微射流高壓均質(zhì)機(jī)應(yīng)用于納米纖維素處理

 

2018年初發(fā)表于《JOURNAL OF APPLIED POLYMER SCIENCE》雜志上，其中纖維素的納米化過程由M110Y（主腔體為G10Z，Genizer LLC供應(yīng)）微射流高壓均質(zhì)機(jī)執(zhí)行。

 

圖 微射流高壓均質(zhì)機(jī)應(yīng)用于納米纖維素處理見刊文章

 

圖 纖維素的納米化設(shè)備M110Y（主腔體為G10Z，Genizer LLC供應(yīng)）

 

文章主要內(nèi)容：

納米纖維素 (CNFs) 因其作為改善聚合物基質(zhì)納米復(fù)合材料物理和機(jī)械性能的卓越增強(qiáng)材料的非凡潛力而受到廣泛關(guān)注。來自北達(dá)科他州當(dāng)?shù)氐纳�物質(zhì)殘留物是這些高價值結(jié)構(gòu)成分的潛在且豐富的來源。本研究對兩種類型的大豆皮、麥稈和軟木粉進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理，然后進(jìn)行機(jī)械原纖化以生產(chǎn) CNF。原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡結(jié)果表明，可以很容易地合成直徑在納米范圍內(nèi)的均勻納米纖維。然后通過將纖維整合到聚（環(huán)氧乙烷）聚合物基質(zhì)中來探索納米纖維的增強(qiáng)潛力。從納米復(fù)合材料中觀察到納米纖維的顯著增強(qiáng)效果：納米復(fù)合材料的拉伸模量和屈服強(qiáng)度分別提高了 154% 和 103%。從兩種大豆皮和木粉中提取的 CNF 表現(xiàn)出比傳統(tǒng)木漿基 CNF 更強(qiáng)的增強(qiáng)作用（在模量和屈服強(qiáng)度方面）。與傳統(tǒng)的 CNF 相比，從小麥秸稈中提取的納米纖維強(qiáng)度更高，但模量更低。然而，需要做更多的工作來提高基于農(nóng)業(yè)殘留物的納米纖維的生產(chǎn)可靠性/可重復(fù)性。Received 8 August 2017; accepted 27 January 2018 DOI: 10.1002/app.46304

 

研究背景：

近年來，生產(chǎn)和實施可持續(xù)和環(huán)境友好的材料已成為一個優(yōu)先事項。1.這一優(yōu)先事項源于有針對性地減少石油基產(chǎn)品和材料。利用可再生資源或生物資源是解決許多國際問題的一種潛在解決方案，如石油依賴性、空氣和水質(zhì)惡化以及氣候變化。2.纖維素作為地球上最豐富的天然聚合物，是近年來研究最多的可再生材料之一。纖維素主要是植物細(xì)胞中一壁和次生壁的主要結(jié)構(gòu)成分。3纖維素與半纖維素、木質(zhì)素和果膠一起形成一種天然的生物復(fù)合材料，其組成因生物量來源的不同而不同。

 

研究思路：

本項研究的主要重點是設(shè)計一種可持續(xù)的途徑，從美國中西部北部地區(qū)的農(nóng)業(yè)殘留物中生產(chǎn)納米纖維素，并評估它們在新型納米復(fù)合材料中的應(yīng)用潛力。大豆殼和小麥秸稈殘留將特別討論，并與傳統(tǒng)的軟豆進(jìn)行比較。將討論對用于凈化大豆和麥秸稈程序的堿/水解的修改。從大豆殼生物質(zhì)中獲得和純化纖維素也將被利用，并與本研究中生產(chǎn)的純化纖維素進(jìn)行比較。此外，商業(yè)用漂白卡夫紙漿制備的CNFs也用于比較。為了評估所產(chǎn)生的CNFs的增強(qiáng)電勢，我們將使用溶劑鑄造技術(shù)將其復(fù)合成聚（環(huán)氧乙烷）。溶劑鑄造是一種廣泛報道的實驗室規(guī)模工藝，用于生產(chǎn)熱塑性基CNFs增強(qiáng)納米復(fù)合材料。本文討論的程序利用經(jīng)過實驗修改的有記錄的生產(chǎn)技術(shù)，以產(chǎn)生良好或更好的結(jié)果。

納米纖維素制備過程簡介：

大豆殼、麥秸稈和松粉生物質(zhì)在實驗室高速轉(zhuǎn)子磨機(jī)(哥倫比亞國際技術(shù)公司，Irmo，SC)中，以25000RPM的速度研磨，然后通過美國100篩(孔徑149m)進(jìn)行篩選。然后收集濾液（細(xì)粒）進(jìn)行進(jìn)一步的纖維素純化。從大豆殼和小麥秸稈中分離纖維素是基于早期報道的研究中開發(fā)的改良方法。小麥秸稈和大豆殼細(xì)粒首先在80 ℃的2%w/w氫氧化鈉溶液中浸泡2小時，然后用蒸餾水(DI)大量洗滌。然后用1M的HCL在80 ℃下水化2h，然后再次用DI洗滌。然后將生物質(zhì)浸泡在2%w/w的氫氧化鈉溶液中2h，然后廣泛洗滌。用DI洗滌，用去離子水重復(fù)稀釋，然后過濾(Whatman定性413)。每一步的生物量與質(zhì)子比為1：10。

木粉粉采用漂白技術(shù)進(jìn)行化學(xué)純化。木粉粉用NaClO2(0.3g/g樣品)在pH值4-5和70 ℃下連續(xù)漂白（5次）2h。在每次成功處理之間，用去離子水洗滌生物質(zhì)，以去除殘留的化學(xué)物質(zhì)和雜質(zhì)。再次用去離子水反復(fù)稀釋，然后過濾(Whatman定性413)。將得到的純化生物質(zhì)儲存在水條件下，并用重量法測定水懸浮液的固體含量。

TEMPO介導(dǎo)氧化是一種被廣泛應(yīng)用和研究的技術(shù)，其研究方法與以前的工作類似。從大豆殼、麥草、秸稈、木粉或未接收的Fl-1大豆纖維中純化的生物量（1g）加入含有蒸餾水（100 mL）、節(jié)奏（0.016g)和溴化鈉（0.1g)的溶液中。然后加入2.5%次氯酸鈉(14.88g)溶液，在室溫下攪拌混合物。然后加入0.5M氫氧化鈉溶液，使溶液pH保持在10~11之間。在pH穩(wěn)定后，通過過濾(Whatman定性413)收集生物量，并依次用去離子水洗滌直到pH中性。

纖維素納米化使用微流化器高剪切處理器((Microfluidics Corporation, Newton, MA)型M-110Y，配有G10Zz型金剛石相互作用室(Genizer，洛杉磯，CA)。在線壓縮空氣，用于供給強(qiáng)化泵，使用SPX德爾泰空氣干燥器和過濾器(SPXFLOW, Ocala, FL)干燥。一個蠕動泵(Omega Engineering, Stamford, CT))被安裝在上面連接處理器入口(C)和出口(E)以關(guān)閉回路。下圖顯示了纖維素納米化設(shè)備的照片和納米纖維素納米化過程的流程圖。

 

圖 纖維素納米化設(shè)備微射流高壓均質(zhì)機(jī)照片和納米纖維素納米化過程的流程圖

微射流高壓均質(zhì)機(jī)M110Y。(a)增壓器泵、(b)在線空氣供應(yīng)、(c)處理器入口、(d)蠕動泵、(e）配備連續(xù)冷卻的處理器出口、(f)交互室壓力監(jiān)測器和(g)交互容腔G10Z。插圖顯示了納米纖化過程的流程圖。

 

在水懸浮液（1.5%-2%的纖維素含量）中制備純化和快速處理的纖維素。然后使用蠕動泵(D)將該懸浮液通過微流化器循環(huán)約5-6次，以進(jìn)行纖維素納米化。在此過程中，相互作用室的壓力范圍為8000~20,000Psi，由于源流不一致，在此范圍內(nèi)基本不可控。纖維素納米化后，將疊氮化鈉以0.01%添加到納米纖維懸浮液中以防止霉菌生長，并將懸浮液保存在冰箱中以備將來使用。

 

圖 纖維素經(jīng)微射流高壓均質(zhì)機(jī)處理前后外觀對比

 

圖 PEO/CNF納米復(fù)合材料的力學(xué)性能及其標(biāo)準(zhǔn)差

 

圖 Genizer微射流金剛石交互容腔

 

結(jié)論：

CNFs由三個中西部農(nóng)業(yè)殘留物(即小麥秸稈、大豆殼和Fl-1大豆纖維)和木粉采用綜合化學(xué)和機(jī)械方法生產(chǎn)。需要對文獻(xiàn)中提出的堿浸泡程序進(jìn)行修改，以盡量減少對本研究中使用的顆粒生物質(zhì)中存在的纖維素的降解。通過這種方法產(chǎn)生的CNFs，無論其生物質(zhì)來源如何，與廣泛使用的木漿基CNFs相比，表現(xiàn)出顯著更高或相當(dāng)?shù)膹?qiáng)化效應(yīng)(小麥秸稈CNF納米復(fù)合材料的模量除外)。四種生物質(zhì)中，F(xiàn)I-1大豆整體強(qiáng)化最好，小麥秸稈整體強(qiáng)化最差。研究發(fā)現(xiàn)，所產(chǎn)生的cnf的純度是控制加固效應(yīng)的一個重要因素，特別是由于其缺陷相關(guān)性質(zhì)而導(dǎo)致的失效應(yīng)變/強(qiáng)度。這些結(jié)果表明，本文所采用的纖維素純化技術(shù)和機(jī)械處理可以從低價值的農(nóng)業(yè)殘留物中生產(chǎn)高質(zhì)量的CNFs。這可能會為許多作物及其殘留物帶來新的收入來源。未來的工作將是重點是調(diào)整化學(xué)反應(yīng)條件，以提高生產(chǎn)的cnf的純度。