含木质素的纤维素纳米纤丝的预处理工艺及研究进展

本文重点介绍了制备含木质素的纤维素纳米纤丝的预处理工艺及特点,包括酸法、碱法、2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)氧化法、酶法和低共熔溶剂法等预处理技术,总结了制备的含木质素的纤维素纳米纤丝的特性,并展望了含木质素的纤维素纳米纤丝制备和应用的未来发展方向。

对甲基苯磺酸水解-高压均质法制备多尺度木质纤维素纳米纤丝

以杨木化学机械浆为原料,采用对甲基苯磺酸水解-高压均质法制备木质纤维素纳米纤丝(LCNF);研究对甲基苯磺酸水解过程中木质素脱除规律及残余木质素对LCNF微观形态、尺寸、结晶结构和热稳定性的影响。结果表明,对甲基苯磺酸水解能有效去除木质素,削弱纤维间结合力,有利于高压均质过程中的微纤丝解离分散。与纤维原料相比,LCNF的无定形区遭到破坏,结晶度由43.9%增至66.0%。通过酸水解可以调控残余木质素含量,进而控制高压均质后LCNF的平均宽度,实现多尺度LCNF的制备。LCNF的木质素含量越低,LCNF分散性越好、尺寸越均一。当残余木质素含量为4.89%时,LCNF平均宽度最小(10.6 nm),最大热失重降解温度(Tmax)在350~360℃。

酸性低共熔溶剂预处理制备含木质素的纤维素纳米纤丝及其复合膜的研究

采用酸性低共熔溶剂(deep eutectic solvent,DES)预处理并结合高压均质法制备了含木质素的纤维素纳米纤丝(lignin-containing cellulose nanofibril,LCNF),并与聚乙烯醇(PVA)共混制备了LCNF/PVA复合膜,探讨了2种酸性DES预处理的效果,分析比较了LCNF的特性及LCNF/PVA复合膜的性能。结果表明,乳酸-氯化胆碱(LC)和乙酸-氯化胆碱(AC)对半纤维素的提取率均达到78%以上,其中LC预处理后用乙醇洗涤的处理方式对木质素的提取率高达61.2%;DES预处理后,乙醇洗涤有利于木质素的分离;利用LC制备的纤维素纳米纤丝(LC-E-LCNF)的直径为50~100 nm;相较于纯PVA膜,LCNF/PVA复合膜的疏水性明显提高,应力提升至70.3 MPa,紫外屏蔽性接近100%,且具有良好的热稳定性和雾度,以及一定的保鲜性能,该复合膜有望应用于食品包装领域。

麦秆基纳米纤维素过滤膜的制备及对微纳米颗粒的过滤性能

以麦秆为原料,采用对甲基苯磺酸(p-TsOH)结合酶辅助超声处理制备木质纤维素纳米纤丝(LCNFs),通过真空抽滤制备LCNFs过滤膜(LCNF-FM)。研究LCNF-FM的微观形貌、纯水通量、润湿性及对微纳米粒子的过滤性能。结果表明,LCNF-FM由相互交联的纳米纤维网络组成,平均孔径为30.2nm。该过滤膜对细菌及纳米TiO_(2)颗粒均具有良好的截留作用。初步应用于红葡萄酒过滤除菌,其对红葡萄酒中有效成分的保留率均在84%以上,对葡萄酒品质影响不大。该LCNFs及其过滤膜的制备方法绿色环保,在农业废弃物的资源化利用及水处理、食品饮料的净化等方面具有广泛的应用前景。

酶预处理对木质纤维素纳米纤丝性能的影响

采用机械法、内切葡聚糖酶预处理/机械法、木聚糖酶预处理/机械法制备得到木质纤维素纳米纤丝,通过分析形态与结构特性探索了酶预处理过程对木质纤维素纳米纤丝性能的影响。结果表明,内切葡聚糖酶/机械法制备的木质纤维素纳米纤丝具有最高的保水值(564%)、最优的比表面积(173.71 m2/g)和最稳定的Zeta电位(-45.43 mV)。内切葡聚糖酶预处理能够疏松木质纤维微观结构,利于后续机械研磨分离出更细小的纤丝。

木质纤维素纳米纤丝的制备与表征

以麦草为原料,利用化学法脱除部分木质素,再进行超微粒研磨粉碎,制备不同木质素含量的纳米纤丝(LCNF),并探讨残余木质素对LCNF的形态、亲疏水性能和稳定性的影响。透射电镜分析结果表明研磨2次、磨盘间距-150μm、转速1 500 r/min为麦草碱预处理物料的最佳研磨条件。研究表明,机械法处理后,LCNF保留了纤维素Ⅰ型晶体结构。残余木质素抑制木质纤维素纳纤化程度,木质素含量高的LCNF尺寸分布不均匀,且分散液稳定性较差。然而,LCNF中的木质素增强了疏水性,对其扩大应用范围起到了促进作用。

双醛改性纤维素纳米纤丝增强木质素水凝胶及其耐温耐盐性能研究

将双醛纤维素纳米纤丝(DA-CNF)应用到木质素水凝胶的制备中,利用DA-CNF在水凝胶中的互穿网络作用以及醛基与碱木质素酚羟基发生缩合反应,从而达到增强木质素水凝胶强度的目的。傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析结果表明,聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDGE-500)以及DA-CNF与木质素发生了反应;扫描电子显微镜(SEM)分析结果表明,添加DA-CNF后,木质素水凝胶的结构呈多孔性;添加DA-CNF能够显著改善木质素水凝胶的物理强度、热稳定性和耐温耐盐性能,当DA-CNF添加量为2.0%时,木质素水凝胶拉伸应力由69 kPa提高至175 kPa,压缩应力由0.18 MPa提高至1.5 MPa,初始降解温度由209℃提高到248℃。DA-CNF增强的木质素水凝胶具有较高的耐温耐盐特性,在150℃、pH值=9的20万矿化度的盐水中老化20天后,其质量保留率仍可达86.4%,且具有较好的pH适应性。综上所述,DA-CNF增强的木质素水凝胶具有潜在的油田封堵应用潜力。

纳米纤维素/聚吡咯气凝胶的制备及吸附性能综合实验设计

以麦秆基纳米纤维素纤丝(LCNFs)为载体,聚乙烯醇(PVA)为增强剂,通过吡咯原位氧化聚合制备了LCNFs/PVA-PPy(LPP)复合气凝胶,研究了LPP对Cr(Ⅵ)的吸附性能。结果表明,LPP为黑色多孔三维网络结构,吸附Cr(Ⅵ)的最适pH为2,吸附动力学为准二级动力学,吸附等温方程为Freundlich模型。本研究可为生物质资源化利用及Cr(Ⅵ)污染治理提供技术依据,也适合用于化学、材料及环境等相关专业的本科生综合实验教学。

不同干燥方式对木质素纳米纤维素纤丝结晶指数以及热稳定性能的影响

采用冷冻干燥、烘箱干燥、浓缩蒸发+真空干燥、离心脱水+真空干燥处理得到木质素纳米纤维素纤丝(LCNFs)固体,研究了不同干燥方式对LCNFs热稳定性能的影响,通过表征结晶指数与比表面积研究了不同干燥方式对纤丝团聚现象的影响。研究结果表明,冷冻干燥制得的高木质素含量LCNFs具有较高的比表面积(5.2±2.1 m2/g)以及较小的结晶指数(35.3%),相比于其他三种干燥方法,冷冻干燥可有效避免干燥过程中纤丝的过度团聚,这是因为冷冻干燥可较好地保持纤丝结构完整。此外,冷冻干燥后的高木质素含量样品具有较高的热稳定性。

基于柚木废弃物纳米纤丝化木质纤维素体系的高机械性能生物质材料构建

以柚木加工剩余物纤维为原料,通过初步粉碎后用胶体磨机械胶磨,无胶热压得到高机械性能生物质材料。结果表明:柚木废弃物原料通过机械热胶磨后,木纤维会分层分支且无胶热压后呈层状结构;木质纤维素之间由于羟基能够有效的交联在一起,增加其表面羟基的接触面积;生物质材料的剖面密度中间分布均匀且峰值和谷值之比约为1.16∶1;其静曲强度、弹性模量、内结合强度分别为115.27、10797.43、0.973 MPa,分别是素材纤维材料的5.1、2.5、4.5倍;同时还表现出一定的尺寸稳定性,及吸水厚度膨胀率仅为5.77%,比柚木废弃物原木质纤维材料降低了76.88%。生物质材料的剖面密度、静曲强度、弹性模量、内结合强度以及吸水厚度膨胀率均优于柚木废弃物原木质纤维材料。

对甲苯磺酸预处理对纳米纤维素膜性能的影响

利用两步对甲苯磺酸(p-TsOH)预处理选择性分离蔗渣中的半纤维素和木质素,并对p-TsOH预处理的剩余固体和商业级漂白蔗渣浆进行高压均质处理,获得2种纤维素纳米纤丝(LCNF和BCNF);然后对LCNF和BCNF进行真空抽滤及热压(T)处理,制得不同的纳米纤维素膜(LCNF膜、BCNF膜、T-LCNF膜和T-BCNF膜)。结果表明,p-TsOH预处理后残留的木质素有利于CNF的制备和分散,且可提高CNF滤水性能,使其成膜性大幅提升;此外,木质素的存在可显著提高CNF膜的疏水性,但对其力学性能有一定阻碍作用;通过热压作用可实现木质素的热熔和再分布,改变CNF膜的结构,使其拉伸强度大幅提高(166.7 MPa)的同时具有良好的疏水性。

木质纤维素纳米纤丝制备及形态特征分析

以阔叶树材杨木木粉为原料,始终保持纤维处在水润涨的状态下,利用亚氯酸钠在酸性条件下脱除木质素,氢氧化钾脱除半纤维素,然后借助高强度超声波的空化作用,依次制备了综纤维素、纯化纤维素及木质纤维素纳米纤丝(WCNF).通过傅里叶变换红外吸收光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)对WCNF制备过程中的化学组分、晶型结构、结晶度及形态特征变化进行了表征,并进一步利用图像分析系统对WCNF的直径分布进行了测量统计.结果表明,WCNF的主要成分为纤维素,其晶型结构仍为纤维素Ⅰ型,结晶度为65.68%,较之原料木粉提高了12.33%.所得纤丝的直径集中分布在5～32nm之间,长度大于10μm,长径比高于300,纤丝间相互交织成网状缠结结构.WCNF的高结晶度、高长径比、纳米尺度、网状缠结结构,显示其为一种十分理想的增强增韧材料.

旧报纸基含木质素CNC和CNF的综合制备与表征

本研究以旧报纸为原料,采用硫酸水解法制备了含木质素纤维素纳米晶体(LCNC),随后利用超声辅助球磨法将酸解沉淀的木质纤维素固体残渣(LCSR)解纤成含木质素纤维素纳米纤丝(LCNF),实现了LCNC和LCNF的综合制备,综合产率高达85%以上。采用多种手段对LCNC和LCNF样品的结构特性进行分析表征。结果表明,LCNC呈棒状晶体结构,LCNF呈长丝状结构,木质素以球状颗粒存在于LCNC和LCNF中。LCNC平均长度和宽度分别为143.6和24.8 nm,LCNF的平均直径为16.2 nm。X射线衍射仪(XRD)结果显示LCNC和LCNF均保留纤维素Ⅰ型结构,且木质素含量越高,其结晶度越低。同时,木质素本身的高疏水性和热稳定性使得木质素含量大的LCNC和LCNF具有更好的疏水性和热稳定性。