劍麻納米纖維素的制備方法

納米纖維素可以按其制備方法來進(jìn)行分類，不同制備方法的命名也不同，同時其形貌和性能因所用的制備方法的不同而不同。納米纖維的制備方法有化學(xué)方法（酸水解法，酶水解法）、物理方法（高壓均化法，球磨法，高速攪拌法等）、化學(xué)+物理法（TEMPO-氧化法）。每種制備方法都存在優(yōu)點或缺點，下面就來具體分析一下他們的優(yōu)缺點，及其商業(yè)化應(yīng)用的解決辦法。重點關(guān)注所制備納米纖維素的形貌、表面電荷、耗能、產(chǎn)率等涉及其應(yīng)用領(lǐng)域的問題。

1硫酸水解法

所制備的納米纖維素稱為纖維素納米晶須，英文名為CNW、CNC或NCC。其直徑因來源不同而不同，如劍麻纖維素納米晶須的平均直徑為9 nm，平均長度為170 nm，而用細(xì)菌纖維素制備的直徑約為幾十納米，遠(yuǎn)大于其他來源的纖維素納米晶須。其制備過程依據(jù)的是酸對纖維素非晶區(qū)部分的選擇性的水解，留下纖維素的晶區(qū)部分結(jié)構(gòu)，得到的晶須狀納米材料。其中，酸能夠?qū)w維素的非晶區(qū)進(jìn)行選擇性的水解是因為，非晶區(qū)結(jié)構(gòu)松散，酸溶液易于進(jìn)入這個區(qū)域；而纖維素的晶區(qū)，其結(jié)構(gòu)致密，纖維素分子鏈間形成規(guī)整的排列和氫鍵的相互作用，導(dǎo)致一般濃度的酸溶液無法進(jìn)入其內(nèi)部，無法將其晶區(qū)切斷。所以，通過酸水解法制備的CNW或CNC在結(jié)構(gòu)上有極高的結(jié)晶度，在形貌上保留了其原料纖維素的晶區(qū)部分的結(jié)構(gòu)。同時，由于其晶區(qū)結(jié)晶度極高，纖維素鏈間高度的取向和規(guī)整，分子鏈間形成極其多的氫鍵作用，所以CNW或CNC具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能，是理想的增強材料。

但其也存在以下缺點，一是其制備的產(chǎn)率低，二是干燥后再分散困難，三是其在疏水性聚合物中的分散性非常差。這幾個問題制約了纖維素納米晶須的發(fā)展。關(guān)于纖維素納米晶須產(chǎn)率，在現(xiàn)有的文獻(xiàn)報道中，用酸水解法制備的產(chǎn)率也不超過40%。例如， Brito^[73]等通過65 wt%硫酸來水解制備纖維素納米晶須產(chǎn)率最高為30%。關(guān)于干燥后再分散問題，纖維素分子鏈上存在多個羥基，其分子間極易形成氫鍵的相互作用。同時，CNW在水中時成液晶排列，干燥后其更加緊密的排列到一起，加劇了它們之間的相互作用。所以，現(xiàn)在的納米纖維素都是分散在水溶液中的，購買也只能是7-10 wt%左右的分散液的形式。納米粉體的分散問題在增強聚合物中是舉足輕重的，處理與基體材料間的界面相互作用，對改性增強的性能有非常大的影響。要解決分散的問題，當(dāng)然首選的方法就是通過對其表面進(jìn)行改性。Dufresne^[56]等研究了改性的苧麻纖維素納米晶須來增強聚乙烯。他們先通過將不同脂肪鏈長的酰氯與纖維素納米晶須反應(yīng)，然后將其與聚乙烯進(jìn)行擠出共混。研究結(jié)果表明，將纖維素納米晶須進(jìn)行改性后，其在聚乙烯中的分散性得到改散。同時，與未改性的纖維素納米晶須增強復(fù)合材料相比，改性后的復(fù)合材料的斷裂伸長率得到大幅的提高。

2機械法

將植物纖維經(jīng)過盤磨、高壓均值等機械處理得到的直徑為幾十納米至幾百納米、長度為數(shù)微米的微纖化纖維素，英文名命名為MFC或NFC。機械法制備納米纖維素的原理為同機械剪切的作用，使天然植物纖維裂解為納米纖維。機械法制備的優(yōu)點為工藝簡單、不產(chǎn)生有機污染物(如酸、堿、有機溶劑等)。但其缺點也很明顯，其制備過程耗能高，生產(chǎn)的納米纖維直徑大，表面不帶強親水性基團(tuán)等。機械法制備的納米纖維素有望應(yīng)用于造紙增強劑、鋰電池隔膜等材料方面。

3化學(xué)+機械法