绿色方法构建ZnO@纤维素及Ag/ZnO@纤维素纳米复合膜及其性能研究

摘要

随着石油资源的枯竭和环境污染的日益恶化，研究和开发可再生资源材料已经成为材料科学的前沿之一。纤维素是自然界中含量最丰富的天然高分子，具有可再生、可降解、生物相容等优点。除此之外由于纤维素有着优异的机械性能以及稳定性，是一种很好的基体材料。
　　传统制备纤维素纳米复合材料的方法有物理共混法、溶胶-凝胶法、水热法等。物理共混法虽然简单，但纤维素与无机纳米粒子结合不牢固，耐久度差。而溶胶-凝胶法以及水热法都需要高温或高压等苛刻的条件，生产过程能耗大、成本高，制约了纤维素纳米复合材料的工业化生产。本工作从溶解得到纤维素溶液出发，利用纤维素分子链的生物矿化活性以及还原性，绿色方法构建得到ZnO@纤维素以及Ag/ZnO@纤维素纳米复合膜。
　　本论文第一部分研究了ZnO@纤维素纳米复合膜的制备方法以及性能。首先将纤维素加入到预冷-12℃的NaOH/锌酸钠/尿素水溶液中得到纤维素溶液，然后选取不同的凝固剂，在室温条件下通过流延成膜法制备ZnO@纤维素复合膜。利用XRD、XPS、SEM、TEM等进行形貌和结构表征，结果显示随着溶剂交换速率的加快，ZnO含量逐渐增加，具有优异的光催化及抗菌性能。
　　本论文的第二部分是在第一部分的基础上，利用ZnO的半导体特性，在弱紫外光条件下迅速将银还原到ZnO@纤维素复合膜上，制得Ag/ZnO@纤维素纳米复合膜。SEM、TEM等结果表明，随紫外光照射时间增加，Ag含量逐渐增加，其附着在ZnO粒子表面上且粒径逐渐增大。用以NaBH4作为模型反应，纳米复合膜将4-硝基苯酚(4-NP)快速还原成4-氨基苯酚(4-AP)，除此之外，复合膜可有效抑制革兰氏阳性（金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性（大肠杆菌）。
　　本论文的第三部分提出了一步法的策略，直接将硝酸银加入到纤维素/锌酸钠水溶液中，随着时间的增加，Ag+逐渐被碱性的纤维素溶液还原成Ag0。由于纤维素溶液中含有锌酸盐，大大提高了溶液的稳定性。得到的Ag/ZnO@纤维素纳米复合膜在较低浓度下表现出良好的生物相容性，足以在3h内消除大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。这种温和且便捷的一步合成方法为制备高附加值纤维素基纳米杂化材料开辟了新路径。
　　本论文以仿生矿化这种新方法在室温下制备纤维素基纳米复合材料，提高了工业化生产的可能性，也进一步为纤维素纳米复合材料的研究和制备提供了新的思路。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 前言

1．2 基于纤维素的纳米复合材料

1．2．1 纤维素／ZnO纳米复合材料

1．2．2 纤维素／Ag纳米复合材料

1．3 纤维素基纳米复合材料的制备方法

1．3．1．物理共混法

1．3．2 溶胶-凝胶法

1．3．3 水热法

1．3．4 仿生矿化法

1．4 研究内容及意义

第2章 仿生矿化法制备纤维素／ZnO复合膜及其性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验仪器

2．2．2 实验原料及试剂

2．2．3 实验方法

2．2．4 测试与表征

2．2．5 抑菌性能测试实验

2．2．6 光催化性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 ZnO@纤维素(ZCN)纳米复合膜的制备

2．3．2 复合膜的形貌

2．3．3 复合膜的物理性能

2．3．4 ZCN复合膜的光催化和抗菌性能

2．4 本章小结

第3章 光还原制备Ag／ZnO@纤维素复合膜及其性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验仪器

3．2．2 实验原料及试剂

3．2．3 实验方法

3．2．4 结构与性能表征

3．2．5 催化性能测试

3．2．6 抗菌性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 Ag@ZnO@纤维素纳米复合膜的制备

3．3．2 纳米复合膜的结构和形貌表征

3．3．3 纳米复合膜的机械性能

3．3．4 纳米复合膜的催化性能

3．3．5 纳米复合膜的抗菌性能

3．4 本章小结

第4章 碱性纤维素溶液还原银离子：一步法制备Ag／ZnO@纤维素纳米复合膜及其性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验仪器

4．2．2 实验原料及试剂

4．2．3 实验方法

4．2．4 测试与表征

4．2．5 抗菌性能测试

4．2．6 细胞毒性实验

4．3 结果与讨论

4．3．1 制备Ag／ZnO修饰的纤维素纳米复合膜

4．3．2 复合膜的结构和形貌表征

4．3．3 复合膜的物理性能

4．3．4 复合膜的抗菌性能和细胞毒性

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

参考文献

研究成果

致谢