2018年初發(fā)表于《JOURNAL OF APPLIED POLYMER SCIENCE》雜志上，其中纖維素的納米化過(guò)程由M110Y（主腔體為G10Z，Genizer LLC供應(yīng)）微射流高壓均質(zhì)機(jī)執(zhí)行。

 

圖 微射流高壓均質(zhì)機(jī)應(yīng)用于納米纖維素處理見刊文章

 

圖 纖維素的納米化設(shè)備M110Y（主腔體為G10Z，Genizer LLC供應(yīng)）

 

文章主要內(nèi)容：

納米纖維素 (CNFs) 因其作為改善聚合物基質(zhì)納米復(fù)合材料物理和機(jī)械性能的卓越增強(qiáng)材料的非凡潛力而受到廣泛關(guān)注。來(lái)自北達(dá)科他州當(dāng)?shù)氐纳�物質(zhì)殘留物是這些高價(jià)值結(jié)構(gòu)成分的潛在且豐富的來(lái)源。本研究對(duì)兩種類型的大豆皮、麥稈和軟木粉進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理，然后進(jìn)行機(jī)械原纖化以生產(chǎn) CNF。原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡結(jié)果表明，可以很容易地合成直徑在納米范圍內(nèi)的均勻納米纖維。然后通過(guò)將纖維整合到聚（環(huán)氧乙烷）聚合物基質(zhì)中來(lái)探索納米纖維的增強(qiáng)潛力。從納米復(fù)合材料中觀察到納米纖維的顯著增強(qiáng)效果：納米復(fù)合材料的拉伸模量和屈服強(qiáng)度分別提高了 154% 和 103%。從兩種大豆皮和木粉中提取的 CNF 表現(xiàn)出比傳統(tǒng)木漿基 CNF 更強(qiáng)的增強(qiáng)作用（在模量和屈服強(qiáng)度方面）。與傳統(tǒng)的 CNF 相比，從小麥秸稈中提取的納米纖維強(qiáng)度更高，但模量更低。然而，需要做更多的工作來(lái)提高基于農(nóng)業(yè)殘留物的納米纖維的生產(chǎn)可靠性/可重復(fù)性。Received 8 August 2017; accepted 27 January 2018 DOI: 10.1002/app.46304

 

研究背景：

近年來(lái)，生產(chǎn)和實(shí)施可持續(xù)和環(huán)境友好的材料已成為一個(gè)優(yōu)先事項(xiàng)。1.這一優(yōu)先事項(xiàng)源于有針對(duì)性地減少石油基產(chǎn)品和材料。利用可再生資源或生物資源是解決許多國(guó)際問(wèn)題的一種潛在解決方案，如石油依賴性、空氣和水質(zhì)惡化以及氣候變化。2.纖維素作為地球上最豐富的天然聚合物，是近年來(lái)研究最多的可再生材料之一。纖維素主要是植物細(xì)胞中一壁和次生壁的主要結(jié)構(gòu)成分。3纖維素與半纖維素、木質(zhì)素和果膠一起形成一種天然的生物復(fù)合材料，其組成因生物量來(lái)源的不同而不同。

 

研究思路：

本項(xiàng)研究的主要重點(diǎn)是設(shè)計(jì)一種可持續(xù)的途徑，從美國(guó)中西部北部地區(qū)的農(nóng)業(yè)殘留物中生產(chǎn)納米纖維素，并評(píng)估它們?cè)谛滦图{米復(fù)合材料中的應(yīng)用潛力。大豆殼和小麥秸稈殘留將特別討論，并與傳統(tǒng)的軟豆進(jìn)行比較。將討論對(duì)用于凈化大豆和麥秸稈程序的堿/水解的修改。從大豆殼生物質(zhì)中獲得和純化纖維素也將被利用，并與本研究中生產(chǎn)的純化纖維素進(jìn)行比較。此外，商業(yè)用漂白卡夫紙漿制備的CNFs也用于比較。為了評(píng)估所產(chǎn)生的CNFs的增強(qiáng)電勢(shì)，我們將使用溶劑鑄造技術(shù)將其復(fù)合成聚（環(huán)氧乙烷）。溶劑鑄造是一種廣泛報(bào)道的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模工藝，用于生產(chǎn)熱塑性基CNFs增強(qiáng)納米復(fù)合材料。本文討論的程序利用經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)修改的有記錄的生產(chǎn)技術(shù)，以產(chǎn)生良好或更好的結(jié)果。

納米纖維素制備過(guò)程簡(jiǎn)介：

大豆殼、麥秸稈和松粉生物質(zhì)在實(shí)驗(yàn)室高速轉(zhuǎn)子磨機(jī)(哥倫比亞國(guó)際技術(shù)公司，Irmo，SC)中，以25000RPM的速度研磨，然后通過(guò)美國(guó)100篩(孔徑149m)進(jìn)行篩選。然后收集濾液（細(xì)粒）進(jìn)行進(jìn)一步的纖維素純化。從大豆殼和小麥秸稈中分離纖維素是基于早期報(bào)道的研究中開發(fā)的改良方法。小麥秸稈和大豆殼細(xì)粒首先在80 ℃的2%w/w氫氧化鈉溶液中浸泡2小時(shí)，然后用蒸餾水(DI)大量洗滌。然后用1M的HCL在80 ℃下水化2h，然后再次用DI洗滌。然后將生物質(zhì)浸泡在2%w/w的氫氧化鈉溶液中2h，然后廣泛洗滌。用DI洗滌，用去離子水重復(fù)稀釋，然后過(guò)濾(Whatman定性413)。每一步的生物量與質(zhì)子比為1：10。

木粉粉采用漂白技術(shù)進(jìn)行化學(xué)純化。木粉粉用NaClO2(0.3g/g樣品)在pH值4-5和70 ℃下連續(xù)漂白（5次）2h。在每次成功處理之間，用去離子水洗滌生物質(zhì)，以去除殘留的化學(xué)物質(zhì)和雜質(zhì)。再次用去離子水反復(fù)稀釋，然后過(guò)濾(Whatman定性413)。將得到的純化生物質(zhì)儲(chǔ)存在水條件下，并用重量法測(cè)定水懸浮液的固體含量。

TEMPO介導(dǎo)氧化是一種被廣泛應(yīng)用和研究的技術(shù)，其研究方法與以前的工作類似。從大豆殼、麥草、秸稈、木粉或未接收的Fl-1大豆纖維中純化的生物量（1g）加入含有蒸餾水（100 mL）、節(jié)奏（0.016g)和溴化鈉（0.1g)的溶液中。然后加入2.5%次氯酸鈉(14.88g)溶液，在室溫下攪拌混合物。然后加入0.5M氫氧化鈉溶液，使溶液pH保持在10~11之間。在pH穩(wěn)定后，通過(guò)過(guò)濾(Whatman定性413)收集生物量，并依次用去離子水洗滌直到pH中性。

纖維素納米化使用微流化器高剪切處理器((Microfluidics Corporation, Newton, MA)型M-110Y，配有G10Zz型金剛石相互作用室(Genizer，洛杉磯，CA)。在線壓縮空氣，用于供給強(qiáng)化泵，使用SPX德爾泰空氣干燥器和過(guò)濾器(SPXFLOW, Ocala, FL)干燥。一個(gè)蠕動(dòng)泵(Omega Engineering, Stamford, CT))被安裝在上面連接處理器入口(C)和出口(E)以關(guān)閉回路。下圖顯示了纖維素納米化設(shè)備的照片和納米纖維素納米化過(guò)程的流程圖。

 

圖 纖維素納米化設(shè)備微射流高壓均質(zhì)機(jī)照片和納米纖維素納米化過(guò)程的流程圖

微射流高壓均質(zhì)機(jī)M110Y。(a)增壓器泵、(b)在線空氣供應(yīng)、(c)處理器入口、(d)蠕動(dòng)泵、(e）配備連續(xù)冷卻的處理器出口、(f)交互室壓力監(jiān)測(cè)器和(g)交互容腔G10Z。插圖顯示了納米纖化過(guò)程的流程圖。

 

在水懸浮液（1.5%-2%的纖維素含量）中制備純化和快速處理的纖維素。然后使用蠕動(dòng)泵(D)將該懸浮液通過(guò)微流化器循環(huán)約5-6次，以進(jìn)行纖維素納米化。在此過(guò)程中，相互作用室的壓力范圍為8000~20,000Psi，由于源流不一致，在此范圍內(nèi)基本不可控。纖維素納米化后，將疊氮化鈉以0.01%添加到納米纖維懸浮液中以防止霉菌生長(zhǎng)，并將懸浮液保存在冰箱中以備將來(lái)使用。

 

圖 纖維素經(jīng)微射流高壓均質(zhì)機(jī)處理前后外觀對(duì)比

 

圖 PEO/CNF納米復(fù)合材料的力學(xué)性能及其標(biāo)準(zhǔn)差

 

圖 Genizer微射流金剛石交互容腔

 

結(jié)論：

CNFs由三個(gè)中西部農(nóng)業(yè)殘留物(即小麥秸稈、大豆殼和Fl-1大豆纖維)和木粉采用綜合化學(xué)和機(jī)械方法生產(chǎn)。需要對(duì)文獻(xiàn)中提出的堿浸泡程序進(jìn)行修改，以盡量減少對(duì)本研究中使用的顆粒生物質(zhì)中存在的纖維素的降解。通過(guò)這種方法產(chǎn)生的CNFs，無(wú)論其生物質(zhì)來(lái)源如何，與廣泛使用的木漿基CNFs相比，表現(xiàn)出顯著更高或相當(dāng)?shù)膹?qiáng)化效應(yīng)(小麥秸稈CNF納米復(fù)合材料的模量除外)。四種生物質(zhì)中，F(xiàn)I-1大豆整體強(qiáng)化最好，小麥秸稈整體強(qiáng)化最差。研究發(fā)現(xiàn)，所產(chǎn)生的cnf的純度是控制加固效應(yīng)的一個(gè)重要因素，特別是由于其缺陷相關(guān)性質(zhì)而導(dǎo)致的失效應(yīng)變/強(qiáng)度。這些結(jié)果表明，本文所采用的纖維素純化技術(shù)和機(jī)械處理可以從低價(jià)值的農(nóng)業(yè)殘留物中生產(chǎn)高質(zhì)量的CNFs。這可能會(huì)為許多作物及其殘留物帶來(lái)新的收入來(lái)源。未來(lái)的工作將是重點(diǎn)是調(diào)整化學(xué)反應(yīng)條件，以提高生產(chǎn)的cnf的純度。