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剑麻纳米纤维素的制备方法浏览数:92次
纳米纤维素可以按其制备方法来进行分类,不同制备方法的命名也不同,同时其形貌和性能因所用的制备方法的不同而不同。纳米纤维的制备方法有化学方法(酸水解法,酶水解法)、物理方法(高压均化法,球磨法,高速搅拌法等)、化学+物理法(TEMPO-氧化法)。每种制备方法都存在优点或缺点,下面就来具体分析一下他们的优缺点,及其商业化应用的解决办法。重点关注所制备纳米纤维素的形貌、表面电荷、耗能、产率等涉及其应用领域的问题。 1硫酸水解法所制备的纳米纤维素称为纤维素纳米晶须,英文名为CNW、CNC或NCC。其直径因来源不同而不同,如剑麻纤维素纳米晶须的平均直径为9 nm,平均长度为170 nm,而用细菌纤维素制备的直径约为几十纳米,远大于其他来源的纤维素纳米晶须。其制备过程依据的是酸对纤维素非晶区部分的选择性的水解,留下纤维素的晶区部分结构,得到的晶须状纳米材料。其中,酸能够对纤维素的非晶区进行选择性的水解是因为,非晶区结构松散,酸溶液易于进入这个区域;而纤维素的晶区,其结构致密,纤维素分子链间形成规整的排列和氢键的相互作用,导致一般浓度的酸溶液无法进入其内部,无法将其晶区切断。所以,通过酸水解法制备的CNW或CNC在结构上有极高的结晶度,在形貌上保留了其原料纤维素的晶区部分的结构。同时,由于其晶区结晶度极高,纤维素链间高度的取向和规整,分子链间形成极其多的氢键作用,所以CNW或CNC具有非常优异的力学性能,是理想的增强材料。 但其也存在以下缺点,一是其制备的产率低,二是干燥后再分散困难,三是其在疏水性聚合物中的分散性非常差。这几个问题制约了纤维素纳米晶须的发展。关于纤维素纳米晶须产率,在现有的文献报道中,用酸水解法制备的产率也不超过40%。例如, Brito[73]等通过65 wt%硫酸来水解制备纤维素纳米晶须产率最高为30%。关于干燥后再分散问题,纤维素分子链上存在多个羟基,其分子间极易形成氢键的相互作用。同时,CNW在水中时成液晶排列,干燥后其更加紧密的排列到一起,加剧了它们之间的相互作用。所以,现在的纳米纤维素都是分散在水溶液中的,购买也只能是7-10 wt%左右的分散液的形式。纳米粉体的分散问题在增强聚合物中是举足轻重的,处理与基体材料间的界面相互作用,对改性增强的性能有非常大的影响。要解决分散的问题,当然首选的方法就是通过对其表面进行改性。Dufresne[56]等研究了改性的苎麻纤维素纳米晶须来增强聚乙烯。他们先通过将不同脂肪链长的酰氯与纤维素纳米晶须反应,然后将其与聚乙烯进行挤出共混。研究结果表明,将纤维素纳米晶须进行改性后,其在聚乙烯中的分散性得到改散。同时,与未改性的纤维素纳米晶须增强复合材料相比,改性后的复合材料的断裂伸长率得到大幅的提高。 2机械法将植物纤维经过盘磨、高压均值等机械处理得到的直径为几十纳米至几百纳米、长度为数微米的微纤化纤维素,英文名命名为MFC或NFC。机械法制备纳米纤维素的原理为同机械剪切的作用,使天然植物纤维裂解为纳米纤维。机械法制备的优点为工艺简单、不产生有机污染物(如酸、碱、有机溶剂等)。但其缺点也很明显,其制备过程耗能高,生产的纳米纤维直径大,表面不带强亲水性基团等。机械法制备的纳米纤维素有望应用于造纸增强剂、锂电池隔膜等材料方面。 3化学+机械法
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