高壓微射流均質(zhì)機(jī)處理制備納米纖維素

高壓微射流均質(zhì)機(jī)處理制備納米纖維素1.

引言纖維素資源是自然界中豐富的可生物降解的聚合物資源，纖維素的組成成分是葡萄糖等碳水化合物。纖維素的原料包含范圍很廣，大多數(shù)的生物質(zhì)資源例如：稻麥草、蔗渣、堅(jiān)果殼、木薯、竹子、花生殼等。纖維素可被制備成納米纖維應(yīng)用于復(fù)合材料中或作為增強(qiáng)劑與高分子復(fù)合以提高高分子材料的機(jī)械性能[1-6]。納米纖維素具有可生物降解、均一性、穩(wěn)定性以及可分散性等特點(diǎn)，可以作為其它納米粒子的分散劑如納米二氧化硅、碳納米管、納米銀線等。再者，其在高分子增強(qiáng)材料、醫(yī)用材料、印刷包裝材料、環(huán)保材料等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[7,8]。此外，納米纖維素還具有高透明性可應(yīng)用于光電材料、數(shù)顯材料等。根據(jù)制備方法或者制備的納米纖維素的特性不同，納米纖維素主要分為兩種形態(tài)：纖維素納米晶（Cellulosenanocrystals，CNC）和纖維素納米纖絲（Cellulosenanofibrils，CNF）。通過(guò)對(duì)纖維原料進(jìn)行化學(xué)或者酶解處理，去除無(wú)定形區(qū)可以得到CNC，寬度幾十納米，長(zhǎng)度50~500nm，CNC具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、特殊的光學(xué)性能和自組裝性能，在復(fù)合材料、導(dǎo)電液晶材料、熒光傳感材料等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用[9-11]。通過(guò)機(jī)械處理（高速盤(pán)磨、高壓均質(zhì)或者微射流處理）可以得到CNF，寬度小于100nm，長(zhǎng)度500nm以上，長(zhǎng)徑比高，具有較大的比表面積、良好的機(jī)械性能和低導(dǎo)熱系數(shù)，在吸附材料、柔性電池及柔性顯示器、超級(jí)電容器隔膜紙和太陽(yáng)能電池裝置材料等方面潛力巨大[12-14]。CNF的制備方法包括盤(pán)磨法、球磨法、微射流法、高壓均質(zhì)法和雙螺旋擠出法等[15-19]，以上方法中高速盤(pán)磨、高壓均質(zhì)和微射流處理最為常見(jiàn)。高速盤(pán)磨處理是通過(guò)超微粒粉碎機(jī)中的靜態(tài)磨石與動(dòng)態(tài)磨石之間產(chǎn)生的碾壓、撕裂剪切作用，經(jīng)過(guò)幾次循環(huán)往復(fù)的剪切搓揉作用，纖維徑向尺寸可達(dá)到納米級(jí)別，超微粒粉碎機(jī)兩塊磨石的間隙、處理時(shí)間和轉(zhuǎn)速會(huì)影響CNF的尺寸，盤(pán)磨處理可以不需要對(duì)纖維進(jìn)行預(yù)處理，設(shè)備拆卸和清洗較為方便，但是在處理過(guò)程中，CNF粒徑不均一、分散性差且結(jié)晶度有所下降[20-21]。

高壓均質(zhì)處理是一定濃度的纖維素懸浮液被高壓往復(fù)泵輸送至工作閥區(qū)間，通過(guò)均質(zhì)閥失壓形成空穴效應(yīng)產(chǎn)生高剪切作用使得纖維納米纖絲化[22]。高壓均質(zhì)處理最為常用，易于工業(yè)生產(chǎn)，但是在操作過(guò)程中長(zhǎng)纖維容易堵塞閥門(mén)，特別是在串聯(lián)的閥門(mén)，必須分解開(kāi)清洗，影響制備效率，同時(shí)能量消耗比較大。高壓微射流均質(zhì)機(jī)通過(guò)氣動(dòng)或電液傳動(dòng)的增壓器使纖維素懸浮液在高壓作用下以極大的速度流經(jīng)固定幾何結(jié)構(gòu)均質(zhì)腔中的微管通道，在均質(zhì)腔中纖維受到超高剪切力、高碰撞力、空穴效應(yīng)等物理作用，使其微纖化，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)實(shí)現(xiàn)纖維的解離，所產(chǎn)生的壓力越大，纖維納米纖絲化程度越高[23]相比于高壓均質(zhì)，微射流處理減少了堵塞的程度，可制備得到直徑較為均一的CNF[24]，但如果纖維過(guò)長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生腔體堵塞，采用反沖方式可以解決這一問(wèn)題。2.

實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析使用一定的化學(xué)方法及高剪切機(jī)械方法對(duì)纖維素樣品進(jìn)行預(yù)處理，得到微米級(jí)別的樣品。然后將預(yù)處理后的樣品通過(guò)意大利PSI-20高壓微射流均質(zhì)機(jī)處理，并采用全自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)儀進(jìn)行粒度分析。此次實(shí)驗(yàn)采用均質(zhì)壓力：2000bar，均質(zhì)8次，其結(jié)果如下所示：圖12000bar均質(zhì)壓力下均質(zhì)不同次數(shù)時(shí)纖維素樣品數(shù)量粒徑分布結(jié)果藍(lán)色為均質(zhì)1次的粒徑分布結(jié)果，紅色為均質(zhì)3次的粒徑分布結(jié)果，黑色為均質(zhì)8次的粒徑分布結(jié)果，黃色為原液的粒徑分布結(jié)果。圖1為2000bar均質(zhì)壓力下均質(zhì)不同次數(shù)時(shí)纖維素樣品數(shù)量粒徑分布結(jié)果,結(jié)果通過(guò)AccuSizerA7000系列顆粒計(jì)數(shù)器獲得。從圖中可以看到，在未用微射流均質(zhì)前，樣品在2~50μm處明顯有峰，此外，在0.7~2μm處也有峰。在2000bar下進(jìn)行均質(zhì)，隨著均質(zhì)的進(jìn)行，2~50μm處的峰依次降低（綠色箭頭），0.7~2μm處的峰依次增加（紅色箭頭）。說(shuō)明在經(jīng)過(guò)微射流均質(zhì)處理后粒徑逐漸變小（藍(lán)色箭頭），越來(lái)越多的大的粒徑部分處理成小粒徑。圖2為2000bar均質(zhì)壓力下均質(zhì)不同次數(shù)時(shí)纖維素樣品實(shí)物圖，從圖中可以看到，在原液中明顯有肉眼可見(jiàn)的近似絮狀纖維存在，透明度較低，隨著均質(zhì)的進(jìn)行透明度越來(lái)越高，在2000bar微射流均質(zhì)8次后，得到的樣品有近似淡淡熒光色狀，整體液體狀態(tài)更為細(xì)膩。圖22000bar均質(zhì)壓力下均質(zhì)不同次數(shù)時(shí)纖維素樣品實(shí)物圖表1是均質(zhì)不同次數(shù)下，不同尺寸粒徑濃度。從表1中可知：原液中≥5μm，≥10μm，≥25μm，≥50μm濃度較高，在2000bar微射流均質(zhì)處理8次后其濃度均有數(shù)量級(jí)的降低，說(shuō)明在微射流均質(zhì)的處理下，粒徑進(jìn)一步降低，大尺寸的纖維進(jìn)一步變小。這一結(jié)果也與均質(zhì)后的實(shí)物圖表現(xiàn)一致。AccuSizerA7000系列具有32自定義通道，可根據(jù)需求同一時(shí)間可任意設(shè)定32個(gè)不同尺寸規(guī)格的通道，便于快速對(duì)比均質(zhì)效果。樣品品名≥0.5μm（#/mL）≥1μm（#/mL）≥2μm（#/mL）≥5μm（#/mL）≥10μm（#/mL）≥25μm（#/mL）≥50μm（#/mL）原液158281201176039062419502107594589973686156748均質(zhì)1次440630203051444212967785338287572474530094383均質(zhì)3次63550580382082441091941716933132019896168308均質(zhì)8次72675264341196766862651660896510621939323表22000bar均質(zhì)壓力下均質(zhì)不同次數(shù)時(shí)纖維素樣品數(shù)量粒徑分布結(jié)果匯總2000bar均質(zhì)0次2000bar均質(zhì)1次2000bar均質(zhì)3次2000bar均質(zhì)8次4.

儀器介紹參考資料[1]IKVarma,D.S.V.,MVarma,Thermalbehaviourofcoirfibres[J].Thermochim.Acta,1986.108:199-210.[2]Prashant,K.,Mechanicalbehaviorofjutefibersandtheircomposites[J].IndianJ.Technol,1986.24:29-32.[3]Moothoo,J.,etal.,Astudyofthetensilebehaviourofflaxtowsandtheirpotentialforcompositeprocessing[J].Materials&Design,2014.55:764-772.[4]曲萍,納米纖維素/聚乳酸復(fù)合材料及界面相容性研究[D].北京林業(yè)大學(xué),2013.[5]Wang,F.,etal.,Theeffectofelementaryfibrevariabilityonbamboofibrestrength[J].Materials&Design,2015.75:136-142.[6]DeRosa,I.M.,etal.,Morphological,thermalandmechanicalcharacterizationofokra(Abelmoschusesculentus)fibresaspotentialreinforcementinpolymercomposites[J][7]Graupner,N.,A.S.Herrmann,andJ.Mussig,Naturalandman-madecellulosefibre-reinforcedpoly(lacticacid)(PLA)composites:Anoverviewaboutmechanicalcharacteristicsandapplicationareas[J].CompositesParta-AppliedScienceandManufacturing,2009.40(6):810-821.[8]Czaja,W.K.,etal.,Thefutureprospectsofmicrobialcelluloseinbiomedicalapplications[J].Biomacromolecules,2007.8(1):1-12.[9]ChenQ,LiuP,NanFC,ZhouLJ,ZhangJM.Tuningtheiridescenceofchiralnematiccellulosenanocrystalfilmswithavacuum-assistedself-assemblytechnique[J].

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