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基本信息

項(xiàng)目名稱：
海鞘納米纖維素的制備
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
本作品選用豐富的海洋動(dòng)物海鞘作為原料，在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展海鞘纖維素的研究工作，成功地制備出了海鞘納米纖維素，并通過(guò)偏光顯微鏡、紅外光譜儀、原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡對(duì)其形貌、結(jié)構(gòu)和溶致膽甾型液晶行為進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究。由于膽甾型液晶具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)，如各向異性、雙折射性、選擇反射性等，因此有望用于防偽材料、節(jié)能裝潢涂料、顯示材料、反射型彩色電子紙等領(lǐng)域。有關(guān)專利發(fā)明申請(qǐng)也已進(jìn)入公開(kāi)階段。
詳細(xì)介紹：
本作品采用濃硫酸水解海鞘纖維素的方法成功地制備出納米纖維素，對(duì)于開(kāi)展豐富的海洋動(dòng)物海鞘資源挖掘、開(kāi)發(fā)、保護(hù)和可持續(xù)性利用的技術(shù)研究不僅具有學(xué)術(shù)意義，而且具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效應(yīng)。但是，目前國(guó)內(nèi)僅有從海鞘中提取海洋藥物成分的研究報(bào)道，而有關(guān)海鞘纖維素的研究鮮見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。 能源、材料、信息技術(shù)是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的三大支柱。纖維素是自然界中儲(chǔ)量最豐富、可再生的天然高分子材料，來(lái)源廣泛。纖維素是由一種D-脫水吡喃葡萄糖通過(guò)β-1,4苷鍵聯(lián)結(jié)而成的線性長(zhǎng)鏈高分子聚合物，它有六種結(jié)晶變體，其中纖維素I是天然纖維素的晶型，存在于細(xì)菌、海藻、高等植物及海洋動(dòng)物海鞘體內(nèi)。纖維素I晶體根據(jù)晶型的不同又可分為Iα和Iβ兩種同質(zhì)異晶，據(jù)報(bào)道海鞘的被囊中90%的成分是Iβ型纖維素，而且其結(jié)晶度高，而植物纖維素中只有50-70%的Iβ晶型。 海鞘納米纖維素在一定濃度下能自發(fā)形成膽甾型液晶。膽甾型液晶具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)，如光學(xué)各向異性、雙折射性、選擇反射性等，因此有望用于防偽材料、裝潢涂料、顯示材料、反射型彩色電子紙等領(lǐng)域。 本作品首先從海鞘中提取出纖維素，并利用硫酸水解得到納米纖維素晶體。水解后的納米纖維素晶體反應(yīng)液經(jīng)過(guò)離心、透析、濃縮等過(guò)程形成溶致膽甾型液晶。隨后通過(guò)偏光顯微鏡(Polarizing Optical Microscope, POM)、紅外光譜儀(Infrared Spectroscope, IR)、原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope, AFM）、掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM) 對(duì)其形貌、結(jié)構(gòu)和溶致手性液晶行為進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。 研究結(jié)果表明：所制備的海鞘纖維素樣品粉末幾乎為Iβ晶型；海鞘納米纖維素為棒狀結(jié)構(gòu)，直徑均勻，平均直徑約為30nm，長(zhǎng)度在200nm-2μm之間，具有長(zhǎng)度多分散性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)海鞘纖維素懸浮液達(dá)到一定濃度后，可以自發(fā)地形成溶致膽甾型液晶，而且其薄膜在自然光的照射下可以呈現(xiàn)出彩虹般漂亮的顏色。 綜上所述，采用濃硫酸水解海鞘纖維素的方法制備納米纖維素，具有反應(yīng)過(guò)程簡(jiǎn)單，工藝方法較易控制，原料資源豐富，生產(chǎn)成本低，綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。海鞘納米纖維素溶致膽甾型液晶在防偽材料、節(jié)能涂料、精細(xì)化妝品材料等領(lǐng)域?qū)⒂袓湫碌膽?yīng)用前景。

作品圖片

  • 海鞘納米纖維素的制備
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  • 海鞘納米纖維素的制備
  • 海鞘納米纖維素的制備

作品專業(yè)信息

撰寫(xiě)目的和基本思路

能源、材料、信息技術(shù)是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的三大支柱。山東省位于渤海和黃海之濱，具有豐富的海洋資源。因此本課題選用我省豐富的海洋資源海鞘作為原料，制備海鞘納米纖維素，并通過(guò)偏光顯微鏡、紅外光譜儀、原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡對(duì)其形貌、結(jié)構(gòu)和溶致手性液晶行為進(jìn)行較系統(tǒng)的研究。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

纖維素來(lái)源廣泛，不僅存在于高等植物的細(xì)胞壁中，現(xiàn)在在海洋動(dòng)物海鞘的被囊中也發(fā)現(xiàn)了纖維素的存在。海鞘纖維素與植物纖維素相比較有許多獨(dú)特性質(zhì)，如前者的90%以上為Iβ晶型，而且其結(jié)晶度高，而后者只有50-70%的Iβ晶型。目前國(guó)內(nèi)僅有從海鞘中提取海洋藥物成分的研究報(bào)道，而有關(guān)海鞘纖維素的研究鮮見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

海鞘納米纖維素在一定濃度下能自發(fā)形成膽甾型液晶。膽甾型液晶具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)，如光學(xué)各向異性、雙折射性、選擇反射性等，因此有望用于防偽材料、裝潢涂料、反射型彩色電子紙等領(lǐng)域。本項(xiàng)目選用海鞘作原料，符合國(guó)家十二五規(guī)劃所制定的發(fā)展環(huán)境友好型新材料和可再生資源天然高分子材料的高效化利用的戰(zhàn)略目標(biāo)，對(duì)充分有效地利用我省乃至全國(guó)豐富的海洋資源，開(kāi)展海洋資源深度開(kāi)發(fā)及可持續(xù)利用研究具有重要意義。

學(xué)術(shù)論文摘要

本論文從柄海鞘的被囊中成功地制備了納米纖維素，并通過(guò)偏光顯微鏡（Polarizing Optical Microscope, POM）、紅外光譜儀（Infrared Spectroscope, IR）、原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope, AFM ）、掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）對(duì)其形貌、結(jié)構(gòu)和溶致手性液晶行為進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究。研究結(jié)果表明，所制備的海鞘纖維素樣品粉末幾乎為Iβ晶型；海鞘納米纖維素為棒狀結(jié)構(gòu)，直徑均勻，平均直徑約為30nm，長(zhǎng)度在200nm-2μm之間，具有長(zhǎng)度多分散性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)海鞘纖維素懸浮液達(dá)到一定濃度后，可以自發(fā)地形成膽甾型液晶，而且膽甾型液晶薄膜具有選擇反射性，在自然光的照射下呈現(xiàn)彩虹般漂亮的顏色。

獲獎(jiǎng)情況

[1]張麗紅，李健榮，宋廣杰，樸光哲，木村史子，木村恒久，海鞘纖維素的溶致膽甾型液晶的制備，2010年兩岸三地高分子液晶態(tài)與超分子有序結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)研討會(huì)（暨第十一次全國(guó)高分子液晶態(tài)與超分子有序結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)），會(huì)議論文集，p310-312，2010年8月23-26日，鄭州. [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]樸光哲*、張麗紅、宋廣杰、李健榮等，海鞘中提取微晶纖維素及制備溶致膽甾型液晶的方法，申請(qǐng)?zhí)枺?01010217969.6；公開(kāi)（公告）號(hào)：CN101914859A.

鑒定結(jié)果

該課題在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展海鞘纖維素的研究工作，在提取海鞘纖維素及海鞘溶致膽甾型液晶的形成機(jī)理和確定關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行了有益的探索研究，擁有原始創(chuàng)新工作，具有學(xué)術(shù)意義及重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

[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.

同類課題研究水平概述

1989年，P. S. Belton和S. F. Tanner等報(bào)道了海鞘的被囊中含有纖維素，并且90%的海鞘纖維素為Iβ晶型，而且結(jié)晶度高。 1991年J. Sugiyama和 J. Persson等用FT-IR表征了海鞘纖維素。 2005年Kimura等報(bào)道了海鞘纖維素可以形成膽甾型液晶。 但是，目前國(guó)內(nèi)僅有從海鞘中提取海洋藥物成分的研究報(bào)道，而有關(guān)海鞘纖維素的研究鮮見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。 本課題是國(guó)內(nèi)首次從海鞘的被囊中成功地制備出納米纖維素，并通過(guò)偏光顯微鏡（Polarizing Optical Microscope, POM）、紅外光譜儀（Infrared Spectroscope, IR）、原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope, AFM）、掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）對(duì)其形貌、結(jié)構(gòu)和溶致手性液晶行為進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究。
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