納米晶體纖維素可以從多種纖維素來源中分離出來，下面是小編蒐集的一篇關於納米晶體纖維素提取應用探究的論文範文，歡迎閱讀參考。
衆所周知，纖維素是可再生的聚合物資源，被認爲是一種取之不盡用之不竭的原料，從纖維素中提取出的納米晶體纖維素(nanocrystallinecel-lulose,NCC)是最豐富的生物聚合物，也是最有潛力的材料。
分離提取NCC需要經過兩個階段。第一階段是原材料的預處理，即對木材和植物(包含基質材料---半纖維素、木質素等)的完全或部分分離以及分離有纖維質的纖維。第二階段是受控制的化學處理，通常水解作用除去纖維素聚合物的無定型區。本文概述了NCC的提取方法及過程，並分析了生產NCC所面臨的挑戰和NCC的應用範圍及領域，以期爲NCC的相關研究提供參考。
1、納米晶體纖維素的提取
納米晶體纖維素(NCC)可以從多種纖維素來源中分離出來，包括植物、動物(被囊)、細菌和藻類等。NCC幾乎可以從任何纖維素材料中萃取出來，在實踐過程中，研究人員傾向於從木材、植物和一些相對較純的纖維素如微晶纖維素(mi-crocrystallinecellulose,MCC)或漂白的牛皮紙漿等原料中提取。木材因其天然丰度、廣泛的利用度和高含量的纖維素而成爲纖維素的主要來源。
由於上述幾種原料易得到，可以保證實驗室提取出NCC的純度[1],還可以從MCC、濾紙或相關產品中精製出NCC.此外，被囊動物的長度和高結晶度[2]使其成爲備受青睞的NCC來源，雖然它的廣泛使用受到高成本收割和有限利用率的限制。
1.1木質纖維素生物質的預處理
木材和植物等原料的預處理過程相似，採用的是在紙漿和造紙工業中通常使用的技術。在實踐中，木質素阻礙木材分離成纖維，所以木質素脫離是生成NCC的必要步驟。例如Siquera等[3]和Smook等[4]描述了製漿和漂白過程，主要是由化學處理(製漿)的生物質先切取解聚，並最終溶解木質素和半纖維素，之後用氧化劑(如氧氣或NaClO2氧化)漂白。
蒸汽爆炸過程是另一個有效的預處理方法，用於將木質類生物質轉化，最終達到分離納米纖維的目的[5,6].在過去的二十年裏，蒸汽爆炸的預處理技術一直是研究熱點，特別是因爲其得到的原料更適合用於酶水解[7].在此過程中，生物質樣品首先磨碎，然後在200~270℃的溫度下、14×105~16×105Pa的壓力下進行短時間(20s~20min)的高壓蒸汽處理。開啟蒸煮器後壓力迅速下降，材料暴露於正常的大氣壓下引起爆炸導致木質纖維素結構的分解。蒸汽爆炸引起半纖維素和木質素從木材中分解並轉化成低分子量級分，可以透過萃取來回收。許多半纖維素的水溶部分可以透過水萃取除去，此外，還可以萃取出木質素的低分子量級分。再用其他化學處理除去所有木質素。上述步驟都能除去木質素和半纖維素，如果達成最佳條件則可使纖維素被完整的保留。蒸汽爆炸的有效性取決於生物質原料，例如對硬木使用該方法比對軟木更有效[8].
1.2水解作用
R?nby[9]透過控制硫酸水解纖維素纖維來生產纖維素晶體膠態懸浮液。從纖維素中分離NCC的方法仍然是在可控制的硫酸水解作用的基礎上選擇的，這是由於使用硫酸水解可得到穩定的懸浮液[10~12].在水解過程中，非結晶區率先水解，而結晶區則具有較高的抗酸蝕性[13].需注意的是NCC的商業可用性有限，其主要原因是生產過程耗時且產率低。
用於生產NCC的典型程序包括以下步驟：
①強酸水解純纖維素材料要在嚴格的控制條件下，包括溫度、時間和攪拌速度，並且還要控制其他的一些條件如酸的性質、濃度和酸與纖維素的比例;②用水稀釋以停止反應，然後連續離心並重復洗滌;③對蒸餾水大量透析充分除去遊離酸離子;④機械處理，通常是超聲處理，使納米晶體分散成均勻的高穩定懸浮液;⑤最後濃縮、乾燥懸浮液來生產固體NCC.
Dong等[14]對纖維素硫酸水解做過最詳細的報告，包括關於溫度、反應時間和超聲處理對所得納米晶體性質影響的調查。研究結果顯示了在45℃下反應時間從10min上升到240min時微晶表面電荷普遍增長，而微晶的長度減少並且大致穩定。
2、納米晶體纖維素生產中的問題及挑戰
萃取對於NCC的.進一步生產加工以及使其變爲功能性且高增值的材料是極其重要的。但是，萃取也面臨着像常規方法一樣的問題，如減少成本和擴大生產這兩個在各個相關研究中普遍涉及的問題。特別是減少NCC生產成本這個重要指標，因爲它可以擴大適用於NCC應用的市場範圍，接下來的部分將討論減少NCC生產成本的一些研究嘗試及遇到的問題。
2.1利用廢棄生物質來生產NCC
目前，研究的重點是儘可能使用森林和農業殘留物作爲NCC來源，因爲它們來源豐富且成本低，能源消耗少，而且可以簡化廢物處理。在全球範圍的不同氣候區，嘗試使用不同的當地資源以1資源。比如已有研究從菠蘿葉纖維[5]、瑞典甘藍根[14]、草[15~17]、麥秸[18,19]、稻草[20]、椰子纖維和桑樹的分支樹皮[21]中提取NCC,最近也有研究人員從雪當利葡萄皮中提取出NCC[22].
基於植物的纖維素納米纖維有可能萃取到比細菌纖維素纖維更薄的纖維，許多研究人員已經從木材和其他植物中提取出納米纖維。然而，因爲植物纖維和原纖維間氫鍵的複雜多層結構，透過常規方法獲得的纖維(高壓均質器、研磨機、低溫破碎)是在寬度上廣泛分佈的聚合納米纖維。
Abraham等[23]已開發出一種簡單和低成本的方法從各種不同的木質纖維素中獲得含水率穩定的纖維素納米纖維的膠體懸浮液。他們考慮了3種不同的啓動纖維：香蕉(假莖)、黃麻(莖)和菠蘿葉纖維。研究發現菠蘿葉纖維是最好的納米晶體纖維素預備材料之一，而黃麻纖維價廉且資源豐富，原麻纖維中約有60%~70%的纖維素含量。因此，從成本效益考慮，黃麻纖維是生產納米纖維潛在的候選原料。
從秋葵韌皮部提取的天然纖維，被用來作爲原材料生產微纖維和納米纖維，着眼於獲得具有高結晶度和熱穩定性的纖維素結構。方法是先用鹼預處理，再用硫酸萃取。儘管水解參數應用是建立在早先關於從微晶材料中萃取NCC的調查研究上，但也充分證明了水解適用於粗視纖維，如秋葵。而從形態學和熱力學分析的結果表明，對於一些潛在的秋葵纖維和一般的韌皮草本纖維來說，它們在納米複合系統中以NCC的形式被應用。
2.2NCC和纖維素生物燃料的集成生產
目前兩種納米晶體纖維素和纖維素生物燃料的生產方法是不經濟的，在生物煉製中得到的產品中含有夾雜物，這將會增加工作量和企業的收益風險[21]等[24]提出一個新的概念來結合這些產品：酶促分餾用來分離葡萄糖流，生產生物燃料和加固纖維固體組分。這個最新的方法被他們用來生產微纖絲化纖維素(microfibriuatedcel-lullose,MFC).另一方面，Oksman等[25]從木質纖維素生物質分離出的生物乙醇產品中分離出NCC.生物殘留物使用時通常稱爲木質素，可從中得到含量較高的纖維素(大約50%)和NCC結晶度超過73%的產率。此外，Mandal和Chakrabarty[26]考慮了從甘蔗渣中提取纖維素納米晶體的可能性。甘蔗渣是每年大量地從糖和酒精工業以及生物乙醇生產設施中產生的殘餘物。
2.3NCC生產的標準化
用於生產的配方需要具有能生產大小均勻，長寬比、表面化學性質一樣的特點，這將爲NCC懸浮液提供更高的控制力，並基於NCC複合材料的設計和加工。至今，附加的步驟，如滲透[11]、差速離心[27],或是超速離心法[28]都可以降低微晶的多分散性。Beck-Candanedo等[10]開展了一項調查，長時間的硫酸水解條件下可產生短的、多分散性的納米顆粒。這意味着可以生產出有着可控大小、縱橫比和可控化學表面的NCC.這樣的控制需考慮重複性以及最佳性能的材料。
2.4透過硫酸水解增加NCC的產量
增加萃取NCC的生產產量對最終的成本有着重要的影響。Oksman等[29]透過實驗的析因設計矩陣研究了最優的水解條件並證明了NCC在63.5%硫酸條件下水解2h可得到30%的產量(在原重量的基礎上).最近Hamad和Hu[30]開展了一個關於結構-加工-產量的相互關係的系統研究，用於從商業的軟木材牛皮紙漿中提取NCC.用64%的硫酸水解可得到高度結晶的NCC(>80%),產量爲21%~38%.在溫度爲65℃條件下並將反應時間縮短爲5min時可得到最高產量。結論顯示出硫酸鹽化作用在決定NCC提取產量方面起到了重要作用，並且在結晶度和聚合度方面賦予了NCC相應的特徵。
3、納米晶體纖維素的應用範圍及領域
近十年來，大量研究表明NCC可以用作納米複合材料的填充物以改善機械性能和阻隔性能[3,13,31~37].現在的研究熱點主要在於完全生物基和可生物降解的系統。綠色複合材料是指既是聚合物基體也是生物基填充物的物質。
事實上，愈來愈多來自不同領域的研究人員開始對NCC感興趣，他們正計劃和探索出NCC其他的用途，例如泡沫、氣凝膠[33],選擇性透過膜的結構單元[38],粘合劑材料改進[33]或透過自身粘合[39]作爲一種對低濃度聚合物電解質的機械增強劑，它可在鋰電池產品中使用[40~43],也可以在生物分子核磁共振中使用[44].
3.1利用NCC改進機械性能
對工業部門而言，透過向納米複合材料中添加NCC來改進機械性能，這是一個重要的研究熱點，涉及這一領域的研究和優秀評論非常多[13,31~37]er等[12]第一次報道了基於納米複合材料的NCC作爲聚增強填料(苯乙烯-丙烯酸丁酯).因此，研究者們將注意力集中在完全生物基複合材料。雖然這種生物聚合物具有很高的潛力可以取代塑料，但僅基於澱粉的材料缺乏強度[45]ès等[46,47],Cao等[48,49]和其他科學家[45,50]發現澱粉基聚合物可以透過添加一定量的NCC來加固。
3.2添加NCC可改進熱學性能
NCC及其複合材料的熱力性質都具有侷限性，也影響了它們的潛在應用，一些問題仍在進行評估[3,13,32].事實上，限制NCC應用的主要問題是在高溫下纖維素材料的熱降解或機械性能的減少[51],但在一些情況下，添加NCC會改進熱力學性能。一些學者透過差示掃描量熱法(DSC)改進了玻璃-橡膠轉變溫度、Tg、熔點、Tm和熱穩定性。
Siqueira等[3]強調了NCC增強聚合物在轉變溫度變化的效果，但研究者並沒有透過這些參數觀察到相關變化，因爲納米填料具有很大的比表面。
另一方面，DMTA、動態熱力學分析表明了相比於純的基質聚合物要如何在複合材料中引進NCC來改進機械性能反應[51].純聚合物提取的複合材料的Tg是不變的，但溫度在Tg之上的複合材料具有更高的儲存和損耗模量，且穩定化影響隨着基質中NCC濃度的增加而增強[19].最近，Auad等[52]透過加入納米晶體纖維素來觀察形狀記憶嵌段聚氨酯(SPUs)的熱性能改進。在懸浮製造過程中加入少量的納米晶體可顯着的改善市售形狀記憶聚氨酯(沒有形狀記憶性能衰退)的剛度。一些學者調查到一個重要的工業問題：在某些情況下，用纖維素納米晶體作爲生物基成核劑處理基質會使一些不同的熱塑性基質如聚(乳酸)(PLA)的結晶速度變慢[53~55].最近有研究表明，以高性能納米複合材料爲基礎的聚乳酸(PLA)的非等溫冷結晶行爲能夠增強納米晶體纖維素和銀納米粒子[56].在納米晶體表面存在表面活性劑會使得NCC在PLA矩陣中更容易散佈，非等溫結晶的研究強調了在結晶過程中納米晶體纖維素含量及修飾的影響。
3.3NCC可以改進阻隔性能
納米系統的阻隔性與許多應用有關。如從廢液中分離有毒金屬[57,58]和生物甲烷改造[59,60].包裝是一個特殊的領域，在這個領域，安全和微創加工材料的需求不斷增加，使完全生物基複合材料更具吸引力[61].事實上，包裝是塑料材料消耗最大的市場，它也是廢物處置問題的主要來源之一。特別是食品包裝材料，既需要機械強度又要能阻隔分子氣體(主要是氧氣),控制水分散失、味道和香味的改變。NCC改進材料的研究主要集中在水蒸氣傳輸和透氧率。
例如，Saxena等[62]將NCC合成木聚糖/山梨醇薄膜來製成生物降解屏障膜。加入10%的NCC可以使水的傳輸特性降低74%.有學者認爲，NCC的高結晶度和剛性的氫鍵網絡形成的一個集成的基質(如過濾理論所描述的),可以改進阻隔性能。近期有研究展現了透過溶劑澆鑄法生產PLA納米生物複合材料系統，無修改加強和表面活性劑改性的纖維素納米晶體來增強PLA薄膜阻隔性能的可能性。此外，爲了獲得具有增強機械性和熱力學性質還能抗微生物的多功能系統，研究人員最近正考慮在聚合物基質中使不同加固相結合的可能性。Fortunati等[63]報道了以銀納米粒子在聚乳酸的矩陣中添加納米晶體纖維素，用來革新納米複合材料薄膜。該薄膜可能產生不同於改進機械性能的抗金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌作用。含銀的新的多功能聚乳酸納米複合材料的抗菌活性很顯着，這再次證明了銀離子能夠干擾呼吸鏈從而引起細菌存活力降低[64].
4、展望
目前，NCC作爲新興的納米生物材料，在電子工業、醫藥工業、食品及日用化工業等方面的應用研究引起了世界各地的廣泛關注。相比於MCC,NCC自身優勢更爲強大，NCC所特有的性質和可發展性，使得其用途廣泛，如製漿、造紙，用作藥品或食品等的高效添加劑等。另外，由於NCC具有聚集態結構的特殊性質，以及低能耗、環保可再生等優勢，使其在許多新興領域也具有廣闊的應用前景。
參考文獻
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