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  近日，東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院于海鵬教授、陳文帥副教授課題組，在材料學(xué)院和生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持下，實(shí)現(xiàn)了納米纖維素的中試規(guī)模化制備，并首次證實(shí)超聲技術(shù)應(yīng)用于納米纖維素規(guī)模化生產(chǎn)的可行性。

  纖維素廣泛存在于樹木等植物之中，是一種取之不盡、用之不竭的可再生資源。納米纖維素提取自天然纖維素，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著資源的匱乏和人們對高附加值產(chǎn)品重視程度的日漸增加，科學(xué)有效地開發(fā)納米纖維素產(chǎn)品，有著重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。納米纖維素主要分為纖維素納米晶體（NCC）和纖維素納米纖絲（CNF）。一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始著手納米纖維素的中試化或產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，成功案例包括：加拿大FPInnovations與Domtar公司建立了CelluForce公司，采用酸水解法制備NCC，產(chǎn)量為1噸每天。芬蘭UPM和VTT公司也先后實(shí)現(xiàn)了CNF的中試化生產(chǎn)。美國林務(wù)局和緬因大學(xué)合作開辦了全美首家生產(chǎn)NCC和CNF的工廠。日本王子制紙與三菱化學(xué)聯(lián)手共同致力于CNF的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了納米纖維素薄膜的連續(xù)化生產(chǎn)。此外，日本東京大學(xué)Akira Isogai教授研究組、京都大學(xué)Hiroyuki Yano教授研究組也各自與相關(guān)企業(yè)合作，開展CNF的中試化生產(chǎn)以及功能性產(chǎn)品研發(fā)。這些商業(yè)化進(jìn)程推動(dòng)了納米纖維素的應(yīng)用及下游高附加值產(chǎn)品的開發(fā)。在中國，納米纖維素的產(chǎn)業(yè)化機(jī)會(huì)也在悄然到來，但目前還未見中試基地或規(guī)模化生產(chǎn)的相關(guān)報(bào)道。

  為了推動(dòng)我國納米纖維素產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，于海鵬教授研究團(tuán)隊(duì)采用大容量的高強(qiáng)度超聲波處理方法實(shí)現(xiàn)了CNF的中試化制備，該技術(shù)方法由陳文帥等自2009年開始探究并逐漸明確，已證實(shí)對以木、竹、秸稈、麥草、甘蔗渣和紙漿等為原料制備CNF具有廣泛的適用性，研究成果獲得3項(xiàng)國家發(fā)明專利授權(quán)，并相繼在Carbohydrate Polymers、Cellulose、ChemSusChem和Green Chemistry等國際期刊發(fā)表學(xué)術(shù)文章，吸引了國際數(shù)十個(gè)相關(guān)研究小組的關(guān)注，成為納米纖維素的代表性制備方法之一。以前期研究工作為基礎(chǔ)，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過審慎思考和反復(fù)調(diào)研，明確了技術(shù)放大方案，搭建了中試規(guī)模的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)以循環(huán)超聲裝置為核心，核心工作部件（多級聚能式和發(fā)散式超聲探頭、機(jī)械攪拌裝置）可靈活組合，可以放大到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模。平臺(tái)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)證明：直接以從造紙廠購進(jìn)的紙漿為原料，僅通過一步超聲處理就獲得高度均勻的CNF懸混溶液，整個(gè)過程簡單快捷。按照單次運(yùn)行的處理規(guī)模100升、超聲功率1kW和處理時(shí)間15min來估算，該平臺(tái)的產(chǎn)能可達(dá)2噸/天，已達(dá)到中試規(guī)模的處理能力。同時(shí)，該平臺(tái)的運(yùn)行成本和維護(hù)成本均較低，其技術(shù)原理和加工步驟也有利于與現(xiàn)有制漿造紙產(chǎn)業(yè)和纖維素工業(yè)相融合，這將有力地推進(jìn)納米纖維素在國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

  上述工作得到萬人計(jì)劃青年拔尖人才項(xiàng)目、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等基金項(xiàng)目的支持。