基于辐射降解的纳米纤维素绿色宏量制备技术与机理研究

杨 蓓，崔国士，赵红英，束兴娟，樊 茹（河南科高辐射化工科技有限公司，河南省辐射化学新材料重点实验室，洛阳471000）通信作者联系方式：cuiguoshi2008@126．com

纳米纤维素及其应用是当前纤维素科学的前沿热点研究领域。 国外已有日本制纸、瑞典Innventia 公司、加拿大CelluForce 公司等企业投入了中试规模的试验装置， 但国内对该方面的研究大多仍处于实验室研究阶段。

酸解法是当前应用最多的纳米纤维素制备方法，但该方法需要消耗大量的高浓度无机酸，后处理困难，制备效率低，且存在严重的酸排放环境污染问题。 基于TEMPO 催化剂的催化氧化法是研究较多的纳米纤维素制备方法之一，但是TEMPO 催化剂价格昂贵，且回收困难，导致其制备成本很高，不利于纳米纤维素的推广应用。

本项研究以天然木桨纤维素为原料， 通过电子束辐射降解和进一步的机械化学处理首先制备了微米级的纤维素纤维水分散膏体，然后进一步通过高压均质制备了高浓度（≥5．0%）的纳米纤维素水分散液。通过原子力显微镜（AFM）和激光粒度仪分析可知，所制备的纳米纤维素的长度在100～450 nm 区间，直径在40～60 nm 区间，呈短棒状；电子束辐射的吸收剂量、机械化学处理过程的催化剂用量、温度和时间以及高压均质过程的物料浓度和处理时间对机械化学处理后纤维素颗粒和高压均质后纳米纤维素颗粒的尺寸、长径比和聚合度均有显著影响。 制备机理可描述为“三步法”，辐射降解过程有效降低了纤维素的聚合度，并使纤维素晶体产生大量缺陷；机械化学处理过程中，在机械力和微量催化剂的作用下，由表面至内部，原纤纤维逐步分丝、切断、剥离，形成短棒状微米级纤维；高压均质过程使微米级纤维进一步分丝形成短棒状纳米纤维素晶体。

本项研究制备过程中仅涉及微量催化剂，无污染物排放；后处理简单，易于工业化实施，成本低廉。 对于实现纳米纤维素的规模化生产和广泛推广应用具有重要价值。