胶的方法，制备了具有荧光性能的特种纸。结果表明：这些纸不仅具有特殊的性能，而且其机械性能增强，提高了其使用性能。直接将产物与普通油墨混合。，在不需要改变原有设备和工艺条件下获得了一类简单、便宜的新型并具有潜在使用价值的油墨添加剂，并且该功能油墨具有一定的耐紫外光照射、耐热和耐乙醇性。