微射流均质机在纳米纤维素制备中的应用

纤维素是自然界分布最广、含量最多的一种葡萄糖组成的大分子多糖，不溶于水及一般有机溶液，是植物细胞壁的主要成分。

纳米纤维素是通过天然纤维素分离得到的直径小于 100nm 的纤维聚集体。通过化学、物理、生物或者几者结合的手段从天然纤维原纤维分离得到的直径是小于 100nm，长度可以达到微米的纤维聚集体，可再生、可自然分解、化学性能稳定。

纳米纤维素的SEM图

纳米纤维素市场规模不断扩大

近年来由于符合环保、可持续化发展的理念，其市场需求持续不断释放。2020 年全球纳米纤维素市场规模达到了 21.07 亿元，预计 2027 年扩张至 66.59 亿元，复合年增长率为 21.14%。

木材是纳米纤维素主要上游，但由于木材资源短缺，现多用机械木浆（又称磨木浆，是机械方法磨解纤维原料制成的纸浆）作为代替。此制造过程无需化学品，也不除去木材中的非纤维素成分，因此无污染、得率高且工艺简单，机械木浆需求逐步增多。我国纸浆年度累计进口量达到 3063 万吨，同比增长 12.6%。

纳米纤维素全球规模（亿元）

纳米纤维素的特性

纳米纤维素相较于天然纤维素特性突出，性能优异。

纳米纤维素的特性

纳米纤维素分类

根据材料来源、制备方法以及纤维形态的不同，纳米纤维素可以分为纤维素纳米纤维（CNF）、纤维素纳米晶体（CNC）、细菌合成纳米纤维素（BNC）这三大类。

• 纤维素纳米纤维（Cellulose Nanofibrils，简称 CNF），是更纤细的纤维素纤维，通常由纤维化结合机械法精炼而成。CNFs 长径比高（宽 4～20nm,长 0.5～2μm），纤维素含量为 100％，由无定形区和结晶区组成。
  
• 纤维素纳米晶（Cellulose Nanocrystals,简称 CNC），是由 CNF 经过酸水解后得到的带状或晶须状的颗粒体，纤维素晶须或者纤维素纳米晶须。CNCs 长径比高（宽 3～5nm，长 50～500nm），含有 100％的纤维素，结晶度高。CNCs 晶体末端由于酸水解变细而形似晶须。
  
• 细菌纳米纤维素（Bacterial Cellulose Particles,简称 BNC），简称细菌纤维素，是由从菌体和其生长基中分离出来的细菌所分泌的微纤丝。细菌纤维素的长度是微米级的，长径比大，细菌纤维素的形态主要由其种类和培养条件决定

纳米纤维素制备工艺

纳米纤维素的制备方法有酸水解法、酶水解法、TEMPO-氧化法、高压微射流均化法、球磨法、高速搅拌法等。按其来源和制备方法可以归类为化学法、机械法、化学+机械法，产品的外观和性能因所用的制备方法的不同而略有差异。

• 酸水解法是化学法中最常见的工艺，是通过酸水解除去天然纤维素非晶区的部分，得到名叫纤维素纳米晶须的针状结构的纳米材料，其具有很高的结晶度、强度和模量且纳米纤维素的长度较短。
• 机械法制备的纳米纤维素通常被称为 MFC，此产品具有更高的力学性能、拉伸强度、抗撕裂性能等。
• 化学加机械法是先通过化学法对纤维素进行改性，使其在表面带上特定的官能团，然后再通过高压微射流均化或机械搅拌等处理来制备纳米纤维素。此方法耗能低、设备要求简单、在水中的分散性更好且在干燥后能再次的溶解在水中，优势突出。

微射流均质机的作用

微射流均质机是一种利用高压将物料通过微射流喷嘴喷出，从而实现物料的超微细化和均质化的设备。在纳米纤维素的制备过程中，微射流均质机通过高压均质作用，能够有效地将纤维素纤维撕裂成纳米级别的纤维，从而提高纳米纤维素的得率和质量。

文献中的微射流均质机应用

在文献《纳米纤维素基中性笔墨水的研究》中，作者提到了微射流均质机在纳米纤维素制备中的应用。文中指出：“所用的微射流高压均质机的型号为 Noozle MINI 生产厂家为诺泽流体科技(上海)有限公司。物料进入该均质机，流过单向阀后，在高压腔泵里加压。从微米级的喷嘴挤压喷出，以亚音速撞击在乳化腔上，同时通过强烈的空穴，剪切效应，将纤维悬浮液分散到纳米尺寸。” 这表明微射流均质机在纳米纤维素的制备过程中，能够有效地将纤维素纤维细化到纳米级别，从而提高纳米纤维素的质量和得率。

纳米纤维素制备与参数总结表

微射流均质机在纳米纤维素制备中的关键作用总结

在上述文献中，微射流均质机被广泛应用于纳米纤维素的制备，尤其是在实现纤维素纳米化和提高纳米纤维素性能方面发挥了核心作用。以下是微射流均质机在各篇文献中的具体作用总结：

1. 酶解结合高压均质法制备纳米纤维素及其再分散性研究：微射流均质机被用来将酶解预处理后的纤维素进一步细化为纳米纤维素。在高压下，均质机通过微射流喷嘴产生的强大剪切力，有效地将纤维素纤维分割成纳米级尺寸，同时确保了所得纳米纤维素的均一性和稳定性。研究中，均质机设定在25000 psi的压力下进行4次循环，成功制备出粒径范围在200-700nm的纳米纤维素。
2. 纳米纤维素基中性笔墨水的研究：微射流均质机在此研究中用于将纤维素原料转化为纳米纤维素，为后续制备中性笔墨水奠定基础。通过在25000 psi的高压下均质4次，实现了纤维素的纳米化，为墨水提供了必要的流变性和书写性能。
3. 纳米纤维素基复合涂层用于纸张防油疏水的研究：虽然文献中未具体提及微射流均质机的参数，但这类设备通常用于将纤维素原料转化为纳米级纤维，从而提高涂层材料的性能。微射流均质机在此类应用中能够确保涂层的均匀性和纳米纤维素的高分散性，对增强纸张的防油和疏水性至关重要。
4. 草酸法水解纳米纤维素的制备及其应用：尽管文献中没有详细说明微射流均质机的具体参数，但该设备在草酸水解后用于进一步细化纤维素，制备出具有高结晶度和热稳定性的纳米纤维素。微射流均质机在这一过程中通过其独特的剪切力和空穴效应，促进了纳米纤维素的形成。

微射流均质机的优势

• 高效性：微射流均质机能够在较短的时间内实现纤维素纤维的超微细化，提高生产效率。
• 均匀性：通过高压均质作用，微射流均质机能够使纤维素纤维在纳米级别上达到较高的均匀性，这对于后续的应用至关重要。
• 可调性：微射流均质机的操作参数如压力、温度等可以根据实际需求进行调节，以适应不同的制备需求。
• 环保性：与传统的化学法相比，微射流均质机在制备纳米纤维素的过程中无需使用大量的化学试剂，减少了对环境的污染。

微射流均质机在纳米纤维素的制备中发挥着重要作用，其高效、均匀、可调的特点使其成为纳米纤维素工业化生产的关键设备之一。通过合理的操作和参数调节，可以有效地提高纳米纤维素的质量和得率，为纳米纤维素的广泛应用提供了坚实的基础。