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酸解均质制备纳米纤维素

发布日期:2023-11-30   浏览次数:235次

1.jpg 可再生资源

随着社会与人类文明的不断进步,煤炭、石油等不可再生资源不断被消耗,地球环境压力也日益增加,可持续发展也上升到国家战略层面。可再生资源,特别是绿色生物能源的利用将是未来研发应用的重要方向。世界能源资源危机使可再生资源的开发与利用成为一个热点,大量陆生植物和水生植物及其废弃物是目前国内外特别是发达国家可再生资源领域研究和开发的趋势,必将成为未来非再生资源的补充和取代物。



1.jpg 纤维素资源

       随着经济的快速发展,作为支撑经济发展的重要资源——石油资源也日渐枯竭;同时各种石油基产品的大量使用也对环境造成了较大污染。1838年,法国科学家Payen(1795-1871)首次用氢氧化钠、硝酸溶液交替处理木材后,分离出一种均匀的化合物并命名为纤维素。纤维素作为自然界中存量最丰富的可再生有机高分子资源,在众多领域得到了较为广泛的应用。近年来,进一步有效利用纤维素资源,特别是纤维素资源的精细化应用更是成为国内外研究的热点。纤维素在自然界储备丰富,纤维素是我们生活中非常常见的树木等植物组织中的最基本组成成分之一,除了植物组织中的大量储备,纤维素也可以由动物、微生物不断制造产生,是绿色可再生天然生物高分子物质的典型代表。纤维素在植物体内有大量储备,具有可再生、分布广、价格低、生物兼容性强、可被降解等优点,是天然绿色高分子材料。纤维素具有很多优越的生化性能,如生物可降解性、亲水性、手性、可修饰性。




1.jpg 纳米纤维素

       纳米纤维素(nanocrystalline cellulose,简称NCC)是以富含纤维素的生物质材料为原料,通过去除半纤维素、木质素等非纤维成分,并采用机械的、化学的或生物的方法将其任一维尺寸缩减至100nm以内的纤维素材料。纳米纤维素的直径通常为5~100nm,长度在几十到数百纳米之间,具有较高的长径比。纳米纤维素主要分为两种,一种是纤维素纳米晶(CNC),也叫纳米微晶纤维素(NCC),或纤维素纳米晶须(CNW);CNC一般为棒状,但在某些特定制备条件下也可以得到球形CNC。另一种纳米纤维素是纤维素纳米纤丝(CNF),也叫纳米纤丝化纤维素(NFC),CNF为纤维状。纳米纤维素不仅承继了纤维素的一些特性,如可再生、可降解性、亲水性、广泛的化学可修饰性,而且具有非常多的优异性能,比如粒径小、比表面积大、高强度、高硬度、密度小等,而且其表面含有大量的极性基团,非常容易进行表面改性,使其表面电位升高,从而导致在基体或溶液中的稳定性增加,是一种极具发展潜力的新型纳米材料。



1.jpg 制备纳米纤维素方法

       目前,制备纳米纤维素的主要方法包括生物化学法和机械法。其中生物化学法主要生物酶水解法或酸水解法,此种方法获得的纳米纤维素常为胶状颗粒,其产品通常为纳米微晶纤维素、纳米晶须或纳米晶体纤维素; 机械法主要包括高压均质、高速剪切、研磨、超声波,这种机械法制备的纳米纤维素主要呈纤维状,产品称为纳米纤维素纤维或者纤维素微纤丝。纤维素的超分子结构是由结晶区和无定形区交错结合的体系。通常采用化学方法或物理和化学相结合的方法对纤维素的无定形区进行破坏,最终制得结晶度高的纳米纤维素。目前,纳米纤维素的主流制备方法包括硫酸水解法、TEMPO氧化法和各种预处理联合机械法。



1.jpg 酸解均质制备纳米纤维素

       硫酸水解法是利用硫酸破坏纤维素的无定形区,但该方法污染大、得率低;且用硫酸水解制备纳米纤维素是一个突变的过程。在这一过程中,纤维素的聚合度骤然降低,磺化及CNC产生也都是瞬时发生的,因此,该过程难以控制且制备条件较难优化。因此,许多研究者对硫酸水解制备CNC的方法进行了改进。物理机械法通常是利用高强度的冲击力、剪切力使纤维素纤维解纤、断裂,从而制备纳米纤维素;物理机械法制备得到的纳米纤维素为CNF;与CNC相比,CNF容易卷曲、联结,结晶度较低,制备能耗高,且容易堵塞管道。酸解均质的制备方法与物理机械均质化相比,明显减少了均质次数,提高了得率;且制备的纳米纤维素晶须粒径小且分布均匀,结晶度高。经硫酸水解后,纳米纤维素分子中引入了磺酸基团,经硫酸水解和均质处理后,CNC的结构并未发生变化。


1.jpg 纳通优势

       随着新能源行业的日益增长,研究人员越来越多寻求开发高性能材料,其中材料的分散均匀性问题总是在阻碍这个过程。纳米技术的新突破有助于将新的和更有效的能源应用带入生活,高压均质机能为该领域科研人员和制造商提供纳米化均质分散的技术。高压均质机可以将材料颗粒尺寸减小到亚微米级,以产生稳定的纳米乳液和悬浮液。液滴尺寸的减小和颗粒更均匀的分散,材料的性能将显著增加,可以达到更好的外观,更优越的效果,更少的有机溶剂添加等等,使得在竞争激烈的市场中脱颖而出成为可能。
◆制得的粒子粒径小
◆粒度分布窄且均匀
◆效果显著
◆数据重现性强
◆可大批量连续生产


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