Poiché il materiale polimerico rinnovabile più abbondante in natura, la cellulosa ha un grande potenziale in imballaggi verdi, nuova energia, biomedicina e altri campi a causa della sua degradabilità, biocompatibilità e eccellenti proprietà meccaniche. Tuttavia, la cellulosa naturale affronta due problemi di base a causa della sua rete di legame idrogeno altamente cristallizzato e della struttura densa:
Insolubile e bassa attività: difficile da disperdersi nei solventi convenzionali, attività di reazione chimica insufficiente, limitazione della modifica funzionale;
Tinera di bottiglia tradizionale: sebbene i trattamenti meccanici come la fresatura a sfera e la taglio ad alta velocità possano defigurare parzialmente, hanno difetti come un elevato consumo di energia (i costi di elaborazione aumentano del 30%-50%), distribuzione delle dimensioni delle particelle ampie (il valore di span è spesso> 1,5) e facile da causare la degradazione termica, risultante nella stabilità del prodotto scadente e scenari limitati.
Come sfondare le barriere strutturali della cellulosa naturale e raggiungere una defibrazione precisa e una dispersione uniforme nano-livello è diventato un problema tecnico chiave di cui l'industria deve superare urgentemente.
Innovazione tecnologica: una svolta dirompente nella microfluidizzazione
La tecnologia di omogeneizzazione della microfluidizzazione assume la fluidodinica a pressione ad altissima pressione come principio fondamentale. Guida la polpa di cellulosa attraverso un'alta pressione di 100-420 MPA per formare getti supersonici nei canali a livello di micron. Utilizza i tripli effetti del taglio di collisione, l'effetto della cavitazione e il disturbo turbolento per raggiungere la dissociazione direzionale e la dispersione di nano-livello della rete di legame idrogeno di cellulosa. Rispetto ai processi tradizionali, i suoi vantaggi significativi includono:
Parametri di processo precisamente controllabili: la pressione e il numero di cicli possono essere regolati in modo indipendente per adattarsi alle caratteristiche strutturali della cellulosa da diverse fonti (come legno, bambù, alghe) e ottenere fibraizzazione a gradiente dal micron a livello di nanometro;
Efficienza di elaborazione ad alta efficienza e a basso consumo: sotto lo stesso effetto di elaborazione, il consumo di energia è ridotto di oltre il 60% rispetto al processo di fresatura a sfere e non sono necessari additivi chimici, che è in linea con la tendenza della produzione verde;
Eccellente omogeneità del prodotto: gli agglomerati vengono distrutti attraverso un forte taglio e la distribuzione delle dimensioni delle particelle del prodotto è stretta (il valore di span può essere basso di 0,8 o inferiore) e la stabilità è migliorata di 3-5 volte, gettando le basi per applicazioni di fascia alta.
Verifica sperimentale: i dati testimoni di forza tecnica
Per verificare l'effetto di regolamentazione della tecnologia di omogeneizzazione della microfluidizzazione sulla cellulosa, un team di ricerca ha utilizzato il ciclo 260 MPA/1 e i processi di 300 MPA/19 per trattare la polpa di cellulosa e sono stati ottenuti con il campione non trattato (gruppo di controllo), sono stati ottenuti i seguenti dati chiave:
1. Effetto di perfezionamento delle dimensioni delle particelle significativo
Dimensione mediana delle particelle (D50): il gruppo di controllo era di 83,23 nm e il gruppo sperimentale è sceso a 46,68 nm, una diminuzione del 44%, indicando che la dimensione delle particelle era ridotta di quasi la metà;
Uniformità di distribuzione delle dimensioni delle particelle: quantificato per valore di span ((D90-D10)/D50), il gruppo di controllo era 1,48 (ampia distribuzione) e il gruppo sperimentale è sceso a 0,84 (distribuzione stretta) e l'uniformità è stata migliorata del 43%, che ha risolto completamente il problema irregolare di "ampia agglomerazione di particelle e piccole particelle" nei tradizionali processi.
2. Ottimizzazione della microstruttura
Le immagini del microscopio elettronico a scansione (SEM) mostrano che la cellulosa nel gruppo di controllo presenta una struttura del fascio di fibre grossolane con una superficie liscia e un evidente agglomerato; I fasci di fibre nel gruppo sperimentale sono completamente dissociati in fibrille nano-scala, con una superficie porosa e una superficie specifica aumentata di 2-3 volte, fornendo un'interfaccia ideale per il carico di molecole funzionali (come farmaci e catalizzatori).
Scenari di applicazione: sbloccare il multi-valore della cellulosa
La tecnologia di omogeneizzazione della microfluidizzazione offre ai nanomateriali della cellulosa la seguente competitività principale e promuove applicazioni innovative in più campi:
Materiali compositi verdi: come fase di rinforzo per preparare materie plastiche a base biologica ad alta resistenza per l'imballaggio alimentare e parti automobilistiche leggere, le proprietà meccaniche sono migliorate di oltre il 50%;
Campo di accumulo di energia: la superficie specifica elevata e la conduttività ionica della nanocellulosa possono essere utilizzate per elettroliti a batteria a stato solido e materiali per elettrodi supercondensatori;
Applicazioni biomediche: la nanocellulosa dispersa uniformemente può essere utilizzata per preparare portatori di farmaci controllabili e degradabili e impalcature di ingegneria tissutale, con eccellente biocompatibilità e nessun rischio di residui chimici;
Trattamento delle acque ambientali: attraverso la modifica della funzionalizzazione superficiale, la nanocellulosa può essere utilizzata come adsorbente efficiente per rimuovere ioni metallici pesanti e inquinanti organici in acqua.
Con l'avanzamento degli obiettivi "Dual Carbon", lo sviluppo verde e di alto valore di materiali a base di cellulosa è diventato una tendenza inevitabile. La tecnologia di omogeneizzazione della microfluidizzazione, con la sua precisione, efficienza e cordialità ambientale, fornisce un nuovo percorso affinché la cellulosa salti da "risorsa" a "materiale funzionale". Al momento, la tecnologia ha raggiunto la finalizzazione dei processi nella fase di laboratorio e si sta gradualmente trasformando in produzione industriale. Si prevede che sovvertirà il tradizionale settore dell'elaborazione della cellulosa e promuoverà l'innovazione e il potenziamento della tecnologia globale di materiale rinnovabile.