纳米纤维素-技术应用-苏州微流纳米生物技术

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纳米纤维素

作者:浙江微流纳米生物 日期:2019-06-02 点击:1833
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  随着社会与人类文明的不断进步,可持续发展也上升到国家战略层面。可再生资源,特别是绿色生物能源的利用将是未来研发应用的重要方向。纤维素在自然界储备丰富。它在植物组织中有大量储备,也可以由动物、微生物不断制造产生,是绿色可再生天然生物高分子物质的典型代表。

  纤维素具有生物可降解性、亲水性、手性、可修饰性等很多优越的生化性能。依据来源可以分为细菌纤维素、植物纤维素和动物纤维素;依据其分子大小、功能、制备方法和主要来源,又可将其分为微纤化纤维素、纳米微晶纤维素、细菌纳米纤维素。1886年,科学家首次发现木醋杆菌可以产生一种细菌纤维素(Bacterial Cellulose,简称BC),其粒径可以达到几十至一百纳米级别,像BC这样具有纳米尺度的纤维素被称为纳米纤维素。纳米纤维素不仅承继了纤维素的一些特性,而且具有极高的比表面积、强吸附能力、高杨氏模量和反应活性,在溶液中可以形成特定网状纳米超分子结构,因此在众多领域得到广泛应用。

纳米纤维素的分类、来源及其制备方法.png

表1 纳米纤维素的分类、来源及其制备方法

纳米纤维素常见应用场景举例:

  1.纳米纤维素水悬浮液在强大的剪切力或者高压均质作用下可形成稳定的胶状液,可用作药品、食品、化妆品和水泥的高效添加剂。

  2.纳米纤维素具有乳化和增稠作用,能耐高温和低温,外观酷似奶油,可以代替奶油以降低奶制品的热量,作为理想的减肥食物。

  3.纳米纤维素还可以与聚乙烯一起制成锂电池。

  4.在纳米纤维素表面引入桂、醚、酯、氟等基团,经化学改性后,作为新型的精细化工产品应用于液相色谱柱的填充材料中。

  5.纳米纤维素的悬浮液在磁场或低剪切力的作用下会发生定向,干燥成为固体后这种定向仍旧存在。这便使纳米纤维素具有了手性向列液晶相的特殊光学性能, 这种膜所反射的圆偏振光的颜色随入射角的不同而变化。基于此,纳米纤维素可用于荧光变色颜料,特别是用于荧光变色油墨的制造。由于纳米纤维素的光学特征不能通过印刷和影印进行复制,使其在制造防伪标签、防伪纸及高级变色防伪油墨中的应用成为可能。

  6.在制浆造纸领域,由于纳米纤维素具有较大的比表面积和丰富的表面羟基,可以提高纸浆纤维之间的结合力,因此可以作为造纸用增强剂、助留和助滤剂使用。

  7.改良高分子复合材料属性:作为具有纳米尺寸的可再生增强材料,纳米纤维素可有效改善聚羟基辛酸酯、淀粉、蚕丝、醋酸丁酯纤维素等天然聚合物及聚氯乙烯(PVC)、聚乳酸(PLLA)、聚丙烯(PP)和聚氧乙烯(POE)等合成聚合物的透明度和机械性能。因纳米纤维素具有较高的杨氏模量和热稳定性,当纳米纤维素混悬液与聚氧乙烯水溶液高压均质混合后,涂膜并干燥后得到的固体薄膜复合材料,具有更高的熔融温度,与聚乙二醇形成的复合材料拉伸强度增加了十几倍。

  8.其他:纳米纤维素还可用作各种医药用材料(药物缓释、医学移植物、生物组织工程、抗菌剂等)、离子吸附与交换材料、生物功能材料(固定化酶载体、DNA 标记生物传感、生物成像、内毒素吸附剂)等,并有望制备出具有光、电、磁等性能的纤维素功能材料及纤维素膜,其潜在的用途是液晶聚合物、敏感元件、智能识别系统、生物活性及生物相容性材料等。

Genizer微射流纳米高压均质机

图1 Genizer微射流纳米高压均质机

纳米纤维素制备:

  常见纳米纤维素的制备方法有:生物化学法(生物酶水解法、酸水解法,此种方法获得的纳米纤维素常为胶状颗粒,还常被称为纳米晶须、纳米晶体纤维素、纤维素微晶等);物理机械法(微射流高压均质、高速剪切、研磨、超声波等,这种机械法制备的纳米纤维素主要呈纤维状,一般称之为纳米纤维素纤维或者纤维素微纤丝)。

  微射流高压均质技术具有压力高、施力均匀、可控性强等特点。和酸水解法相比,高压均质处理得到的纳米纤维素纤维所需要的周期短,效率高, 且更加环保节能,更适合于连续批量化的工业生产。相对于高剪切技术等其他机械手段,高压均质细化效果更为强大,产品更加均匀。目前,国内外主要将高压均质技术应用在化学、制药、特种食品生产以及生物工程等领域。



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