用球磨法从针叶木浆中制备纤维素纳米微纤外文翻译资料

用球磨法从针叶木浆中制备纤维素纳米微纤

摘要：这篇论文报道了在常温常压下通过一种简单的球磨技术从针叶木浆中制备出纤维素纳米微纤。对球磨条件的影响包括球磨子与纤维素质量比、球磨时间、球磨子的大小以及碱预处理等进行了研究。研究发现，为了获得纤维形态而非颗粒物，球磨子的大小需要谨慎地选取。球磨时间和球磨子与纤维素的质量比对于控制纤维素形态同样很重要。碱预处理有助于减弱纤维丝间的氢键作用并能除去小颗粒，但有可能破坏纤维形态。在这样一个过程中，通过一种温和的机械球磨条件，即使用直径为0.4-0.6mm的铈掺杂氧化锆的球磨子在没有碱预处理的情况下球磨1.5h，可以获得平均直径为100nm的纤维素纳米微纤。

关键词：纤维素纳米微纤 球磨 针叶木浆 单因素分析

一、介绍

纤维素纳米微纤被公认为是可持续纳米材料的一个新成员。它是一条很长的丝状物，横向尺寸不少于100nm，纵向尺寸有几微米。它被发现在这样一些领域比如组织工程、创伤敷料、过滤介质、电子装置、碳纳米纤维产品以及疏水涂层等都有广泛的应用。为了实现纤维素纳米微纤更大范围的应用，找到一种快速、经济的生产方法是很关键的。

在过去的几十年里，从再生纤维素和天然原料生产纤维素纳米微纤出现了各种各样的方法，包括静电纺丝法、生物合成法以及机械分离法等。一些已经出版的综述论文对这些方法也进行了比较。传统针式静电纺丝技术使用了有毒的溶剂，产率很低，需要较高的电压，结晶度也很低。生物合成法通过细菌生产的纳米微纤有着很窄的直径分布、高纵横比和高结晶度，但它的缺点是需要严苛、昂贵的生产条件，细菌不同代间的重复性很低以及复杂的后处理纯化工艺。

Abdul Khalil et al 于2014年回顾了用于制备纤维素纳米微纤的机械处理法。在这些方法中，高压均质化已经被广泛地用于从植物中分离纤维素纳米微纤。在这种方法中，原料纤维素先浸泡于水中而后在1500bar的高压均质机中进行高速搅拌，由此可以生产出直径在5nm到1um之间的纤维。但缺点是能量消耗太大，而且纤维集聚会挡住均质机中的小缝隙，导致生产过程的过早终止。为了缩短过程时间以及减少能量消耗，预处理经常被用于机械处理法中，包括低温粉碎、碱预处理以及TEMPO氧化等。但是，碱预处理减少了纤维素纳米微纤的强度，TEMPO氧化显著降低了纳米微纤的热分解点以及它的力学强度。酶预处理可以减少均质化的次数，但预处理本身就是一个复杂的过程。因此，寻找高效生产纤维素纳米微纤的可替代方法是很有必要的。

球磨是一种自上而下的技术，通过引起材料内部剧烈的周期性形变形成微米到纳米级的材料。由于它的操作简单，使用的相关设备并不昂贵，并且适用于基本上所有类型的材料，球磨如今被广泛地用于制备纳米颗粒。但在球磨过程中材料的去结晶是一个问题，而且采用球磨技术生产纳米微纤的同时也很容易形成颗粒物。尽管存在这些缺点，我们的初步工作仍然证明了通过球磨可以从针叶木浆制备出高度结晶的纤维素纳米微纤。然而，在球磨过程中可能影响纤维素纳米微纤的质量和产量的因素还没有进行过很细致的研究。

这篇论文研究了球磨条件的单因素变量对制备纤维素纳米微纤的影响，包括球磨子与纤维素质量比、球磨时间、球磨子的大小以及碱预处理等。过去为了获得纤维素纳米微纤，化学预处理能够高效地减少石材研磨过程的次数，然而它对于球磨过程的影响还没有进行过研究，因为纤维素很容易被酸或强碱性溶液破坏。在这次实验中，使用了一种碱性较温和的溶剂Na₂CO₃。作为纤维素纳米微纤生产过程的必要环节，对产品后处理过程（如尺寸均一化）也进行了研究。

二、材料和方法

2.1 材料

选用漂白后的软木牛皮干片作为原材料，制浆和漂白过程已经除去了原料中大量的木质素和半纤维素，剩下的主要是纤维素。用直径小于1mm的氧化锆球磨子作为研磨介质，包括直径0.3mm、密度1200kg/m³的钇掺杂氧化锆球磨子，直径0.4-0.6mm和0.8-1.0mm、密度6200 kg/m³的铈掺杂氧化锆的球磨子。Na₂CO₃则用来配制不同浓度（1%，2%，4%）的碱溶液。开孔为250um和130um的尼龙滤布和一台Eppendorf离心机被用来除去球磨后剩余的大纤维丝，以及浓缩纤维素纳米微纤的悬浮液。

2.2 温和的机械球磨

球磨前，针叶木浆干片要先在水中进行溶胀处理，即将5cmtimes;5cm的干片浸泡于水中（质量分数为10%）室温下放置一昼夜。溶胀的纤维先在搅拌机中粉碎5-10min，而后稀释到质量分数为1%。取25g上述纤维浆置于一个70ml的塑料样品容器中，再加入一定量的氧化锆球磨子，，球磨过程中溶胀的纤维与球磨子的混合情况如图1所示。通过不同的球磨条件对这些单因素的影响进行研究。

2.3 单因素影响的研究

选取球磨子与纤维素的质量比、球磨时间、球磨子大小以及碱预处理中Na₂CO₃的浓度这些单因素进行研究。如表1所示，球磨子与纤维素的质量比取40:1、60:1、80:1以及200:1，球磨时间选择30min、60min、90min和120min（表2），球磨子的直径选择0.3mm、0.4-0.6mm、0.8-1.0mm（表3），碱预处理的Na₂CO₃浓度则取0.8%、1.6%和3.0%（表4）。球磨结束后，碱预处理的样品要用去离子水清洗并离心，重复该过程直至上清液的PH值为7。

表1 球磨子与纤维素不同的质量比

表2 不同的球磨时间

表3 球磨子不同的直径

表4 Na₂CO₃不同的浓度

2.4 形貌表征

球磨过程中单因素对制备纤维素纳米微纤的影响通过这些形貌图进行分析，仪器选用一台Zeiss Supra 55VP SEM。样品001-014的浓度稀释到0.1g/100ml，而后置于60°的烘箱中干燥一昼夜。在成像前，所有干燥的样品会被喷金仪镀上一层金膜。电子探测器在2KV的电子加速电压下捕获图像，获得了放大倍数从500times;到1000times;范围的形貌图，用以测定纤维的直径分布情况。

通过Batchelor提出的方法对这些形貌图进行分析。每张形貌图中能够辨认出的纤维都要被测量。这个工作通过手工画一条线穿过图中的纤维，而后使用Image-pro Plus图像分析软件测量这条线的长度来完成。每张形貌图要进行手工标记以确保每条纤维只计算一次。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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