木质纤维素基纳米材料高压均质研究
2018-04-20 14:32:36
2010年来，我国木材消耗量每年增加约900万ｍ３，据此计算，当前我国年消耗木材达３亿ｍ３，到2018年供需缺口将至4.4亿立方米，到2020年将升至7.4亿立方米，供需矛盾极其尖锐。资源短缺己成为当前木材供需矛盾的根本原因。中国森林蓄积量仅占世界森林总蓄积量的2.9％，远未满足我国人民的基本需求；特别是随着我国经济的高速发展，木材及其制品的消费逐年增大，而扩大进曰虽然在短期内可缓解木材供需矛盾，但国际市场上的木材资源也己非常有限，如马来西亚、印尼等国己相继限制原木出曰，因此，过分依赖进曰势必造成用汇压力加大，国内外后续资源供给能力严重不足。为解决此严重的结构性矛盾，发展人工速生林并高效利用该部分木材资源成为一个可行的战略途径。当前，我国的人工速生林面积已居世界，人工林木材占我国木材总供给量的比例己过50％；预计到2018年左右，人工商品材供应率将达到70％。常见的速生树种木材有杨木、落叶松、杉木和校木等，但它们均具有强度低、缺陷多、密度小等缺点，使之难以被高效利用。因此，采用合适技术，实现这些低质木材的高附加值利用具有深远的战略意义。
近年来，纳米技术快速发展，推动了木材科技的进步。无机纳米物质被探索应用到木材性能改良领域，通过其与木材的纳米复合，改善了木材的部分常规耐久性能并常赋予木材一定的功能特性：如利用溶胶一凝胶法、水热合成法、化学浴法、气相沉积法等方法，在木材表面或内部产生无机纳米ＳiO2、TiO２、ZnO、ＣａCO３等，并借助它们的纳米效应赋予木材诸如疏水、光催化、高抗菌、抗紫外等特殊功能，使被改性木材即木材－无机纳米复合材料呈现出诱人的广阔应用前景。然而，无机纳米物质往往难单独有效改善木材（尤其低质木材）的力学性能，故其改性木材多应用在对木材力学性能无较高要求的领域。材料复合纳米化已成为现代材料发展的必然趋势。有机体与无机体通过复合形成的有机-无机纳米复合材料是性质迴异的有机和无机两相材料在纳米甚至分子水平上实现高精度复合形成的新材料，因其集无机相的刚性、硬度、耐磨、尺寸稳定性、热稳定性和有机相的初性、加工性，及两相纳米尺度复合下的协同效应所赋予的独特性能于一体，且形态和性能可在相当大的范围内调节，显示较传统复合材料更优异的力学性能、耐久性，甚至具有独特的功能与智能特性（如离透明性、高阻隔性、疏水性、灵敏的刺激响应特性等），在力、热、光、电磁和生物学等领域都呈现诱人的应用前景，故而成为当前材料科学的热点研究领域。若将该类材料的纳米复合技术成功引入木材性能改良领域，有望借助木材、有机体与无机体三者的均匀纳米复合及协同效应，同步赋予木材有机体和无机体的优点，使被改性木材获得高强的机械性能、优良的耐久性，甚至某些功能或智能特性。因此，从纳米科技与木材科学深度交叉渗透的必然趋势看，有机-无机材料与木材的纳米复合无疑是木材性能改良的潜在发展方向之一。
仪器和原料
扫描电子显微镜型号S4800（日本日立公司）；胶体电荷测定仪PCD-03（德国Ｍütek公司）；傅里叶变换红外光谱仪VECTOR-22（德国Bruker公司）；Ｘ射线衍射仪D/max2200DC（日本理学株式会社）；同步热分析仪STA449F3（德国耐驰）；高压均质机NanoDeBEE45-4(苏州微流纳米生物技术有限公司)。
紫穗槐、杨木、桑枝、麦语杆，试材取自泰安市郊。利用植物粉碎机将木粉粉碎至100-120目，清洗干净，绝干后室温下储存备用。甲苯，天津市凯通化学试剂有限公司，分析纯；无水乙醇和氢氧化钾，天津市凯通化学试剂有限公司，分析纯；冰己酸，天津市凯通化学试剂有限公司，分析纯；亚氯酸钠，天津市大茂化学试剂厂，化学纯试剂。
试验方法
称取各种生物质粉末绝干重2.5ｇ，置于索氏提取器中，利用体积比为2：1的苯－己醇溶液（体积比为2：1）在90℃下抽提6ｈ，脱除抽提物。然后利用亚氯酸钠在酸性条件下（pH4-5，冰醋酸调节）处理6h（每次1ｈ，重复6次）脱除木质素，制得综纤维素。接下来，利用2ｗt％氧氧化钾在90℃下处理综纤维素2h以脱除其中的大部分半纤维素。然后利用亚氯酸钠在酸性条件下（pH4-5，冰醋酸调节）处理样品2h，并进一步利用5ｗt％氧氧化钾在90℃下对获得的样品进行纯化处理2h，制得化学纯化纤维素。整个过程保持水润湿状态，防止纤维素团聚。
将制得的纯化纤维素配制成质量浓度为化0.3％的水悬浊液，置于高速研磨机中，磨盘间隙－5，在转速为1500r/min下研磨10次，然后将研磨处理后的纤维素悬浊液倒入高巧均质机中，设置均质压力1800bar，均质处理10次，得到分散均匀的纳米纤维素悬浊液。
试验结果
以紫穗槐、麦秸秆、杨木和桑枝为原料，采用机械处理方法分别制得纳米纤维素；其中，紫穗槐纳米纤维素直径为7-14nm，长径比大于1000；麦程杆纳米纤维素直径为15-25nm，长径比大于100；杨木纳米纤维素直径约5-30nm，长径比大于200；桑枝纳米纤维素直径为15-25nm，长径比大于100。整体而言，相同机械方法和工艺下，紫穗槐纳米纤维素的结构更加精细均匀。
以紫穗槐、杨木和棉花纤维为原料，采用碱性TEMPO／NaCLO／NaBr氧化体系预处理，可分别制得具有精细结构的纳米纤维素；其中，紫穂槐纳米纤维素直径为2-4nm，长径比大于1000；杨木纳米纤维素直径约3-6nm，长径比大于400；棉花纳米纤维素直径为3-7nm，长径比大于300。整体而言，相同TEMPO氧化处理条件下，紫穗槐所得纳米纤维素的结构更加精细均匀，与机械法制得的纳米纤维素结果相似，但比其结构更加精细均匀，表明碱性TEMPO氧化体系预处理的有效性。综合比较机械处理和碱性ＴＥＭＰＯ氧化预处理两种不同方法制得的纳米纤维素精细结构，均以紫穗槐所得纳米纤维素直径更精细均匀、长径比更高。
以紫穗槐为研究对象，采用中性TEMPO／NaClO／NaClO2氧化体系预处理，可制得直径15-36nm，长径比大于100的纳米纤维素，但较碱性TEMPO氧化体系制得的纳米纤维素的精细结构差，说明该法效果不及碱性TEMPO氧化体系。
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木材基和木质纤维素基纳米复合材料研究_董晓英.pdf |
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