基本信息
- 项目名称：
- 海鞘纳米纤维素的制备
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品选用丰富的海洋动物海鞘作为原料，在国内率先开展海鞘纤维素的研究工作，成功地制备出了海鞘纳米纤维素，并通过偏光显微镜、红外光谱仪、原子力显微镜、扫描电子显微镜对其形貌、结构和溶致胆甾型液晶行为进行了较系统的研究。由于胆甾型液晶具有优异的光学性质，如各向异性、双折射性、选择反射性等，因此有望用于防伪材料、节能装潢涂料、显示材料、反射型彩色电子纸等领域。有关专利发明申请也已进入公开阶段。
- 详细介绍：
- 本作品采用浓硫酸水解海鞘纤维素的方法成功地制备出纳米纤维素，对于开展丰富的海洋动物海鞘资源挖掘、开发、保护和可持续性利用的技术研究不仅具有学术意义，而且具有重要的经济和社会效应。但是，目前国内仅有从海鞘中提取海洋药物成分的研究报道，而有关海鞘纤维素的研究鲜见文献报道。 能源、材料、信息技术是当今社会发展的三大支柱。纤维素是自然界中储量最丰富、可再生的天然高分子材料，来源广泛。纤维素是由一种D-脱水吡喃葡萄糖通过β-1,4苷键联结而成的线性长链高分子聚合物，它有六种结晶变体，其中纤维素I是天然纤维素的晶型，存在于细菌、海藻、高等植物及海洋动物海鞘体内。纤维素I晶体根据晶型的不同又可分为Iα和Iβ两种同质异晶，据报道海鞘的被囊中90%的成分是Iβ型纤维素，而且其结晶度高，而植物纤维素中只有50-70%的Iβ晶型。 海鞘纳米纤维素在一定浓度下能自发形成胆甾型液晶。胆甾型液晶具有优异的光学性质，如光学各向异性、双折射性、选择反射性等，因此有望用于防伪材料、装潢涂料、显示材料、反射型彩色电子纸等领域。 本作品首先从海鞘中提取出纤维素，并利用硫酸水解得到纳米纤维素晶体。水解后的纳米纤维素晶体反应液经过离心、透析、浓缩等过程形成溶致胆甾型液晶。随后通过偏光显微镜(Polarizing Optical Microscope, POM)、红外光谱仪(Infrared Spectroscope, IR)、原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM) 对其形貌、结构和溶致手性液晶行为进行了较为系统的研究。 研究结果表明：所制备的海鞘纤维素样品粉末几乎为Iβ晶型；海鞘纳米纤维素为棒状结构，直径均匀，平均直径约为30nm，长度在200nm-2μm之间，具有长度多分散性。同时发现，当海鞘纤维素悬浮液达到一定浓度后，可以自发地形成溶致胆甾型液晶，而且其薄膜在自然光的照射下可以呈现出彩虹般漂亮的颜色。 综上所述，采用浓硫酸水解海鞘纤维素的方法制备纳米纤维素，具有反应过程简单，工艺方法较易控制，原料资源丰富，生产成本低，绿色环保等优点。海鞘纳米纤维素溶致胆甾型液晶在防伪材料、节能涂料、精细化妆品材料等领域将有崭新的应用前景。
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撰写目的和基本思路
- 能源、材料、信息技术是当今社会发展的三大支柱。山东省位于渤海和黄海之滨，具有丰富的海洋资源。因此本课题选用我省丰富的海洋资源海鞘作为原料，制备海鞘纳米纤维素，并通过偏光显微镜、红外光谱仪、原子力显微镜、扫描电子显微镜对其形貌、结构和溶致手性液晶行为进行较系统的研究。
科学性、先进性及独特之处
- 纤维素来源广泛，不仅存在于高等植物的细胞壁中，现在在海洋动物海鞘的被囊中也发现了纤维素的存在。海鞘纤维素与植物纤维素相比较有许多独特性质，如前者的90%以上为Iβ晶型，而且其结晶度高，而后者只有50-70%的Iβ晶型。目前国内仅有从海鞘中提取海洋药物成分的研究报道，而有关海鞘纤维素的研究鲜见文献报道。
应用价值和现实意义
- 海鞘纳米纤维素在一定浓度下能自发形成胆甾型液晶。胆甾型液晶具有优异的光学性质，如光学各向异性、双折射性、选择反射性等，因此有望用于防伪材料、装潢涂料、反射型彩色电子纸等领域。本项目选用海鞘作原料，符合国家十二五规划所制定的发展环境友好型新材料和可再生资源天然高分子材料的高效化利用的战略目标，对充分有效地利用我省乃至全国丰富的海洋资源，开展海洋资源深度开发及可持续利用研究具有重要意义。
学术论文摘要
- 本论文从柄海鞘的被囊中成功地制备了纳米纤维素，并通过偏光显微镜（Polarizing Optical Microscope, POM）、红外光谱仪（Infrared Spectroscope, IR）、原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM ）、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）对其形貌、结构和溶致手性液晶行为进行了较系统的研究。研究结果表明，所制备的海鞘纤维素样品粉末几乎为Iβ晶型；海鞘纳米纤维素为棒状结构，直径均匀，平均直径约为30nm，长度在200nm-2μm之间，具有长度多分散性。同时发现，当海鞘纤维素悬浮液达到一定浓度后，可以自发地形成胆甾型液晶，而且胆甾型液晶薄膜具有选择反射性，在自然光的照射下呈现彩虹般漂亮的颜色。
获奖情况
- [1]张丽红，李健荣，宋广杰，朴光哲，木村史子，木村恒久，海鞘纤维素的溶致胆甾型液晶的制备，2010年两岸三地高分子液晶态与超分子有序结构学术研讨会（暨第十一次全国高分子液晶态与超分子有序结构学术论文报告会），会议论文集，p310-312，2010年8月23-26日，郑州. [2]L. H. Zhang, G. J. Song, K. Zou, S. C. Liang, Y. T. Qu, G. Piao, F. Kimura T. Kimura, Preparation and properties of cellulosic lyotropic chiral liquid crystals, International Symposium on Polymer Physics (PP'2010), Preprints 360-361,Ji’nan, China, June 6-10, 2010. [3]朴光哲*、张丽红、宋广杰、李健荣等，海鞘中提取微晶纤维素及制备溶致胆甾型液晶的方法，申请号：201010217969.6；公开（公告）号：CN101914859A.
鉴定结果
- 该课题在国内率先开展海鞘纤维素的研究工作，在提取海鞘纤维素及海鞘溶致胆甾型液晶的形成机理和确定关键技术方面进行了有益的探索研究，拥有原始创新工作，具有学术意义及重要的经济和社会效应。
参考文献
- [1]Habibi Y, Lucia L. A, Rojas O. J. Cellulose nanocrystals: chemistry, self-assembly, and applications, Chem. Rev., 2010, 110(6): 3479-3500. [2]Kimura F, Kimura T, Tamura M. Magnetic alignment of the chiral nematic phase of a cellulose microfibril suspension, Langmuir, 2005, 21: 2034-2037. [3]Nishiyama Y, Langan P, Chanzy H, Crystal structure and hydrogen-bonding system in cellulose Iβ from synchrotron X-ray and neutron fiber diffraction, J. Am. Chem. Soc., 2002, 124: 9074-9082. [4]Sugiyama J, Chanzy H, Maret G. Orientation of cellulose microcrystals by strong magnetic fields, Macromolecules, 1992, 25(16): 4232-4234.
同类课题研究水平概述
- 1989年，P. S. Belton和S. F. Tanner等报道了海鞘的被囊中含有纤维素，并且90%的海鞘纤维素为Iβ晶型，而且结晶度高。 1991年J. Sugiyama和 J. Persson等用FT-IR表征了海鞘纤维素。 2005年Kimura等报道了海鞘纤维素可以形成胆甾型液晶。 但是，目前国内仅有从海鞘中提取海洋药物成分的研究报道，而有关海鞘纤维素的研究鲜见文献报道。 本课题是国内首次从海鞘的被囊中成功地制备出纳米纤维素，并通过偏光显微镜（Polarizing Optical Microscope, POM）、红外光谱仪（Infrared Spectroscope, IR）、原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）对其形貌、结构和溶致手性液晶行为进行了较系统的研究。
