想象一种完全天然、来源丰富且易于再生的材料,可以用于制造轻型汽车和飞机零件;加强建筑材料;构成生物相容性组织支架、血管移植物和医疗植入物,或制造高科技电子部件及让食物长时间保鲜的包装材料。实现所有这些应用所需的属性和品质在纤维素的纳米结构单元中被找到,而纤维素是自然界中最普遍存在的结构分子。

从木浆(纤维素重量百分比约为 50%)、菠萝叶、葡萄皮,甚至一些细菌等各种天然来源提取的纤维素纳米纤维和纳米晶体,有望为我们提供本质上安全的终极“绿色”资源,从而彻底变革材料和生物材料科学。 

一颗充满纤维素的行星

数千年来,人类一直开发利用世界上资源丰富的基于纤维素的材料,包括将木材、棉花、剑麻、大麻和其他作物用于建筑、纺织、造纸和食品行业。 但是,直到 1977 年,研究人员才首次使用均质化技术来将木浆纤维素纤维通过物理方式剪切成微纤丝成分,而不会破坏葡萄糖聚合物。从那时起,科学家开发了机械、化学和生物酶法,从各种植物和其他生物原材料中提取出长、薄的纤维素纳米纤维 (CNF) 和较短、偏向短棒状的纤维素纳米晶体 (CNC) 结构。

开发工业规模的生产工艺

正在进行的纳米纤维素研究表明,这种常见易得的大分子可以为石油化学材料、复合材料和开采金属提供廉价、可生物降解的替代品。这一前景刺激政府、行业和学术界加强了纳米纤维素的研发,他们建立了小规模和最近的工业规模纳米纤维素生产设施。例如,瑞典研究机构 (RISE) 表示,瑞典的目标是建立一个平台,到 2025 年依赖其自有的林业资源实现纳米纤维素和基于纳米纤维素的高性能材料和产品的大规模可持续生产。

纳米纤维素的应用

无限的潜力

纳米结构纤维素具有几乎无限的潜在应用空间。轻质但比 Kevlar® 更硬并且抗拉强度是钢的 8 倍,纳米级纤维素可以用作导电性、高吸附性和热稳定性材料。这种材料可以加工成片材和其它结构,包括层压材料或透明薄膜,并且可以加入消费类、工业和生物医学类等各类高性能材料中。

从纸到超级电容器

与增加纸张和纸板、混凝土和塑料的强度一样,人们正在利用纳米纤维素的特性来改进泡沫和凝胶、纺织品和粘合剂的质量。纳米纤维素复合材料可以发展为一种结实、轻质而廉价材料,从而成为不可再生的碳纤维和玻璃纤维的替代品2,也是目前用于制造如塑料椅子、垃圾桶及汽车和飞机部件等石油基塑料的一种可持续替代品2。CNC 可用于制造大屏幕和太阳能电池板,甚至能够用于生产电池和超级电容器,以及能够响应外部刺激(如热、光、电、pH 或压力)的智能材料3,4。纳米纤维素也可以是全新的药物输送材料、生物传感器、诊断材料甚至化妆品的基础材料2

并且,由于纳米纤维素可以来自任何植物来源,包括麦秆等农业废弃物,因此将来的某一天,我们可能不使用树木甚至水也能生产出用于书写的纸张3

在持续研发纳米纤维素最终产品应用的同时,行业还在开发可持续、具有成本效益且高效的技术,用于生产工业和医疗用纳米纤维素原材料。最终目标是开发可持续且对环境无害的工业规模生产方式,尽量减少能源和资源的消耗,减少浪费。

从小到大或从大到小

纳米纤维素可以使用从小到大和从大到小的方法来生产,前者从葡萄糖单体单元构建纤维素聚合物,后者分解植物细胞壁和纤维以释放纤维素微纳米纤维和纳米晶体。 

尽管还报告了一些新工艺,但占据主流的仍是从大到小纳米纤维素生产工艺,其包括用于生成 CNC 的酸水解和用于生产 CNF 的高压 (HP) 均质化

用于纳米纤维提取的均质化

HP 均质化应用机械剪切力将纤维素纤维分解成其纳米纤维成分。剪切作用破坏植物细胞壁基质、释放纤维素微纤丝束,然后将固定纳米纤维丝的氢键纵向断开,从而释放出长的纳米纤维。该工艺可以通过使用轻微研磨、酶或帮助提高 pH 值的化学物质进行预处理来辅助。尽管,CNF 主要提取自木浆,但也可以从亚麻、大麻、胡萝卜、马铃薯、竹子、椰子壳和甘蔗等各种植物中提取1

标准阀门与 NanoValve HP 阀对比

GEA NanoVALVE 技术

更高效,可持续生产

“多年来我们一直在积极开发用于纤维素纳米纤维生产的均质技术,”GEA 高级过程技术专家——GEA CPT 均质化部门主管 Silvia Grasselli 解释说:“NanoVALVE HP 是研发的顶点,专注于为该行业提供更有效、高效和可持续的新材料生产工艺。该阀门的设计在纤维素通过时会产生非常独特的流动分布,并且优化了均质效果以产生最一致的高质量纳米纤维。降低的阀门工作压力和产品冷却需求还会节省能源,而较快的流速会显著提高效率。而且由于 NanoVALVE HP 在低得多的压力下工作,所以工作部件的应力也会降低,从而延长设备的使用寿命。行业不断发现纳米纤维的新用途,其独特的性质可能彻底改变我们在日常生活中用到的许多材料。GEA 一直在努力开发可靠、强大和高效的技术,使纳米纤维素能够在世界任何地方廉价而可持续地生产。”

参考文献


  1. Cellulose – Fundamental Aspects and Current Trends. Edited by Matheus Poletto and Heitor Luiz. ISBN978-953-51-2229-6.Chapter 8 Current Trends in the Production of Cellulose Nanoparticles and Nanocomposites for Biomedical Applications, pp 193-228.
  2. Postek Robert J. Moon Alan W. Rudie and Michael A. Bilodeau.Production and Applications of Cellulose Nanomaterials.Compiled and Edited by:Michael T. Tappi Press June 2013 ISBN:978-1-59510-224-9.
  3. VTT Technical Research Centre of Finland Ltd:http://www.vtt.fi/files/events/pulpaper10/nfcapplications_hph.pdf
  4. Joo-Hyung Kim, Bong Sup Shim, Heung Soo Kim et al.(2015) Review of Nanocellulose for Sustainable Future. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology 56 2(2):197-213.
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