基本信息
- 项目名称：
- 纳米微晶纤维素的制备及其对纸浆的助留助滤作用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 硫酸水解法可以制得稳定的带负电的NCC水分散液，反应温度和酸浆比对产物得率和结晶度有决定性的影响。 NCC作为单元助留助滤剂，可以提高废新闻纸浆的留着率，但滤水速度略有下降。
- 详细介绍：
- 硫酸水解法可以制得稳定的带负电的NCC水分散液，反应温度和酸浆比对产物得率和结晶度有决定性的影响。制得的NCC得率在23.32%-33.56%之间，结晶度较高，能达到80%以上。在AFM下观察，NCC是横截面尺寸在纳米范围、长径比很大的长棒状晶体。将NCC悬浮液置于钇稳定的氧化锆表面，在自然条件下蒸发，可以得到具有特殊光学性质的膜。在偏振光显微镜下观察发现这种膜能够反射偏振光，且反射光的颜色随着入射光角度的变化而变化。 NCC作为单元助留助滤剂，可以提高废新闻纸浆的留着率，但滤水速度略有下降。NCC与CPAM组成微粒助留体系，其留着效果更佳。NCC用量0.25%时，留着率可以达到89%。浆料的滤水速度同时得到了提高。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 近年来随着石油、煤炭储量的下降以及石油价格的飞速增长，各国对环境污染问题的日益关注和重视，纤维素这种可持续发展的再生资源的应用愈来愈受到重视。作品以自然界含量最丰富的生物质资源-纤维素为原料，利用酸水解法制备纳米微晶纤维素，并将其作为助留助滤剂应用到纸浆中，研究其对纸浆的留着及滤水性能的影响，扩大了可再生的生物质材料在造纸中的应用。
科学性、先进性及独特之处
- 造纸行业面临着巨大的资源与环境压力。以生物质制备“绿色”造纸化学品及利用生物质资源进行生物和化学改性制备新材料，是未来纸业发展的重要方向。近年来，纳米微晶纤维素的分离、表征及其在纳米复合材料中的应用得到了广泛的研究，但其在制浆造纸中的应用，对纸浆性能的改善作用鲜见报道。利用纳米微晶纤维素或者将其与阳离子聚合物配合使用，以改善纸浆的滤水及留着性能，在国际上未见报道。
应用价值和现实意义
- 本研究的开展，对于扩大可再生的生物质材料在造纸中的应用，探索新型的微粒助留体系，改善制浆造纸操作过程，提高成纸质量，具有积极意义。
学术论文摘要
- 从漂白阔叶木浆中用硫酸酸水解得到了纳米微晶纤维素（NCC）。通过X-射线衍射分析(XRD)、颗粒电荷测定仪(PCD)、原子力显微镜(AFM)和偏光显微镜等分析手段，对其纤维形态和光学特性进行了表征，并研究了反应条件对NCC的结晶度、产物得率、表面电荷密度的影响。将制备得到的NCC单独用作助留助滤剂，或与CPAM联合组成微粒助留系统用于纸浆的助留助滤。研究结果表明，反应温度和酸浆比对产物得率有决定性的影响。由AFM观察和X射线衍射分析可知，NCC是横截面尺寸在纳米范围、长径比很大、结晶度很高(能够超过80%)的长棒状晶体，其得率在23.32%-33.56%之间。将NCC悬浮液置于钇稳定的氧化锆单晶表面，在自然条件下蒸发，可以得到具有特殊光学性质的膜。在偏振光显微镜下观察发现这种膜能够反射偏振光，且反射光的颜色随着入射光角度的变化而变化。NCC、CPAM/NCC微粒体系可以提高废新闻纸浆的留着率。CPAM/NCC微粒体系的助留助滤效果更加明显，NCC用量为0.25%时，留着率可以达到89%。浆料的滤水性能也得到了改善。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- 1. Li Rongji, Fei Jianming, Cai Yurong, etal. Cellulose whiskers extracted from mulberry: A novel biomass production. Carbohydrate Polymers, 2009, 76: 94–99. 2. Azizi-Samir M. A. S., Alloin F., Dufresne A. Review of recent research into cellulosic whiskers, their properties and their application in nanocomposite field. 2005, Biomacromolecules, 6(2): 612–626. 3. 沈一丁. 生物质造纸化学品的研究进展. 精细化工，2010，27（1）：1-5. 4. Ahola S., Osterberg M., Laine J. Cellulose nanofibrils-adsorption with poly (amideamine) epichlorohydrin studied by QCM-D and application as a paper strength additive. Cellulose，2008，15（2）: 303-314. 5. Henriksson M., Berglund L. A., Isaksson P., Lindstrom T., Nishino T. Cellulose nanopaper structures of high toughness. Biomacromolecules, 2008, 9 (6): 1579-158. 6. 中川弘. 新型浆内添加增强剂的应用. 国际造纸，2009，28（4）：53-57 7. Bondeson D., Mathew A., Oksman K. Optimization of the Isolation of Nanocrystals from Microcrystalline Cellulose by Acid Hydrolysis. Cellulose, 2006, 13 (2): 171-180
同类课题研究水平概述
- 纤维素主要由植物通过光合作用合成，是自然界取之不尽、用之不竭的可再生资源。近年来随着能源短缺现象的凸显，纤维素这种可持续发展的再生资源的应用愈来愈受到重视。 Nickerson和Habrle发现在一定浓度的酸中煮沸处理纤维素纤维一段时间，能够使纤维降解。受他们的启发，1950年Rånby等用酸解的方法，从木浆和棉花纤维中制得了胶体粒子大小的NCC悬浮液。大量的研究表明，利用酸或者纤维素酶在一定的条件下水解纤维素纤维，可以得到纳米微晶纤维素。NCC具有纤维素的基本结构与性能以及纳米颗粒的典型特性，其弹性模量高达150 GPa。巨大的比表面积、较高的杨氏模量、超强的吸附能力和高的反应活性，使NCC具有一些特有的光学、流变和机械性能。这些特性使得NCC 具有广泛的应用价值。 目前，我国纸和纸板的总产量达到8000万吨，消费量达到7900万吨，均位居世界第2 位，但造纸行业面临着巨大的资源与环境压力。以生物质制备“绿色”造纸化学品及利用生物质资源进行生物和化学改性制备新材料，是未来纸业发展的重要方向。 作为一种可再生的生物质资源，NCC在制浆造纸中具有广阔的应用前景。NCC具有巨大的比表面积，表面含有丰富的羟基，将其加入纸浆中，能够与纸浆纤维紧密的结合，从而提高纤维之间的结合力。Susanna等人将纳米纤维与PAE协同使用，发现纳米纤维可以大大提高PAE的增强作用。与单独使用PAE相比，纸张的干强度和湿强度都得到了大幅提高。Henriksson等人利用从木材中得到的纳米纤维，做成多孔性的纳米纸。这些纳米纸具有非常高的韧性和强度。 随着纸机车速、纸的产量、废纸使用比例及抄纸系统封闭程度的提高，超高速纸机留着率降低成为急需解决的问题。探索新的助留助滤体系，对丰富造纸湿部化学理论，改善制浆造纸过程，提高成纸质量，具有重要的理论及现实意义。NCC粒子具有纳米尺寸，较大的比表面积，可以作为微粒助留体系中的阴离子有机微粒，与阳离子聚合物形成新型的微粒助留体系。近年来，NCC的分离、表征及其在纳米复合材料中的应用得到了广泛的研究，但其在制浆造纸中的应用，对纸浆性能的改善作用鲜见报道。本研究的开展，对于扩大可再生的生物质材料在造纸中的应用，探索新型的微粒助留体系，改善制浆造纸操作过程，提高成纸质量，具有积极的理论和现实意义。
