芬兰科学家研发新型涂层 由HefCel制成具有阻燃效果

4月26日,记者了解到,芬兰国家技术研究中心(VTT)的科学家开发,新的涂层可以帮助防止这种情况发生,它实际上是由木材制成的。采用纳米纤维素 - 这种材料又由木浆中的微观纤维素纤维组成。木材是一种常见的多功能建筑材料,用于建造从高层建筑、机场到公寓的各种建筑。然而,这种材料不能免受火灾的影响。

芬兰科学家研发新型涂层 由HefCel制成具有阻燃效果

据称,利用称为HefCel(纤维素的高浓度酶促纤维化)的专利技术制造的凝胶状纳米纤维素的固体含量是相似材料的10倍。因此,当应用于木材时 - 纳米纤维素自然粘附在木材上 - 它非常适合形成气密屏障,使氧气不会到达木材表面。这意味着当暴露在火焰中时木材燃烧的可能性显著降低。

 

据了解,纳米纤维素作为一种极具发展潜力的生物化学材料,它相比普通纤维素有机械强度高、比表面积大、高杨氏模量、亲水性强等特点,具有广阔的应用前景。综述了近年来纳米纤维素的研究进展,详细阐述了纳米纤维素的制备、改性的具体成果,并对其作为吸附剂处理废水的各项成果进行了论述。

 

纤维素经酸解后可得到粒径为纳米级别的棒状晶体--纳米纤维素,它相比普通纤维素有诸多优点,如机械强度高、比表面积大、高的杨氏模量、有较强的亲水性等,作为纳米复合材料领域的增强剂应用于诸多领域。

芬兰科学家研发新型涂层 由HefCel制成具有阻燃效果

纤维素是地球上含量最丰富的有机材料,其年产量超过7.5×1010t,它广泛分布在高等植物中,除此之外还存在于海洋动物、藻类、细菌、真菌及无脊椎动物中。一般认为纤维素分子是由很多葡萄糖苷单元通过β-糖苷键结合起来的高分子链,这些结构单元不完全位于同一平面上,与葡萄糖苷一样,化学式是由C6H10O5单体聚合而成的高分子材料。此外,每个纤维素链相对于其分子轴的末端具有方向不对称性:一端具有半缩醛基团,起化学还原功能;另一端具有侧羟基,为非还原端。纤维素链内可形成大量的分子内和分子间氢键。正是因为它们的结构中存在大量的氢键,为其中进行接枝共聚各种不同的功能基团从而赋予独特的化学性能提供了可能。纤维素是结晶不完全的高分子材料,分子链分为结晶区和无定形区两部分,其结晶度根据来源不同存在很大的差异。而对纤维素的纳米化处理即提高纤维素分子的结晶区所占的比例,使其表面暴露出大量的羟基,从而使得一些表面修饰更易进行。然而保持纳米纤维素天然晶体结构的完整性,使其进行化学改性时结构不发生任何变化仍然是一项巨大挑战。

 

根据其形态特征的不同,纤维素纤维可以在它们的无定形区沿轴横向解离,形成纳米级别的高结晶度的棒状片段,又被称为纳米晶体纤维素(NCC);或者通过机械剪切,使纤维素纤维横向分解为其子结构纳米单元,产生纳米原纤化纤维素(MFC);另外一种纳米尺寸的材料可通过微生物进行生物合成,即我们熟知的细菌纳米纤维素(BNC)。三者既有区别又有联系。

芬兰科学家研发新型涂层 由HefCel制成具有阻燃效果

NCC的制备是对其进一步开发和加工成高性能的合成材料的核心,因此寻求高效率低成本的制备方法是目前研究的重点领域,将从以下几个方面对NCC制备过程中的问题进行论述。

 

NCC的来源主要集中在森林或农业残余物方面,由于它们成本较低,来源广泛及处理过程简单从而得到大规模应用。制备NCC的原材料主要有菠萝叶纤维、稻草、小麦秸秆、椰子皮纤维和桑树皮等。由于以植物为原料生产的纳米纤维素比细菌纤维素粒径更小,研究人员已对从植物纤维中提取纳米纤维素进行了广泛的研究。但由于植物纤维之间复杂的层间结构和纤维间氢键的相互作用,通过常规方法(高压均质化、研磨、冷冻破碎)获得的原纤维是粒径较宽的的聚集纤维束。Abraham等最近研究了一种以各种木质纤维素为原料生产纤维素纳米纤丝的水性稳定胶体悬浮液的低成本方法,通过比较香蕉(假茎)、黄麻(茎)和菠萝叶纤维三种原料的性质,发现黄麻纤维中纤维素含量高达60%——70%,且原料成本低廉,是一种极具潜力的生产NCC的原料。Fortunati等以秋葵韧皮纤维为原料生产微晶纤维和纳米纤维素,为了提高纳米纤维素的结晶度和热稳定性,先用强碱预处理随后用硫酸水解分离出NCC,分别从形态学、热力学及机械性能上对产物进行了测试,结果表明秋葵作为原材料显示出良好的生物潜能。

 

据悉,当与颜料混合时,涂层特别有用,然后以喷涂或刷涂的涂料或污渍的形式涂覆到木材上。据报道,初步批次的HefCel涂层在实验室测试中表现良好,并且已经开发出节能生产工艺。科学家们正在努力扩大这一过程,使其更简单、同时更加高效。他们目前还在寻找行业合作伙伴来帮助将该技术商业化。

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