氯化锌/木质纤维素溶解体系制备纳米氧化锌复合材料方法及机理

Nano zinc oxide and nano-zinc oxide /cellulose composite have great potential application in biology and medicine fields. Zinc chloride aqueous solution is an ideal solvent for lignocellulose. Nano zinc oxide and nano-zinc oxide /cellulose composite will be prepared via the dissolution of cellulose in zinc chloride aqueous solution. To achieved a new method for nano-zinc oxide /cellulose composite, the concept of zinc chloride aqueous solution as cellulose solvent and precursor of nano zinc oxide, controlling the nucleation of zinc oxide on cellulose with the reaction degree between precursor of nano zinc oxide and cellulose, and controlling the size and morphology of zinc oxide with the cellulose network is proposed. The project will focus on the nucleation process of zinc oxide on cellulose by adjusting active groups on cellulose and the dissolution degree of cellulose in zinc chloride aqueous solution, and the regulation method for size and morphology of zinc oxide with the cellulose network. The regulation mechanism of the nucleation and growth of zinc oxide by cellulose will be revealed. The project will provide theoretical fundamentals and technique for efficient preparation of environmental friendly nano zinc oxide /cellulose material.

氯化锌水溶液是木质纤维素理想溶剂，其构成体系制备纳米ZnO及其与纤维素复合材料在生物和医药等领域具有重大潜在应用价值。项目拟以ZnCl2水溶液为木质纤维的溶剂和纳米ZnO的前驱体，借助ZnO前驱体与纤维素反应可及程度对纳米ZnO晶体在纤维素上成核量调控，依靠纤维素构成的网络空间调控纳米ZnO粒子尺寸及形貌，获得纳米ZnO/木质纤维素复合材料新方法。项目将重点研究纤维素溶解程度和活性基团对ZnO晶体在纤维素上成核历程与规律影响，探究纤维素网络对ZnO晶体粒径及其形貌的调控方法，揭示纤维素对ZnO晶体成核和生长的调控作用机理。为高效制备环境友好纳米ZnO/纤维素复合材料提供理论依据及方法。

为了使纤维素参与ZnO晶体尺寸和形貌控制，减少ZnO/纤维素复合材料制备过程水用量，大幅度提升纳米ZnO复合到纤维素上能力。项目研究了ZnCl2/木质纤维素溶解体系制备ZnO/纤维素复合材料和纳米ZnO的方法。探究了纤维素网络对ZnO晶体粒径及其形貌的调控方法，揭示了纤维素对ZnO晶体成核和生长的调控作用机理。主要研究结果如下：.1、项目建立了ZnCl2/木质纤维素半溶解体系制备ZnO/纤维素复合材料的方法。60～70 wt% ZnCl2水溶液可以使木质纤维素部分溶解，然后通过凝固液处理后制备出绿色高强耐油抗菌材料。研究发现凝固液、压榨处理、NaOH浓度和超声波辅助作用对ZnO/纤维素复合材料中ZnO负载量都有影响。采用超声波辅助作用下高浓度NaOH凝固液和压榨处理相结合可以提高ZnO在ZnO/纤维素复合材料中负载量，同时材料强度也得到提高。ZnO以纳米片组合成花状存在高致密的纤维素上。.2、项目建立了ZnCl2/木质纤维素全溶解体系制备ZnO/纤维素复合材料和纳米ZnO的方法。研究发现纤维素溶解浓度、混合方式、凝固剂、NaOH浓度、Zn2+:OH-比例和pH值对ZnO纯度、尺度和形貌都有影响。当NaOH浓度为2 M、Zn2+:OH-比例为1:8时或pH值10以上才能得到纯的ZnO。凝固剂是影响纤维素三维网络结构以及ZnO/纤维素复合物中ZnO分布的关键因素。异丙醇比乙醇和水更易提供丰富均匀孔隙的三维网络，使更多的纳米片组合成花状的ZnO均匀分布在纤维素网络中。随着溶解纤维素浓度的增加，ZnO/纤维素复合物的尺寸从约50 nm下降到30 nm，纳米ZnO由棒状变为球状。同时发现胶体磨是制备ZnO/纤维素复合材料和ZnO纳米颗粒更加有效的手段。.3、项目揭示了纤维素对ZnO晶体成核和生长的调控作用机理。ZnO晶体的尺寸和形貌受纤维素网络空间尺寸的影响。纤维素浓度的增加，纤维素网络尺寸越小，ZnO/纤维素复合物和纳米ZnO尺寸越小。ZnO可由花状或棒状变为球状。.纤维素上的活性羟基和网络尺寸控制成功实现在高浓锌源下制备出纳米ZnO/纤维素复合材料和纳米ZnO，为开发高效绿色纳米金属氧化物及其与木质纤维素复合材料提供理论基础。