諾澤流體科技(上海)有限公司
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纖維素是自然界分布最廣、含量最多的一種葡萄糖組成的大分子多糖, 不溶于水及一般有機(jī)溶液,是植物細(xì)胞壁的主要成分。
納米纖維素是通過天然纖維素分離得到的直徑小于 100nm 的纖維聚集體。通過化學(xué)、物理、生物或者幾者結(jié)合的手段從天然纖維原纖維分離得到的直徑是小于 100nm,長度可以達(dá)到微米的纖維聚集體,可再生、可自然分解、化學(xué)性能穩(wěn)定。
納米纖維素的SEM圖
納米纖維素市場規(guī)模不斷擴(kuò)大
近年來由于符合環(huán)保、可持續(xù)化發(fā)展的理念,其市場需求持續(xù)不斷釋放。2020 年全球納米纖維素市場規(guī)模達(dá)到了 21.07 億元,預(yù)計(jì) 2027 年擴(kuò)張至 66.59 億元,復(fù)合年增長率為 21.14%。
木材是納米纖維素主要上游,但由于木材資源短缺,現(xiàn)多用機(jī)械木漿(又稱磨木漿,是機(jī)械方法磨解纖維原料制成的紙漿)作為代替。此制造過程無需化學(xué)品,也不除去木材中的非纖維素成分,因此無污染、得率高且工藝簡單,機(jī)械木漿需求逐步增多。我國紙漿年度累計(jì)進(jìn)口量達(dá)到 3063 萬噸,同比增長 12.6%。
納米纖維素全球規(guī)模(億元)
納米纖維素的特性
納米纖維素相較于天然纖維素特性突出,性能優(yōu)異。
納米纖維素的特性
納米纖維素分類
根據(jù)材料來源、制備方法以及纖維形態(tài)的不同,納米纖維素可以分為纖維素納米纖維(CNF)、纖維素納米晶體(CNC)、細(xì)菌合成納米纖維素(BNC)這三大類。
纖維素納米纖維(Cellulose Nanofibrils,簡稱 CNF),是更纖細(xì)的纖維素纖維,通常由纖維化結(jié)合機(jī)械法精煉而成。CNFs 長徑比高(寬 4~20nm,長 0.5~2μm),纖維素含量為 100%,由無定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)組成。
纖維素納米晶(Cellulose Nanocrystals,簡稱 CNC),是由 CNF 經(jīng)過酸水解后得到的帶狀或晶須狀的顆粒體,纖維素晶須或者纖維素納米晶須。CNCs 長徑比高(寬 3~5nm,長 50~500nm),含有 100%的纖維素,結(jié)晶度高。CNCs 晶體末端由于酸水解變細(xì)而形似晶須。
細(xì)菌納米纖維素(Bacterial Cellulose Particles,簡稱 BNC),簡稱細(xì)菌纖維素,是由從菌體和其生長基中分離出來的細(xì)菌所分泌的微纖絲。細(xì)菌纖維素的長度是微米級的,長徑比大,細(xì)菌纖維素的形態(tài)主要由其種類和培養(yǎng)條件決定
納米纖維素制備工藝
納米纖維素的制備方法有酸水解法、酶水解法、TEMPO-氧化法、高壓微射流均化法、球磨法、高速攪拌法等。按其來源和制備方法可以歸類為化學(xué)法、機(jī)械法、化學(xué)+機(jī)械法,產(chǎn)品的外觀和性能因所用的制備方法的不同而略有差異。
酸水解法是化學(xué)法中最常見的工藝,是通過酸水解除去天然纖維素非晶區(qū)的部分,得到名叫纖維素納米晶須的針狀結(jié)構(gòu)的納米材料,其具有很高的結(jié)晶度、強(qiáng)度和模量且納米纖維素的長度較短。
機(jī)械法制備的納米纖維素通常被稱為 MFC,此產(chǎn)品具有更高的力學(xué)性能、拉伸強(qiáng)度、抗撕裂性能等。
化學(xué)加機(jī)械法是先通過化學(xué)法對纖維素進(jìn)行改性,使其在表面帶上特定的官能團(tuán),然后再通過高壓微射流均化或機(jī)械攪拌等處理來制備納米纖維素。此方法耗能低、設(shè)備要求簡單、在水中的分散性更好且在干燥后能再次的溶解在水中,優(yōu)勢突出。
微射流均質(zhì)機(jī)的作用
微射流均質(zhì)機(jī)是一種利用高壓將物料通過微射流噴嘴噴出,從而實(shí)現(xiàn)物料的超微細(xì)化和均質(zhì)化的設(shè)備。在納米纖維素的制備過程中,微射流均質(zhì)機(jī)通過高壓均質(zhì)作用,能夠有效地將纖維素纖維撕裂成納米級別的纖維,從而提高納米纖維素的得率和質(zhì)量。
微射流均質(zhì)機(jī)設(shè)備性能指標(biāo)
文獻(xiàn)中的微射流均質(zhì)機(jī)應(yīng)用
在文獻(xiàn)《納米纖維素基中性筆墨水的研究》中,作者提到了微射流均質(zhì)機(jī)在納米纖維素制備中的應(yīng)用。文中指出:“所用的微射流高壓均質(zhì)機(jī)的型號為 Noozle MINI 生產(chǎn)廠家為諾澤流體科技(上海)有限公司。物料進(jìn)入該均質(zhì)機(jī),流過單向閥后,在高壓腔泵里加壓。從微米級的噴嘴擠壓噴出,以亞音速撞擊在乳化腔上,同時通過強(qiáng)烈的空穴,剪切效應(yīng),將纖維懸浮液分散到納米尺寸?!?這表明微射流均質(zhì)機(jī)在納米纖維素的制備過程中,能夠有效地將纖維素纖維細(xì)化到納米級別,從而提高納米纖維素的質(zhì)量和得率。
納米纖維素制備與參數(shù)總結(jié)表
微射流均質(zhì)機(jī)在納米纖維素制備中的關(guān)鍵作用總結(jié)
在上述文獻(xiàn)中,微射流均質(zhì)機(jī)被廣泛應(yīng)用于納米纖維素的制備,尤其是在實(shí)現(xiàn)纖維素納米化和提高納米纖維素性能方面發(fā)揮了核心作用。以下是微射流均質(zhì)機(jī)在各篇文獻(xiàn)中的具體作用總結(jié):
酶解結(jié)合高壓均質(zhì)法制備納米纖維素及其再分散性研究:微射流均質(zhì)機(jī)被用來將酶解預(yù)處理后的纖維素進(jìn)一步細(xì)化為納米纖維素。在高壓下,均質(zhì)機(jī)通過微射流噴嘴產(chǎn)生的強(qiáng)大剪切力,有效地將纖維素纖維分割成納米級尺寸,同時確保了所得納米纖維素的均一性和穩(wěn)定性。研究中,均質(zhì)機(jī)設(shè)定在25000 psi的壓力下進(jìn)行4次循環(huán),成功制備出粒徑范圍在200-700nm的納米纖維素。
納米纖維素基中性筆墨水的研究:微射流均質(zhì)機(jī)在此研究中用于將纖維素原料轉(zhuǎn)化為納米纖維素,為后續(xù)制備中性筆墨水奠定基礎(chǔ)。通過在25000 psi的高壓下均質(zhì)4次,實(shí)現(xiàn)了纖維素的納米化,為墨水提供了必要的流變性和書寫性能。
納米纖維素基復(fù)合涂層用于紙張防油疏水的研究:雖然文獻(xiàn)中未具體提及微射流均質(zhì)機(jī)的參數(shù),但這類設(shè)備通常用于將纖維素原料轉(zhuǎn)化為納米級纖維,從而提高涂層材料的性能。微射流均質(zhì)機(jī)在此類應(yīng)用中能夠確保涂層的均勻性和納米纖維素的高分散性,對增強(qiáng)紙張的防油和疏水性至關(guān)重要。
草酸法水解納米纖維素的制備及其應(yīng)用:盡管文獻(xiàn)中沒有詳細(xì)說明微射流均質(zhì)機(jī)的具體參數(shù),但該設(shè)備在草酸水解后用于進(jìn)一步細(xì)化纖維素,制備出具有高結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性的納米纖維素。微射流均質(zhì)機(jī)在這一過程中通過其獨(dú)特的剪切力和空穴效應(yīng),促進(jìn)了納米纖維素的形成。
微射流均質(zhì)機(jī)的優(yōu)勢
高效性:微射流均質(zhì)機(jī)能夠在較短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)纖維素纖維的超微細(xì)化,提高生產(chǎn)效率。
均勻性:通過高壓均質(zhì)作用,微射流均質(zhì)機(jī)能夠使纖維素纖維在納米級別上達(dá)到較高的均勻性,這對于后續(xù)的應(yīng)用至關(guān)重要。
可調(diào)性:微射流均質(zhì)機(jī)的操作參數(shù)如壓力、溫度等可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)節(jié),以適應(yīng)不同的制備需求。
環(huán)保性:與傳統(tǒng)的化學(xué)法相比,微射流均質(zhì)機(jī)在制備納米纖維素的過程中無需使用大量的化學(xué)試劑,減少了對環(huán)境的污染。
微射流均質(zhì)機(jī)在納米纖維素的制備中發(fā)揮著重要作用,其高效、均勻、可調(diào)的特點(diǎn)使其成為納米纖維素工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一。通過合理的操作和參數(shù)調(diào)節(jié),可以有效地提高納米纖維素的質(zhì)量和得率,為納米纖維素的廣泛應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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