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微射流高压均质机应用于纳米纤维素处理已发表文章举例

作者:www.willnano.com 日期:2022-06-26 点击:601
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北达科他州立大学研究文章:Cellulose nanofibers produced from various agricultural residues and their reinforcement effects in polymer nanocomposites,2018年初发表于《JOURNAL OF APPLIED POLYMER SCIENCE》杂志上,其中纤维素的纳米化过程由M110Y(主腔体为G10Z,Genizer LLC供应)微射流高压均质机执行。


图 微射流高压均质机应用于纳米纤维素处理见刊文章

图 微射流高压均质机应用于纳米纤维素处理见刊文章


图 纤维素的纳米化设备M110Y(主腔体为G10Z,Genizer LLC供应)

图 纤维素的纳米化设备M110Y(主腔体为G10Z,Genizer LLC供应)


文章主要内容:

纳米纤维素 (CNFs) 因其作为改善聚合物基质纳米复合材料物理和机械性能的卓越增强材料的非凡潜力而受到广泛关注。来自北达科他州当地的生物质残留物是这些高价值结构成分的潜在且丰富的来源。本研究对两种类型的大豆皮、麦秆和软木粉进行化学预处理,然后进行机械原纤化以生产 CNF。原子力显微镜和扫描电子显微镜结果表明,可以很容易地合成直径在纳米范围内的均匀纳米纤维。然后通过将纤维整合到聚(环氧乙烷)聚合物基质中来探索纳米纤维的增强潜力。从纳米复合材料中观察到纳米纤维的显着增强效果:纳米复合材料的拉伸模量和屈服强度分别提高了 154% 和 103%。从两种大豆皮和木粉中提取的 CNF 表现出比传统木浆基 CNF 更强的增强作用(在模量和屈服强度方面)。与传统的 CNF 相比,从小麦秸秆中提取的纳米纤维强度更高,但模量更低。然而,需要做更多的工作来提高基于农业残留物的纳米纤维的生产可靠性/可重复性。Received 8 August 2017; accepted 27 January 2018 DOI: 10.1002/app.46304

 

研究背景:

近年来,生产和实施可持续和环境友好的材料已成为一个优先事项。1.这一优先事项源于有针对性地减少石油基产品和材料。利用可再生资源或生物资源是解决许多国际问题的一种潜在解决方案,如石油依赖性、空气和水质恶化以及气候变化。2.纤维素作为地球上最丰富的天然聚合物,是近年来研究最多的可再生材料之一。纤维素主要是植物细胞中一壁和次生壁的主要结构成分。3纤维素与半纤维素、木质素和果胶一起形成一种天然的生物复合材料,其组成因生物量来源的不同而不同。

 

研究思路:

本项研究的主要重点是设计一种可持续的途径,从美国中西部北部地区的农业残留物中生产纳米纤维素,并评估它们在新型纳米复合材料中的应用潜力。大豆壳和小麦秸秆残留将特别讨论,并与传统的软豆进行比较。将讨论对用于净化大豆和麦秸秆程序的碱/水解的修改。从大豆壳生物质中获得和纯化纤维素也将被利用,并与本研究中生产的纯化纤维素进行比较。此外,商业用漂白卡夫纸浆制备的CNFs也用于比较。为了评估所产生的CNFs的增强电势,我们将使用溶剂铸造技术将其复合成聚(环氧乙烷)。溶剂铸造是一种广泛报道的实验室规模工艺,用于生产热塑性基CNFs增强纳米复合材料。本文讨论的程序利用经过实验修改的有记录的生产技术,以产生良好或更好的结果。

 

纳米纤维素制备过程简介:

大豆壳、麦秸秆和松粉生物质在实验室高速转子磨机(哥伦比亚国际技术公司,Irmo,SC)中,以25000RPM的速度研磨,然后通过美国100筛(孔径149m)进行筛选。然后收集滤液(细粒)进行进一步的纤维素纯化。从大豆壳和小麦秸秆中分离纤维素是基于早期报道的研究中开发的改良方法。小麦秸秆和大豆壳细粒首先在80 ℃的2%w/w氢氧化钠溶液中浸泡2小时,然后用蒸馏水(DI)大量洗涤。然后用1M的HCL在80 ℃下水化2h,然后再次用DI洗涤。然后将生物质浸泡在2%w/w的氢氧化钠溶液中2h,然后广泛洗涤。用DI洗涤,用去离子水重复稀释,然后过滤(Whatman定性413)。每一步的生物量与质子比为1:10。

木粉粉采用漂白技术进行化学纯化。木粉粉用NaClO2(0.3g/g样品)在pH值4-5和70 ℃下连续漂白(5次)2h。在每次成功处理之间,用去离子水洗涤生物质,以去除残留的化学物质和杂质。再次用去离子水反复稀释,然后过滤(Whatman定性413)。将得到的纯化生物质储存在水条件下,并用重量法测定水悬浮液的固体含量。

TEMPO介导氧化是一种被广泛应用和研究的技术,其研究方法与以前的工作类似。从大豆壳、麦草、秸秆、木粉或未接收的Fl-1大豆纤维中纯化的生物量(1g)加入含有蒸馏水(100 mL)、节奏(0.016g)和溴化钠(0.1g)的溶液中。然后加入2.5%次氯酸鈉(14.88g)溶液,在室温下搅拌混合物。然后加入0.5M氢氧化钠溶液,使溶液pH保持在10~11之间。在pH稳定后,通过过滤(Whatman定性413)收集生物量,并依次用去离子水洗涤直到pH中性。

纤维素纳米化使用微流化器高剪切处理器((Microfluidics Corporation, Newton, MA)型M-110Y,配有G10Zz型金刚石相互作用室(Genizer,洛杉矶,CA)。在线压缩空气,用于供给强化泵,使用SPX德尔泰空气干燥器和过滤器(SPXFLOW, Ocala, FL)干燥。一个蠕动泵(Omega Engineering, Stamford, CT))被安装在上面连接处理器入口(C)和出口(E)以关闭回路。下图显示了纤维素纳米化设备的照片和纳米纤维素纳米化过程的流程图。

 

图 纤维素纳米化设备微射流高压均质机照片和纳米纤维素纳米化过程的流程图

图 纤维素纳米化设备微射流高压均质机照片和纳米纤维素纳米化过程的流程图

微射流高压均质机M110Y。(a)增压器泵、(b)在线空气供应、(c)处理器入口、(d)蠕动泵、(e)配备连续冷却的处理器出口、(f)交互室压力监测器和(g)交互容腔G10Z。插图显示了纳米纤化过程的流程图。


在水悬浮液(1.5%-2%的纤维素含量)中制备纯化和快速处理的纤维素。然后使用蠕动泵(D)将该悬浮液通过微流化器循环约5-6次,以进行纤维素纳米化。在此过程中,相互作用室的压力范围为8000~20,000Psi,由于源流不一致,在此范围内基本不可控。纤维素纳米化后,将叠氮化钠以0.01%添加到纳米纤维悬浮液中以防止霉菌生长,并将悬浮液保存在冰箱中以备将来使用。

 

图 纤维素经微射流高压均质机处理前后外观对比

图 纤维素经微射流高压均质机处理前后外观对比

 

图 PEO/CNF纳米复合材料的力学性能及其标准差

图 PEO/CNF纳米复合材料的力学性能及其标准差

 

图 Genizer微射流金刚石交互容腔

图 Genizer微射流金刚石交互容腔

 

结论:

CNFs由三个中西部农业残留物(即小麦秸秆、大豆壳和Fl-1大豆纤维)和木粉采用综合化学和机械方法生产。需要对文献中提出的碱浸泡程序进行修改,以尽量减少对本研究中使用的颗粒生物质中存在的纤维素的降解。通过这种方法产生的CNFs,无论其生物质来源如何,与广泛使用的木浆基CNFs相比,表现出显著更高或相当的强化效应(小麦秸秆CNF纳米复合材料的模量除外)。四种生物质中,FI-1大豆整体强化最好,小麦秸秆整体强化最差。研究发现,所产生的cnf的纯度是控制加固效应的一个重要因素,特别是由于其缺陷相关性质而导致的失效应变/强度。这些结果表明,本文所采用的纤维素纯化技术和机械处理可以从低价值的农业残留物中生产高质量的CNFs。这可能会为许多作物及其残留物带来新的收入来源。未来的工作将是重点是调整化学反应条件,以提高生产的cnf的纯度。


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