微纤化纤维素及其微射流技术研究进展
2018-09-07 16:09:52
植物纤维从结构上看类似于“电缆”，由约36条纤维素分子链构成原细纤维（elementary fibrils），而不同种类植物纤维的原细纤维直径也不尽相同，一般在3～5nm左右，也有说在1.5～3nm左右。需要说明的是，构成原细纤维纤维素分子链的准确数目至今没有得到实验的证实，而有关的研究也一直没有间断。纤维素分子链中的每个葡萄糖单元含有3个游离羟基，其中C2、C3位上的游离羟基为仲醇羟基，C6位上的游离羟基为伯醇羟基。纤维素分子上游离羟基的存在，使得纤维素可以发生包括氧化、酯化、醚化、接枝共聚等多种化学反应，这为纤维素的改性利用提供了化学基础。纤维素分子链中C6位上的游离羟基反应活性较高，特别是在酯化反应中，而C2位游离羟基则在醚化反应中的反应活性较高。根据纤维素分子链的聚集状态，又形成了纤维素分子链有序排列的结晶区和无序排列的非结晶区。结晶区纤维素分子链有良好的取向性，分子链间排列紧密整齐，分子间结合力好，对纤维物理强度贡献较大，纤维素结晶区的密度约为1.59g/cm3。非结晶区纤维素分子链取向性较差，分子链间排列松弛无序，分子间结合力也较差，纤维素非结晶区的密度约为1.5g/cm3。通常结晶区纤维分布在原细纤维的内层，而非结晶区纤维存在于原细纤维的外层。若干原细纤维通过半纤维素的连接又构成了直径10～20nm左右、且具有网状结构的微细纤维（microfibrils）。若干微细纤维又进一步构成细纤维（fibrils或fiber），针叶木细纤维长度一般在3mm左右，阔叶木细纤维长度一般在1mm左右。
按照ISO/TS 27687—2008有关纳米纤维的定义，纤维任意两个维度尺寸相近（尺寸相差3倍以内），且均处于纳米尺度范围（1～100nm），而第三维度远大于其余维度（尺寸相差3倍以上）的纤维称之为纳米纤维。近年来，随着纳米技术的不断发展，各学科间的交叉和联系也越来越大，纳米纤维这一概念也不再局限于某一个单一学科，因此，有关纳米纤维素（nanocellulose，NC）的研究也随之兴起。目前纳米纤维素并没有统一或官方的准确定义，只是在很多文献报道中提到纤维素纤维三个维度之中任一维度处于纳米尺度范围（1～100nm）的纤维均可称之为纳米纤维素。
纳米纤维素根据原料来源以及功能特性可以大致分为3个类别：纳米微晶纤维素（nanocrystal cellulose，NCC）、纳米纤化纤维素（nanofibrillated cellulose，NFC）以及细菌纳米纤维素（bacterial nanocellulose，BNC），表1为纳米纤维素的一般尺寸。有关纳米纤维素的制备方法多种多样，且不断有新的方法被提出，因此，对纳米纤维素进行归类或者定义，应该主要考虑从纳米纤维素的特性出发。美国纸浆与造纸工业技术协会（TAPPI）根据纳米纤维素的特性将其分了为两大类：纳米纤维（nanofiber）和纳米结构材料（nanostructure material），其中纳米纤维包括纤维素纳米晶体（cellulose nanocrystal，CNC）和纤维素纳米纤丝（cellulose nanofibril，CNF），纳米结构材料包括纤维素微晶体（cellulose micocrystal，CMC）和纤维素微纤丝（cellulose microfibril，CMF）。
MFC的制备通常是以高强度机械处理为主，辅以必要的预处理以降低机械处理的能耗，提高制备效率。下面介绍微射流处理这种新型的方式。
微射流处理的作用原理是通过一个增压泵将浆料悬浮液在高压状态下泵入一个细小的Z型管道（0.2～0.4mm）中，浆料在管道中受到高速剪切和巨大的撞击力作用，通过多次重复这一过程即可制得MFC。通常微射流处理物料质量分数在0.7%～1.8%左右，微射流处理压力一般在69～310MPa不等，微射流处理循环次数一般在1～30次左右。有报道称微射流处理的剪切速率可以高达107s–1，此外，与高压均质处理相比，微射流处理一般在较高的压力条件下进行，所制得MFC直径更小，尺寸也更加均一。LEE等以微晶纤维素为原料，采用微射流处理在137.9MPa 的压力下制备MFC，考察了不同循环次数（1～20次）对MFC 纤维形态的影响。实验结果表明：循环10～15次时，纤维长径比逐渐增加，而进一步循环至20次时，纤维出现絮聚现象，他们认为这是由于纤维比表面积增加以及MFC 纤维表面羟基密度增加，导致纤丝之间的作用增强。FERRER等以3种不同的棕榈果茎纤维为原料，采用PFI磨浆与微射流处理结合的方式制备MFC。实验结果表明：微射流处理制备的MFC，纤维形态较均一，且以本色浆为原料制得的MFC比以漂白浆为原料制得的MFC性能更加优良。
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