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（Cellulose nanocrystals，CNC）和纖維素納米纖絲（Cellulose nanofibrils，CNF）。 通過對(duì)纖維原料進(jìn)行化學(xué)或者酶解處理，去除無定形區(qū)可以得到CNC，寬度幾十納米，長度50~500 nm，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]。

通過機(jī)械處理（高速盤磨、高壓均質(zhì)或者微射流處理）可以得到CNF，寬度小于100 nm，長度500 nm以上，長徑比高，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]，以上方法中高速盤磨、高壓均質(zhì)和微射流處理最為常見。

高速盤磨處理是通過超微粒粉碎機(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)，但是在操作過程中長纖維容易堵塞閥門，特別是在串聯(lián)的閥門，必須分解開清洗，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]，但如果纖維過長也會(huì)發(fā)生腔體堵塞，采用反沖方式可以解決這一問題。

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1 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 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 AccuSizer A7000 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2~50 μm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）。說明在經(jīng)過微射流均質(zhì)處理后粒徑逐漸變小（藍(lán)色箭頭），越來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2 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

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。AccuSizer A7000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。

表2 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

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