納米纖維素的制備工藝：從實驗室到工業(yè)化探索納米纖維素科學的前沿領域

2025-09-02 10:10

納米纖維素(NCC)由于其大量、可再生、可生物降解以及優(yōu)良的力學性能，成為納米技術領域研究的熱點，其在造紙、建筑、汽車、食品、化妝品、電子產(chǎn)品、醫(yī)學等領域有巨大的潛在應用前景。

水解法制備

纖維素的酸水解主要是指稀酸水解，稀酸主要是作用于無定形區(qū)，它不能將纖維素溶解，水解是在兩相中進行，將無定形區(qū)溶解后剩下結晶區(qū)，從而得到結晶度高、結晶結構完整的納米微晶纖維素。

酸水解法制備納米微晶纖維素常用的無機酸有硫酸、鹽酸和磷酸，其中以硫酸的使用最為常見。鹽酸水解產(chǎn)生的納米纖維素有最小的表面電荷，硫酸水解則產(chǎn)生高穩(wěn)定的水溶液懸浮液。會產(chǎn)生大量的廢酸和雜質，對反應設備要求高，且反應后殘留物較難回收，但制備工藝比較成熟，已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

酶解法制備

酶解即利用纖維素酶選擇性酶解無定型纖維素，剩余部分即為纖維素晶體。酶解研究采用較多的原料是木質纖維素、多種細菌纖維素和MCC。可以作為增強劑添加到復合材料中以增加其機械性能。酶解法制備工藝條件溫和，專一性強，且所用的試劑酶與纖維素酶均為可再生資源，因此其對社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，預測酶解法將成為未來研究的熱點。

機械法制備

機械法主要是利用外力，如高剪切、碾磨、微射流、高壓均質和超聲波等物理方法將高等植物的細胞壁破壞，從而使其中的納米纖維素纖維釋放出來；或者是直接將天然纖維束直接破碎成納米級別的纖維素纖維。通過機械法制備NCC，無需化學試劑，對環(huán)境的影響較小，但機械法制備的NCC的粒徑分布較寬。同時，機械法制備所需的設備較特殊，能量消耗高。高壓均質法和化學機械法都屬于機械制備法。

熱壓法制備

使用熱壓法無須合成高分子而且無須分離出半纖維素和木質素，法可制備出纖維間有超強黏結強度的微纖化纖維素。

生物法制備

通過微生物合成的方法制備的纖維素通常被稱為細菌纖維素。與天然植物纖維素相比，細菌纖維素具有超細的網(wǎng)狀纖維結構，每一絲狀纖維由一定數(shù)量的納米級的微纖維組成。細菌纖維素具有生物合成時的可調(diào)控性。因此很容易實現(xiàn)工業(yè)化和商品化。但是細菌纖維素制備過程復雜、耗時長、成本高、價格貴、得率低。

溶劑法制備

通過將非溶劑加入到不斷攪拌的纖維溶液中制備纖維納米顆粒是可行的，并且發(fā)現(xiàn)加入非溶劑的速度越快，形成的NCC顆粒越小。

熱壓法制備

使用熱壓法無須合成高分子而且無須分離出半纖維素和木質素，法可制備出纖維間有超強黏結強度的微纖化纖維素。

離子液體溶解法制備

用離子液體將微晶纖維素部分溶解，然后將其澆鑄成薄膜納米復合材料，制備的薄膜具有均質、透明、高結晶度等特性。

納米材料是近年來新興的一種特殊材料，具有優(yōu)異功能的新納米精細化工品、新納米材料是纖維素科學的前沿領域和熱點。納米纖維素在中國將會發(fā)展成一個大產(chǎn)業(yè)。研究發(fā)展出新型的簡單、綠色、低能耗、快速、高效的制備納米纖維素方成為了廣大科研工作人員研究的熱點。