纤维素纳米晶是纤维素纳米粒子家族另一重要的成员。它们的制备涉及一种化学酸水解过程，旨在溶解纤维素纤维中的非晶链并释放晶体结构域。已经有文献报道过这种纳米粒子的制备。它们是由一种纤维素微纤丝的子实体组成，具有比微晶纤维素更明确几何特征的棒状纳米粒子。

纤维素纳米晶是从天然高分子纤维素中提取的高度结晶性棒状生物质纳米粒子，是一种极具吸引力的生物纳米材料，由于其独特的结构特征和令人印象深刻的物理化学性质，如生物相容性、生物降解性、可再生性、低密度、适应性表面化学、光学透明性和机械性能的提高，在工业和学术界都引起了极大的兴趣。这种纳米材料在复合材料、生物医用材料、造纸、功能材料等领域具有广阔的应用前景。

纤维素纳米晶的最终性质取决于纤维素纤维的来源。从被囊类动物和藻类中提取的纳米晶长度有几微米，因为被囊类动物和藻类中的纤维素纤维是高度结晶的。来自细菌纤维素的纳米晶体也具有与从被囊类和藻类获得的那些相似的尺寸，而例如从棉和木纤维素获得的具有更小的尺寸。因此，根据纤维素的不同来源，已经开发了特定的水解和提取方法。而且不同种类的强酸已被证明可以成功降解纤维素纤维，得到纤维素纳米晶。但最为广泛应用的是盐酸和硫酸。其中硫酸因其制备出的纤维素纳米晶表面带有一定数量的带负电荷的硫酸酯集团，诱导形成覆盖在纤维素纳米晶体表面的负电子层，使各个纳米粒子由于静电排斥而具有良好的水分散性能而被广泛认可。

经典制备纤维素纳米晶的方法是采用浓度为65%的硫酸溶液一步水解，除去纤维素纤维中的无定型区域，得到高度结晶的棒状纤维素纳米晶。纤维素纳米晶的尺寸受其来源、制备方法和处理工艺的影响而不同。一般而言，通过强酸水解的方式，植物来源提取的纤维素纳米晶（如棉、麻、木等）尺寸为L=100-300 nm，d=10-20 nm；而动物纤维素来源提取的纤维素纳米晶（如海鞘背囊）尺寸为L=100-1000 nm，d=5-30 nm。

作为市场上重要的新型纳米材料，二氧化钛（TiO2）纳米粒子具有很强的屏蔽紫外线能力，良好的透明性和高光催化性能，有很广泛的应用，如光催化，水净化系统，太阳能电池，防晒涂料，然而，由于其特殊的结构和高的表面能，纳米TiO2通常易于聚集，在聚合物基体中分散性差，导致目标复合材料的性能下降。 所以为了能够解决这个问题，借助纤维素纳米晶作为载体改善纳米二氧化钛的分散性，将纳米二氧化钛的优异性能与纤维素纳米晶的增强性能赋予材料，拓展了两种纳米粒子的应用范围。本课题设计了利用羧胺缩合反应将纳米二氧化钛接枝到纤维素纳米晶表面的实验方案，旨在利用纤维素纳米晶这种棒状生物质纳米粒子作为载体，能够很好的承载纳米二氧化钛粒子，拓展纳米二氧化钛在各领域的应用前景。具体而言，研究内容包括：基于羧胺缩合反应，在表面含有羧基的纤维素纳米晶表面（TEMPO氧化预处理），接枝光催化纳米二氧化钛（表面氨基化预处理）；研究纤维素纳米晶接枝纳米二氧化钛（5-10nm）的性能表现；通过透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、激光粒度仪等表征仪器对接枝二氧化钛的纤维素纳米晶形貌、性质进行分析。

2. 研究的基本内容与方案

研究内容包括：通过KH550水解接枝到纳米二氧化钛表面制备氨基化二氧化钛；TEMPO/NaBr/NaClO体系氧化纤维素纳米晶制备表面部分羧基化纤维素纳米晶体；基于羧胺缩合反应，在表面含有羧基的纤维素纳米晶表面（TEMPO氧化预处理），接枝光催化纳米二氧化钛（表面氨基化预处理）；通过透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、激光粒度仪等表征仪器对降解后纤维素纳米晶的尺寸、形貌、性质进行分析。

步骤为：1、以Whatman滤纸为原料，使用64wt%的硫酸对滤纸进行水解制备纤维素纳米晶（水解条件参照文献）并对水解之后的产物进行离心、均质、透析，以除去产物中的硫酸；2、利用TEMPO/NaBr/NaClO氧化体系制备羧基化的纤维素纳米晶；3、利用KH550水解产物，在纳米二氧化钛表面引入氨基基团制备TiO₂-NH₂；4、进行羧胺缩合反应，将不同尺寸的纳米二氧化钛接枝到CNC表面，制备CNC-TiO₂；使用FTIR证明TEMPO氧化、氨基化成功；XRD、XPS、TEM对CNC-COOH、TiO₂-NH₂、CNC- TiO₂进行形貌、尺寸的测定。

(1) Baek C, Hanif Z, Cho S-W, Kim D-I, Um SH. Shape Control of Cellulose Nanocrystals via Compositional AcidHydrolysis[J]. Journal of Biomedical Nanotechnology, 2013, 9: 1293-1298.

(2) Y Hu, N Abidi. Distinct Chiral NematicSelf-Assembling Behavior Caused by Different Size-Unified CelluloseNanocrystals via a Multistage Separation[J]. Langmuir, 2016, 32: 9863#8722;9872.

(3) Chen L, Wang Q, Hirth K, Baez C, AgarwalU P, Zhu J Y. Tailoring the yield and characteristics of wood cellulose nanocrystals(CNC) using concentrated acid hydrolysis[J]. Cellulose, 2015, 22:1753–1762.