高强度超声结合化学预处理对木材纤维素纳米纤维的个体化研究
摘要
从杨树木材中分离出纤维素纳米纤维。最初，木纤维经过化学处理以消除木质素和半纤维素。利用高强度超声对所获得的化学纯化纤维进行机械分离。纳米纤维的直径分布取决于超声处理的输出功率。TEM和FE-SEM分析表明，当超声波输出功率大于1000W时，纳米纤维的直径在5~20nm之间，FTIR和XRD分析表明，纤维中半纤维素和木质素被广泛去除，结晶度约为69%。热重分析结果表明，纳米纤维的降解温度与原始木纤维的210℃相比，显著提高到335℃左右。所制备的纳米纤维具有广泛的应用前景，如生物纳米复合材料、组织工程支架、过滤介质、包装材料等。
关键词：纤维素；纳米纤维；化学处理；超声处理；微结构；木材
1介绍
纤维素是最重要的生物大分子之一。它因其有效性、生物相容性、生物降解性和可持续性而被广泛应用。纤维素纤维显示出一种独特的结构层次，这种结构来源于它们的生物起源。它们由直径在2到20纳米之间、长度在几微米以上的纳米纤维组件组成。这些纳米尺寸的纤维素单纤维，通常被称为纳米晶、晶须、纳米晶须、微纤化纤维素、微纤聚集体或纳米纤维（在Azizi-Samir、Alloin和Dufresne，2005年；Eichhorn等人，2010年；Siroacute;amp;Plackett，2010年进行了综述），可从各种来源获得，如木材纤维（Abe，Iwamoto和Yano，2007年），棉花（deMorais Teixeira等人，2010年），马铃薯块茎细胞（Dufresne，Dupeyre和Vignon，2000年），印度仙人掌的枝状茎和刺（Malainine等人，2003年），印度仙人掌的花梨果实（Habii，Heux，Mahrouz和Vignon，2008年），柠檬和玉米（Rondeau Mouro等人，2003年），大豆（Wang和Sain，2007年），麦秸和大豆壳（Alemdaramp;Sain，2008年），大麻纤维（Wang，Sain，amp;Oksman，2007年），椰子皮纤维（Rosa等人，2010年），桑树枝皮（Li等人，2009年），菠萝叶纤维（Cherian等人，2010年）、香蕉轴（Zuluaga等人，2009年）、剑麻（Moraacute;n、Alvarez、Cyras和Vaacute;zquez，2008年）、豌豆壳纤维（Chen、Liu、Chang、Cao和Anderson，2009年）和甜菜（Dinand、Chanzy和Vignon，1999年；Dufresne、Cavailleacute;和Vignon，1997年）。近年来，可再生资源纤维素纳米纤维因其优异的力学性能（高比强度和模量）、大比表面积、低热膨胀系数、高长宽比、环境效益和低成本（Nishino，Matsuda，amp;Hirao，2004年；Orts等人，2005年）。还提出了纤维素纳米纤维的适当应用，例如在柔性显示面板（Iwamoto，Nakagaito，amp;Yano，2007；Yano et al.，2005）和氧气阻挡层（Fukuzumi，Saito，Iwata，Kumamoto，amp;Isogai，2009；Syverudamp;Stenius，2009）中的增强组件。从纤维素材料中提取高纯度纳米纤维的方法有很多。这些方法包括机械处理，例如冷冻破碎（Chakraborty，Sain，amp;Kortschot，2005，2006）、研磨（见Abe等人，2007；Abe，Nakatsubo，amp;Yano，2009；Abeamp;Yano，2009，2010；Nogi，Iwamoto，Nakagato，amp;Yano，2009和其中的参考文献）和高压均质（见Herrick，Casebier，amp;Hamilton，1983；Nakagatoamp;Yano，2004、2005、2008a、2008b；Turbak、Snyder和Sandberg，1983及其参考文献）；化学处理，例如酸水解（例如Araki、Wada、Kuga和Okano，2000；Elazzouzi Hafraoui等人，2007；Liu、Liu、Yao和Wu，2010）；生物处理，例如酶辅助水解（见Hayashi，Kondo，amp;Ishihara，2005；Henriksson，Henriksson，Berglund，amp;Lindstroacute;m，2007；Pauml;kkeacute;et al.，2007及其参考文献）；TEMPO介导的微纤维表面氧化和随后的温和机械处理（见Iwamoto et al.，2010；Saito et al.，2009；Saito，Kimura，Nishiyama，amp;Isogai，2007；Saito，Nishiyama，Putaux，Vignon，amp;Isogai，2006及其参考文献）；合成和静电纺丝方法（例如，Frenot、Henriksson和Walkenstroacute;m，2007；Kim、Kim、Kang、Marquez和Joo，2006；Ma、Kotaki和Ramakrishna，2005）；以及上述两种或几种方法的组合。所有这些方法导致不同类型的纳米纤维材料，这取决于纤维素原料及其预处理，更重要的是取决于崩解过程本身。最近，超声波技术作为一种新兴的分离纤维素纳米纤维的方法已经被充分描述（Cheng，Wang，amp;Han，2010；Cheng，Wang，Rials，amp;Lee，2007；Cheng，Wang，amp;Rials，2009；Wangamp;Cheng，2009；Zhao，Feng，amp;Gao，2007）。超声波能量通过一种叫做空化的过程传递给纤维素链，空化是指水中空穴的形成、生长和剧烈的坍塌。在这种所谓的声化学中，空化所提供的能量约为10-100 kJ/mol，在氢键能量范围内（Tischer、Sierakowski、Westfahl和Tischer，2010）。因此，超声波冲击可以逐渐将微米级的纤维素纤维分解成纳米纤维。然而，由于植物纤维的复杂多层结构和纤维间氢键（Manley，1964；Somerville等人，2004），这些方法获得的纤维是具有宽分布的聚集纳米纤维（Cheng等人，2009）。由于纤维素纳米纤维嵌入到微细胞和木质素等基质物质中，许多研究者在纤维化过程中采用化学方法去除基质，使材料保持在水膨胀状态。因此，可以获得具有均匀宽度的纤维素纳米纤维（Abe等人，2007；Abeamp;Yano，2009、2010）。尽管化学预处理已成功地用于通过研磨或均匀化过程的集成从纤维素或几丁质中分离纳米纤维（Fan，Saito和Isogai，2008；Ifuku等人，2009），但对超声波处理的研究还不够。本研究旨在利用高强度超音波与化学预处理相结合，将木材中的纤维素奈米纤维个体化。分别用扫描电镜和透射电镜分析了纳米纤维的形态和结构特征。FTIR、XRD和TGA实验在加工过程中对制备好的产品的变化进行表征。
2材料和方法
2.1 原材料
杨树木粉经60目筛分后用作天然纤维素纤维的来源。所有样品均风干，室温保存。将切片在90℃下用苯/乙醇的2:1（v/v）混合物在索氏装置中脱蜡6h。苯、乙醇、亚氯酸钠、乙酸、氢氧化钾和其他化学物质为实验室级，无需进一步纯化即可使用。
