纤维素 | 纳米纤维素的生产方法，和从其生产的纳米纤维素组合物

文摘 2025-01-08 08:52 山西

纳米纤维素作为一种新兴的材料，主要以纳米晶体纤维素（NCC）、纳米纤维状纤维素（NFC）和细菌纤维素（BC）等形式存在。它具有独特的物理和化学性质，如高比表面积、高强度、良好的生物相容性和可降解性等。这些特性使其在众多领域展现出广阔的应用前景，成为材料科学领域的研究热点之一。

纳米纤维素在多个领域具有潜在的应用价值。在包装领域，可用于制造可生物降解的食品包装和纸张、纸板包装，减少对环境的污染；在生物医学方面，可应用于伤口愈合、药品和药物递送等，其良好的生物相容性有助于提高治疗效果；在材料科学领域，作为聚合物增强剂，能显著提升材料的性能；在化妆品中，可作为增稠剂使用，改善产品的质地。此外，还可用于制造抗微生物膜、印刷纸、颜料和油墨、阻隔膜、粘合剂、生物复合材料、水溶性聚合物、建筑材料、运输业的可再循环内部和结构部件、流变改性剂、低卡路里食品添加剂、生物活性纸、用于乳液和颗粒稳定的泡沫的皮克林稳定剂、涂料配方、用于光学开关的膜以及洗涤剂等，几乎涵盖了现代工业的各个方面。

钻井液和水力压裂液在油气开采中起着关键作用。钻井液用于冷却钻头、润滑钻柱、悬浮并运输切屑、控制静水压力并维持井壁稳定性，其主要成分包括水或油，以及重晶石、粘土、聚合物等添加剂。水力压裂液则用于增加油井和气井的生产力，通过在油和气形成物内产生并维持裂口，为油气提供流动通道。然而，目前的钻井液和水力压裂液存在一些问题，如部分添加剂可能对环境造成污染，且制备和使用过程中成本较高。此外，虽然基于纤维素的材料已被认为是可能的组分，但尚未有一种经济型方法来生产具有可调整特性的基于纤维素的材料，以满足不同类型的流体和添加剂的需求。

美国阿普艾知识产权控股有限责任公司（申请号：201680067633.1，公布号：CN 108350653 A）在纳米纤维素材料领域取得重要突破。该公司的发明人金佰利・纳尔逊和西奥多拉・瑞特斯纳开发了一种创新的纳米纤维素生产方法。与市场上现有的产品相比，该专利生产的流变改性剂具有更高的热稳定性，能够在油气井的高温环境下保持性能稳定，确保开采过程的安全和高效。其触变品质有助于在流体静止时形成凝胶状结构，防止支撑剂沉淀，而在受到剪切力时又能迅速转变为低粘度流体，便于操作。这些流变改性剂是完全可生物降解的，由生物质产生，对环境友好，减少了对环境的污染，符合可持续发展的要求。在油气开采中使用这些流变改性剂，不仅能够提高开采效率，还能降低对环境的负面影响，实现经济与环境效益的平衡。

制备工艺

1. 原料准备

提供木质纤维素生物质原料，其可选自硬木、软木、森林残余物、农业残余物（如糖蔗渣、玉米秸秆、小麦秸秆、稻秸秆、燕麦秸秆、大麦秸秆、芒属植物、能源甘蔗等）、工业废料、消费者废料或其组合，也可使用木材纸浆。原料可在蒸煮前进行预处理，如润湿或干燥清洁、减小大小（可使用刀片、粉碎机、锤磨机等设备）。

2. 蒸煮反应

在蒸煮器中用包含蒸汽和 / 或热水的反应溶液蒸煮原料。蒸煮温度为 140℃ - 210℃（优选 175℃ - 195℃），蒸煮时间为 5 - 45 分钟（优选 15 - 30 分钟），液体 / 固体重量比为 2 - 6（如 3 - 3.5）。反应溶液可为饱和、过热或过饱和蒸汽及热水，蒸煮器内压力可在 1atm - 30atm 调整，且各相（固相、液相、蒸气相）停留时间可控制（固相停留时间约 2 分钟 - 4 小时，液相停留时间约 2 分钟 - 4 小时，蒸气相停留时间约 1 分钟 - 2 小时），还可在蒸煮后进行热法或冷法喷放减压，并回收热量或处理蒸气。

3. 洗涤

洗涤富含纤维素的固体，去除半纤维素低聚物和 / 或木质素的至少一部分。洗涤温度为 18℃ - 95℃（优选 70℃ - 80℃），可利用加压螺旋压机。洗涤可在喷放阶段与高强度精炼机之间或高强度精炼机之后进行，且可为逆流或并流连续洗涤。

4. 机械处理

包括盘精炼、均化等操作。利用盘或锥形板的高强度精炼单元进行精炼，将能量转移至富含纤维素的固体（20kW / 吨 - 200kW / 吨，优选 75kW / 吨 - 150kW / 吨）。接着在第二高强度精炼单元使洗涤的精炼纤维素固体凝胶化，第二高强度精炼单元也可利用盘或锥形板，且与第一高强度精炼单元在沟槽和挡板尺寸比率上具有不同模式，同样将能量转移至洗涤的精炼纤维素固体（20kW / 吨 - 200kW / 吨，优选 75kW / 吨 - 150kW / 吨）。最后在高剪切均化器中均化，产生的剪切力与 10,000psig - 25,000psig 压力下的剪切力相当。机械处理可使部分或全部富含纤维素的固体原纤化和 / 或凝胶化，处理过程中可通过光学仪器监测，且可调整时间、温度和压力，还可采用如超声处理等技术，精炼可在 2% - 50% 固体稠度下进行。

5. 其他处理

可用一种或多种酶（如纤维素酶）或酸（如二氧化硫、亚硫酸、木质素磺酸、乙酸、甲酸等）处理富含纤维素的固体，也可进行热处理，或不采用任何酶或外部添加的酸。可回收、发酵或进一步处理半纤维素低聚物产生的半纤维素糖（如发酵成乙醇），还可将富含纤维素的固体的一部分水解成葡萄糖，回收并发酵成发酵产物（如正丁醇、1,4 - 丁二醇），同时可回收、燃烧或进一步处理木质素，并且可将纳米纤维素材料化学转化成多种衍生物（如纳米纤维素酯、醚、醚酯、烷基化的纳米纤维素化合物、交联的纳米纤维素化合物、酸官能化的纳米纤维素化合物、碱官能化的纳米纤维素化合物及其组合）。

-作者介绍-

2020年博士毕业，现就职于一所地方高校，主讲《物理化学》课程。

专注→低成本功能材料开发，包括碳材料，疏水/亲水材料，纤维素提取利用，聚氨酯材料的开发与应用，欢迎合作，资助，交流。

邮箱：xidsuo@126.com

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