微射流均質(zhì)機(jī)在納米纖維素制備中的應(yīng)用

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

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

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(jí)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(duì)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)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(jí)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)

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(hào)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(jí)的噴嘴擠壓噴出，以亞音速撞擊在乳化腔上，同時(shí)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(jí)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

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)：

1. 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(jí)尺寸，同時(shí)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。

2. 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。

3. 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(jí)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(duì)增強(qiáng)紙張的防油和疏水性至關(guān)重要。

4. 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)在納米纖維素的制備過程中扮演了不可或缺的角色，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)纖維素的高效納米化，還能保證納米纖維素的均勻性和穩(wěn)定性，對(duì)于提升納米纖維素在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的性能至關(guān)重要。通過精確控制均質(zhì)機(jī)的參數(shù)，如壓力和循環(huán)次數(shù)，研究人員能夠定制納米纖維素的粒徑和形態(tài)，以滿足特定應(yīng)用的需求。

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(shí)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(jí)別上達(dá)到較高的均勻性，這對(duì)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(duì)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)。