纤维素 | 纳米纤维素制备工艺及其特征

文摘   2025-01-01 08:11   山西  

纳米纤维素
纤维素广泛存在于植物细胞壁、细菌、藻类等生物体中,是植物细胞壁的主要成分,在木材、竹子、棉花等生物质材料中含量丰富,不同生物质材料的纤维素含量有所差异。纤维素是由 β(1,4) 糖苷键连接葡萄糖单元形成的线性聚合物,分子链上的葡萄糖单元含有三个羟基,这些羟基形成的氢键对纤维素的性质有重要影响。纤维素存在结晶和无定形两种区域,其结晶结构有多种类型,结晶度与纤维素基材料的物理化学性质和应用密切相关。

纳米纤维素因其纳米级别的尺寸效应,在多个领域展现出优异的性能,如在材料增强、生物医学、能源存储等方面具有广泛的应用前景。其独特的结构和性能特点使其成为当前材料科学领域的研究热点之一。

纳米纤维素是指至少有一维尺寸在纳米级别的纤维素材料,通常分为纤维素纳米纤维(CNF)、纤维素纳米晶体(CNC)和细菌纤维素(BC)等类型。

纤维素纳米纤维(CNF)
CNF 可从各种木材及非木材生物质材料中获取,通过机械方法(如高压均质化、高强度超声处理、高速搅拌等)直接从植物细胞壁中提取,这些方法能在一定程度上保留纤维素的天然结构。其直径一般小于 100nm,长度在微米范围,具有较高的弹性模量。

性能特点:CNF 具有可再生、低密度、高比模量和强度的特性,且表面丰富的羟基使其易于进行表面改性,是构建高性能宏观材料的理想纳米材料。

纤维素纳米晶体(CNC)
CNC 通常由酸水解纤维素的无定形区域得到,水解过程使无定形部分溶解,留下高度结晶的部分,其长度约为 150 - 200nm,宽度约为 5nm。

性能特点:CNC 具有较高的机械强度和模量,可作为纳米填料用于改善聚合物基质的机械性能,是一种很有潜力的天然增强纤维。

细菌纤维素(BC)
BC 由细菌通过 “自下而上” 的生物合成过程产生,与传统的植物来源纤维素不同,其合成过程受到细菌代谢的调控。

独特特点:具有独特的物理化学性质,如高纯度、高结晶度、良好的吸水性和生物相容性等,在生物医学、食品工业等领域有潜在应用价值。

纳米纤维素制备主要工艺及其特点

机械法制备 CNF 的特点

高压均质化
    • 优点

    • 能够有效保留纤维素的天然结构和化学组成,使制备的 CNF 具有较高的结晶度和良好的力学性能,接近纤维素原材料的本征性能。

    • 可处理不同来源和类型的纤维素原料,适应性强,能从木材、植物纤维等多种生物质中制备 CNF。

    • 通过调整均质化的压力、次数等参数,可以在一定程度上控制 CNF 的尺寸和形态,获得较为均匀的纳米纤维。

      • 缺点
      • 设备昂贵,需要高压设备来提供强大的剪切力,投资成本高。
        能耗极大,在高压均质过程中需要消耗大量的能量,导致生产成本增加。
        产量相对较低,每次处理的原料量有限,难以实现大规模工业化生产。

      高强度超声处理
        • 优点
        • 操作相对简单,设备易于搭建和操作,不需要复杂的预处理过程。
        • 可以在温和的条件下进行,对纤维素的化学结构破坏较小,有利于保持纤维素的性能。
        • 能够在较短时间内实现纤维素纤维的纳米化,制备效率较高。

          • 缺点
          • 处理量较小,适合实验室小规模制备,难以满足大规模工业生产的需求。
            超声处理过程中可能会产生局部过热现象,对纤维素结构造成一定程度的热损伤,影响产品质量。
            制备的 CNF 尺寸分布可能较宽,均匀性相对较差,需要进一步优化处理条件以提高产品的一致性。

          高速搅拌
          优点
          1. 设备成本低,相较于高压均质化等设备,高速搅拌设备价格较为亲民,易于获取和维护。
          2. 操作简便,对操作人员的技术要求不高,可在常规实验室或工业生产环境中进行。
          3. 可以通过调整搅拌速度、时间和搅拌桨的设计等参数,在一定范围内控制 CNF 的尺寸和形态。


          缺点
          1. 制备的 CNF 质量相对较低,其尺寸和性能的均匀性不如高压均质化等方法,可能含有较多未完全纳米化的纤维束。
          2. 搅拌过程中可能会引入杂质,影响产品纯度,需要对原料和设备进行严格的清洁和预处理。
          3. 能耗较高,长时间高速搅拌需要消耗大量电能,增加生产成本。


          化学法制备 CNC 的特点

          酸水解法
          优点
          • 能够精确控制 CNC 的尺寸和结晶度,通过调整酸的种类、浓度、水解温度和时间等参数,可以制备出具有特定尺寸和性能的 CNC,满足不同应用的需求。
          • 制备的 CNC 具有较高的纯度和结晶度,其结晶结构完整,力学性能优异,可作为高性能的纳米增强材料。
          • 可以利用多种纤维素原料进行制备,包括木材浆、棉花、农业废弃物等,原料来源广泛。

          • 缺点
          • 会产生大量酸性废水,对环境造成严重污染,需要复杂的废水处理工艺,增加了生产成本和环境压力。

          • 酸水解过程可能会对纤维素的分子结构造成一定程度的破坏,影响 CNC 的某些性能,如表面化学性质和热稳定性。

          • 反应条件较为苛刻,需要在严格控制的温度、酸度和时间条件下进行,操作过程具有一定危险性,对设备的耐腐蚀性要求较高。

          生物合成法制备细菌纤维素(BC)的特点

          优点
          • 合成的 BC 具有高纯度,不含木质素等杂质,化学结构均匀,性能稳定。
          • 具有高结晶度和良好的力学性能,其纤维结构规整,强度和模量较高,可用于制备高强度的材料。
          • 生物相容性良好,在生物医学领域具有潜在的应用价值,如组织工程支架、伤口敷料等。
          • 生产过程相对环保,利用细菌的代谢过程合成纤维素,不需要使用大量的化学试剂,减少了对环境的污染。

          • 缺点
          • 细菌培养过程需要严格控制培养条件,包括温度、pH 值、营养物质浓度等,对生产环境要求较高,增加了生产成本和技术难度。

          • 产量相对较低,细菌生长速度较慢,导致 BC 的生产效率不高,难以满足大规模工业应用的需求。

          • 生产成本较高,培养细菌所需的培养基和设备成本较高,且生产周期较长,进一步推高了产品成本。

          -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
          爱折腾、爱学习、有一颗好奇的心,知上进,懂感恩的科学工作者。
          愿望是拥有足够的科研经费按自己喜欢的方式折腾
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