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纖維素納米纖絲（Cellulose nanofibrils,，CNF）制備方法中,，高速盤磨、高壓均質(zhì)和微射流處理最為常見,。高速盤磨制備的CNF存在粒徑不均一,、分散性差且結(jié)晶度有所下降等問題,，高壓均質(zhì)在操作過程中長纖維容易堵塞閥門，相比于前兩種制備方法,，微射流處理減少了堵塞的程度,，且可制備得到直徑較為均一的CNF,。

1引言

纖維素資源是自然界中最豐富的可生物降解的聚合物資源，纖維素的組成成分是葡萄糖等碳水化合物,。纖維素的原料包含范圍很廣，大多數(shù)的生物質(zhì)資源例如：稻麥草,、蔗渣,、堅(jiān)果殼、木薯,、竹子,、花生殼等。纖維素可被制備成納米纖維應(yīng)用于復(fù)合材料中或作為增強(qiáng)劑與高分子復(fù)合以提高高分子材料的機(jī)械性能[1-6],。

納米纖維素具有可完全生物降解、均一性,、穩(wěn)定性以及可分散性等特點(diǎn)，可以作為其它納米粒子的分散劑如納米二氧化硅,、碳納米管,、納米銀線等,。再者,，其在高分子增強(qiáng)材料、醫(yī)用材料,、印刷包裝材料,、環(huán)保材料以及軍用材料等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[7,8],。此外，納米纖維素還具有高透明性可應(yīng)用于光電材料,、數(shù)顯材料等,。

根據(jù)制備方法或者制備的納米纖維素的特性不同,，納米纖維素主要分為兩種形態(tài)：纖維素納米晶（Cellulose nanocrystals，CNC）和纖維素納米纖絲（Cellulose nanofibrils,，CNF）,。

通過對(duì)纖維原料進(jìn)行化學(xué)或者酶解處理,，去除無定形區(qū)可以得到CNC，寬度幾十納米,，長度50~500 nm,，CNC具有良好的機(jī)械強(qiáng)度,、特殊的光學(xué)性能和自組裝性能,，在復(fù)合材料,、導(dǎo)電液晶材料、熒光傳感材料等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用[9-11],。

通過機(jī)械處理（高速盤磨,、高壓均質(zhì)或者微射流處理）可以得到CNF,，寬度小于100 nm，長度500 nm以上，長徑比高,，具有較大的比表面積,、良好的機(jī)械性能和低導(dǎo)熱系數(shù)，在吸附材料,、柔性電池及柔性顯示器、超級(jí)電容器隔膜紙和太陽能電池裝置材料等方面潛力巨大[12-14],。

CNF的制備方法包括盤磨法,、球磨法,、微射流法,、高壓均質(zhì)法和雙螺旋擠出法等[15-19]，以上方法中高速盤磨,、高壓均質(zhì)和微射流處理最為常見,。

高速盤磨處理是通過超微粒粉碎機(jī)中的靜態(tài)磨石與動(dòng)態(tài)磨石之間產(chǎn)生的碾壓,、撕裂剪切作用，經(jīng)過幾次循環(huán)往復(fù)的剪切搓揉作用,，纖維徑向尺寸可達(dá)到納米級(jí)別,，超微粒粉碎機(jī)兩塊磨石的間隙、處理時(shí)間和轉(zhuǎn)速會(huì)影響CNF的尺寸,，盤磨處理可以不需要對(duì)纖維進(jìn)行預(yù)處理，設(shè)備拆卸和清洗較為方便,，但是在處理過程中,，CNF粒徑不均一,、分散性差且結(jié)晶度有所下降[20-21]。 

高壓均質(zhì)處理是一定濃度的纖維素懸浮液被高壓往復(fù)泵輸送至工作閥區(qū)間,，通過均質(zhì)閥失壓形成空穴效應(yīng)產(chǎn)生高剪切作用使得纖維納米纖絲化[22],。高壓均質(zhì)處理最為常用,，易于工業(yè)生產(chǎn)，但是在操作過程中長纖維容易堵塞閥門,，特別是在串聯(lián)的閥門,，必須分解開清洗,，影響制備效率，同時(shí)能量消耗比較大,。

高壓微射流均質(zhì)機(jī)通過氣動(dòng)或電液傳動(dòng)的增壓器使纖維素懸浮液在高壓作用下以極大的速度流經(jīng)固定幾何結(jié)構(gòu)均質(zhì)腔中的微管通道，在均質(zhì)腔中纖維受到超高剪切力,、高碰撞力,、空穴效應(yīng)等物理作用，使其微纖化,，經(jīng)過多次循環(huán)實(shí)現(xiàn)纖維的解離，所產(chǎn)生的壓力越大,，纖維納米纖絲化程度越高[23]相比于高壓均質(zhì),，微射流處理減少了堵塞的程度，可制備得到直徑較為均一的CNF[24],，但如果纖維過長也會(huì)發(fā)生腔體堵塞，采用反沖方式可以解決這一問題,。

2實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

使用一定的化學(xué)方法及高剪切機(jī)械方法對(duì)纖維素樣品進(jìn)行預(yù)處理,，得到微米級(jí)別的樣品,。然后將預(yù)處理后的樣品通過意大利PSI-20高壓微射流均質(zhì)機(jī)處理，并采用全自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)儀進(jìn)行粒度分析,。此次實(shí)驗(yàn)采用均質(zhì)壓力：2000bar,，均質(zhì)8次，其結(jié)果如下所示：

圖1 2000bar均質(zhì)壓力下均質(zhì)不同次數(shù)時(shí)纖維素樣品數(shù)量粒徑分布結(jié)果

藍(lán)色為均質(zhì)1次的粒徑分布結(jié)果,，紅色為均質(zhì)3次的粒徑分布結(jié)果，黑色為均質(zhì)8次的粒徑分布結(jié)果,，黃色為原液的粒徑分布結(jié)果,。

圖1為2000bar均質(zhì)壓力下均質(zhì)不同次數(shù)時(shí)纖維素樣品數(shù)量粒徑分布結(jié)果,結(jié)果通過AccuSizer A7000系列顆粒計(jì)數(shù)器獲得,。從圖中可以看到，在未用微射流均質(zhì)前,，樣品在2~50 μm處明顯有峰,，此外，在0.7~2μm處也有峰。在2000bar下進(jìn)行均質(zhì),， 隨著均質(zhì)的進(jìn)行，2~50μm處的峰依次降低（綠色箭頭）,，0.7~2μm處的峰依次增加（紅色箭頭）,。說明在經(jīng)過微射流均質(zhì)處理后粒徑逐漸變?。ㄋ{(lán)色箭頭），越來越多的大的粒徑部分處理成小粒徑,。

圖2 為2000bar均質(zhì)壓力下均質(zhì)不同次數(shù)時(shí)纖維素樣品實(shí)物圖,，從圖中可以看到，在原液中明顯有肉眼可見的近似絮狀纖維存在,，透明度較低，隨著均質(zhì)的進(jìn)行透明度越來越高,，在2000bar微射流均質(zhì)8次后，得到的樣品有近似淡淡熒光色狀,，整體液體狀態(tài)更為細(xì)膩,。

圖2 2000bar均質(zhì)壓力下均質(zhì)不同次數(shù)時(shí)纖維素樣品實(shí)物圖

表1是均質(zhì)不同次數(shù)下,，不同尺寸粒徑濃度。從表1中可知：原液中≥5μm,，≥10μm，≥25μm,，≥50μm 濃度較高,，在2000bar微射流均質(zhì)處理8次后其濃度均有數(shù)量級(jí)的降低，說明在微射流均質(zhì)的處理下,，粒徑進(jìn)一步降低，大尺寸的纖維進(jìn)一步變小,。這一結(jié)果也與均質(zhì)后的實(shí)物圖表現(xiàn)一致,。AccuSizer A7000系列具有32自定義通道,，可根據(jù)需求同一時(shí)間可任意設(shè)定32個(gè)不同尺寸規(guī)格的通道，便于快速對(duì)比均質(zhì)效果。

表2 2000bar均質(zhì)壓力下均質(zhì)不同次數(shù)時(shí)纖維素樣品數(shù)量粒徑分布結(jié)果匯總

3儀器介紹

高壓微射流均質(zhì)機(jī)

PSI-20高壓微射流均質(zhì)機(jī)（小試兼中試型）采用固定結(jié)構(gòu)的均質(zhì)腔,，通過電液傳動(dòng)的增壓器使物料在高壓作用下以極大的速度流經(jīng)交互容腔的微管通道，物料流在此過程中受到高剪切力,、高碰撞力,、空穴效應(yīng)等物理作用，使得平均粒徑降低,、體系均一穩(wěn)定，由此獲得理想的均質(zhì),、分散,、去團(tuán)聚的結(jié)果。