微射流均質機在納米纖維素制備中的應用

纖維素是自然界分布廣、含量多的一種葡萄糖組成的大分子多糖，不溶于水及一般有機溶液，是植物細胞壁的主要成分。

納米纖維素是通過天然纖維素分離得到的直徑小于 100nm 的纖維聚集體。通過化學、物理、生物或者幾者結合的手段從天然纖維原纖維分離得到的直徑是小于 100nm，長度可以達到微米的纖維聚集體，可再生、可自然分解、化學性能穩定。

納米纖維素市場規模不斷擴大

近年來由于符合環保、可持續化發展的理念，其市場需求持續不斷釋放。2020 年納米纖維素市場規模達到了 21.07 億元，預計 2027 年擴張至 66.59 億元，復合年增長率為 21.14%。

木材是納米纖維素主要上游，但由于木材資源短缺，現多用機械木漿（又稱磨木漿，是機械方法磨解纖維原料制成的紙漿）作為代替。此制造過程無需化學品，也不除去木材中的非纖維素成分，因此無污染、得率高且工藝簡單，機械木漿需求逐步增多。我國紙漿年度累計進口量達到 3063 萬噸，同比增長 12.6%。

納米纖維素的特性

納米纖維素相較于天然纖維素特性突出，性能優異。

納米纖維素分類

根據材料來源、制備方法以及纖維形態的不同，納米纖維素可以分為纖維素納米纖維（CNF）、纖維素納米晶體（CNC）、細菌合成納米纖維素（BNC）這三大類。

• 纖維素納米纖維（Cellulose Nanofibrils，簡稱 CNF），是更纖細的纖維素纖維，通常由纖維化結合機械法精煉而成。CNFs 長徑比高（寬 4～20nm,長 0.5～2μm），纖維素含量為 100，由無定形區和結晶區組成。

• 纖維素納米晶（Cellulose Nanocrystals,簡稱 CNC），是由 CNF 經過酸水解后得到的帶狀或晶須狀的顆粒體，纖維素晶須或者纖維素納米晶須。CNCs 長徑比高（寬 3～5nm，長 50～500nm），含有 100的纖維素，結晶度高。CNCs 晶體末端由于酸水解變細而形似晶須。

• 細菌納米纖維素（Bacterial Cellulose Particles,簡稱 BNC），簡稱細菌纖維素，是由從菌體和其生長基中分離出來的細菌所分泌的微纖絲。細菌纖維素的長度是微米級的，長徑比大，細菌纖維素的形態主要由其種類和培養條件決定

納米纖維素制備工藝

納米纖維素的制備方法有酸水解法、酶水解法、TEMPO-氧化法、高壓微射流均化法、球磨法、高速攪拌法等。按其來源和制備方法可以歸類為化學法、機械法、化學+機械法，產品的外觀和性能因所用的制備方法的不同而略有差異。

• 酸水解法是化學法中常見的工藝，是通過酸水解除去天然纖維素非晶區的部分，得到名叫纖維素納米晶須的針狀結構的納米材料，其具有很高的結晶度、強度和模量且納米纖維素的長度較短。
• 機械法制備的納米纖維素通常被稱為 MFC，此產品具有更高的力學性能、拉伸強度、抗撕裂性能等。
• 化學加機械法是先通過化學法對纖維素進行改性，使其在表面帶上特定的官能團，然后再通過高壓微射流均化或機械攪拌等處理來制備納米纖維素。此方法耗能低、設備要求簡單、在水中的分散性更好且在干燥后能再次的溶解在水中，優勢突出。

微射流均質機的作用

微射流均質機是一種利用高壓將物料通過微射流噴嘴噴出，從而實現物料的超微細化和均質化的設備。在納米纖維素的制備過程中，微射流均質機通過高壓均質作用，能夠有效地將纖維素纖維撕裂成納米級別的纖維，從而提高納米纖維素的得率和質量。

文獻中的微射流均質機應用

在文獻《納米纖維素基中性筆墨水的研究》中，作者提到了微射流均質機在納米纖維素制備中的應用。文中指出：“所用的微射流高壓均質機的型號為 Noozle MINI 生產廠家為諾澤流體科技(上海)有限公司。物料進入該均質機，流過單向閥后，在高壓腔泵里加壓。從微米級的噴嘴擠壓噴出，以亞音速撞擊在乳化腔上，同時通過強烈的空穴，剪切效應，將纖維懸浮液分散到納米尺寸。" 這表明微射流均質機在納米纖維素的制備過程中，能夠有效地將纖維素纖維細化到納米級別，從而提高納米纖維素的質量和得率。

納米纖維素制備與參數總結表

微射流均質機在納米纖維素制備中的關鍵作用總結

在上述文獻中，微射流均質機被廣泛應用于納米纖維素的制備，尤其是在實現纖維素納米化和提高納米纖維素性能方面發揮了核心作用。以下是微射流均質機在各篇文獻中的具體作用總結：

1. 酶解結合高壓均質法制備納米纖維素及其再分散性研究：微射流均質機被用來將酶解預處理后的纖維素進一步細化為納米纖維素。在高壓下，均質機通過微射流噴嘴產生的強大剪切力，有效地將纖維素纖維分割成納米級尺寸，同時確保了所得納米纖維素的均一性和穩定性。研究中，均質機設定在25000 psi的壓力下進行4次循環，成功制備出粒徑范圍在200-700nm的納米纖維素。

2. 納米纖維素基中性筆墨水的研究：微射流均質機在此研究中用于將纖維素原料轉化為納米纖維素，為后續制備中性筆墨水奠定基礎。通過在25000 psi的高壓下均質4次，實現了纖維素的納米化，為墨水提供了必要的流變性和書寫性能。

3. 納米纖維素基復合涂層用于紙張防油疏水的研究：雖然文獻中未具體提及微射流均質機的參數，但這類設備通常用于將纖維素原料轉化為納米級纖維，從而提高涂層材料的性能。微射流均質機在此類應用中能夠確保涂層的均勻性和納米纖維素的高分散性，對增強紙張的防油和疏水性至關重要。

4. 草酸法水解納米纖維素的制備及其應用：盡管文獻中沒有詳細說明微射流均質機的具體參數，但該設備在草酸水解后用于進一步細化纖維素，制備出具有高結晶度和熱穩定性的納米纖維素。微射流均質機在這一過程中通過其剪切力和空穴效應，促進了納米纖維素的形成。

微射流均質機在納米纖維素的制備過程中扮演了重要角色，它不僅能夠實現纖維素的高效納米化，還能保證納米纖維素的均勻性和穩定性，對于提升納米纖維素在各個應用領域的性能至關重要。通過精確控制均質機的參數，如壓力和循環次數，研究人員能夠定制納米纖維素的粒徑和形態，以滿足特定應用的需求。

微射流均質機的優勢

• 高效性：微射流均質機能夠在較短的時間內實現纖維素纖維的超微細化，提高生產效率。
• 均勻性：通過高壓均質作用，微射流均質機能夠使纖維素纖維在納米級別上達到較高的均勻性，這對于后續的應用至關重要。
• 可調性：微射流均質機的操作參數如壓力、溫度等可以根據實際需求進行調節，以適應不同的制備需求。
• 環保性：與傳統的化學法相比，微射流均質機在制備納米纖維素的過程中無需使用大量的化學試劑，減少了對環境的污染。

微射流均質機在納米纖維素的制備中發揮著重要作用，其高效、均勻、可調的特點使其成為納米纖維素工業化生產的關鍵設備之一。通過合理的操作和參數調節，可以有效地提高納米纖維素的質量和得率，為納米纖維素的廣泛應用提供了堅實的基礎。