纳米纤维素基材料是当前材料界研究最热的生物基材料之一,因纳米纤维素具有可再生性、环境友好、来源广泛、良好的生物相容性、优异的机械性能、良好的化学反应活性等优点。近些年来,纳米纤维素的制备和应用已经引起学术界和产业界的关注。2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物(TEMPO)氧化结合机械处理制备纳米纤维素的方法为人们普遍采用。许多制备TEMPO氧化纳米纤维(TOCNs)的原料是漂白硫酸盐浆。在这些漂白浆中,木素含量极少,其影响可以忽略不计;但半纤维素含量较多,可能会对制备纳米纤维素产生一定影响。本研究的主要目的是探讨半纤维素对TEMPO氧化制备纳米纤维素及其性质的影响,为利用纸浆制备纳米纤维素提供理论基础及应用指导。针叶木、阔叶木与非木材原料中半纤维素的种类和含量是不同的。本研究首先以不同原料(松木、桉木、竹子和蔗渣)的漂白浆制备TOCNs,探讨半纤维素种类及含量对TEMPO氧化过程与氧化浆性质的影响。结果发现,在TEMPO/Na Br/Na Cl O体系氧化过程中,甘露聚糖因含有C6伯羟基很容易被氧化并且绝大部分被除去,而大部分木聚糖则保留下来。相同氧化条件下,各原料氧化浆中羧基含量从高到低依次为:桉木,松木,竹子,蔗渣。从TEMPO氧化反应速率看,松木最快,蔗渣最慢。半纤维素的存在(尤其是木聚糖)阻碍了化学药剂的渗透及对纤维素的可及性,对TEMPO氧化速率和羧基生成都有不利的影响。此外,松木中甘露聚糖还会导致反应过程中氧化剂(Na Cl O)的消耗。其次,比较了不同原料TOCNs及其悬浮液的性质。结果发现,无论是纸浆还是制备的纳米纤维素,其热稳定性高低次序均为:松木>桉木>竹子>蔗渣;半纤维素的存在不利于纸浆及TOCNs的热稳定性。不同原料制备的TOCNs的直径相差不大,约3~5nm。从长度分布来看,松木TOCNs平均纤维长度最长,达到370nm左右;而桉木最短,只有290nm;竹子和蔗渣TOCNs平均长度相近,分别为350nm和360nm。半纤维素的存在影响了羧基含量,进而会对TOCNs及其悬浮液的性质产生影响。羧基含量越高,越有利于后续机械处理,从而获得较短的TOCNs;当羧基含量相近时,半纤维素含量增加对机械作用下纳米原纤化过程有一定的促进作用。各原料TOCN悬浮液透光度为:桉木>松木>竹子>蔗渣,而粘度变化趋势与之相反。羧基含量越高,TOCN悬浮液越透明,流动性越好。半纤维素的存在降低了悬浮液的透光度,其粘度增加。然后,用TEMPO氧化浆(TOP)和TOCNs通过抽滤法制备了两种纤维素膜,并研究其力学性能。结果显示,相同原料下的TOCN膜拥有更优异的力学性能,其杨氏模量和拉伸强度均显著高于相应的TOP膜。不同原料的TOCN膜的杨氏模量相差不大,均在6.5GPa左右;桉木浆的TOCN膜拉伸强度最高,约为118MPa。纤维长度、羧基含量、半纤维素含量均影响TOP膜的机械强度。TOCN膜比TOP膜的表面更平整,完全看不到纤维;纳米纤维之间形成更致密的结构。TOCN膜和TOP膜都具有较高的透明度。TOCN膜透明度均大于90%,其中桉木浆最高可达96%;而TOP膜透明度在85%左右,不同原料之间相差不大。但是TOP膜中纤维直径在微米级,其光散射现象比TOCN膜更严重。最后,分别以漂白桉木浆和松木浆为原料,通过木聚糖酶和Na OH溶液两种预处理方法,得到不同半纤维素含量的纸浆,进一步探讨半纤维素含量对TOCNs制备的影响。研究结果表明,半纤维素(尤其是木聚糖)的去除促进了TEMPO氧化反应,有利于提高羧基含量。由于桉木浆中木聚糖含量更高,因此酶预处理对TEMPO氧化桉木浆的促进作用比松木更明显。与酶处理只能去除纤维表面的木聚糖相比,碱处理能够除掉更多的半纤维素,而且对纤维具有润胀作用。因此,碱预处理能显著提高氧化反应速率,尤其是当Na OH浓度为2.0mol/L时。这也进一步体现了氧化过程中半纤维素的存在阻碍了纤维素的可及性。碱预处理降低了TOCNs的热稳定性,但是有利于获得更短的TOCNs,而酶处理对TOCNs长度影响不大。半纤维素的存在不利于TOCNs悬浮液的透光度。