东北林业大学实现纳米纤维素中试规模化制备

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近日，东北林业大学材料科学与工程学院于海鹏教授、陈文帅副教授课题组，在材料学院和生物质材料科学与技术教育部重点实验室的支持下，实现了纳米纤维素的中试规模化制备，并首次证实超声技术应用于纳米纤维素规模化生产的可行性。

纤维素广泛存在于树木等植物之中，是一种取之不尽、用之不竭的可再生资源。纳米纤维素提取自天然纤维素，具有独特的结构和优异的性能，有着广阔的应用前景。随着资源的匮乏和人们对高附加值产品重视程度的日渐增加，科学有效地开发纳米纤维素产品，有着重要的研究意义和实用价值。纳米纤维素主要分为纤维素纳米晶体（NCC）和纤维素纳米纤丝（CNF）。一些发达国家已经开始着手纳米纤维素的中试化或产业化生产，成功案例包括：加拿大FPInnovations与Domtar公司建立了CelluForce公司，采用酸水解法制备NCC，产量为1吨每天。芬兰UPM和VTT公司也先后实现了CNF的中试化生产。美国林务局和缅因大学合作开办了全美首家生产NCC和CNF的工厂。日本王子制纸与三菱化学联手共同致力于CNF的研发，实现了纳米纤维素薄膜的连续化生产。此外，日本东京大学Akira Isogai教授研究组、京都大学Hiroyuki Yano教授研究组也各自与相关企业合作，开展CNF的中试化生产以及功能性产品研发。这些商业化进程推动了纳米纤维素的应用及下游高附加值产品的开发。在中国，纳米纤维素的产业化机会也在悄然到来，但目前还未见中试基地或规模化生产的相关报道。

为了推动我国纳米纤维素产业的发展，于海鹏教授研究团队采用大容量的高强度超声波处理方法实现了CNF的中试化制备，该技术方法由陈文帅等自2009年开始探究并逐渐明确，已证实对以木、竹、秸秆、麦草、甘蔗渣和纸浆等为原料制备CNF具有广泛的适用性，研究成果获得3项国家发明专利授权，并相继在Carbohydrate Polymers、Cellulose、ChemSusChem和Green Chemistry等国际期刊发表学术文章，吸引了国际数十个相关研究小组的关注，成为纳米纤维素的代表性制备方法之一。以前期研究工作为基础，研究团队经过审慎思考和反复调研，明确了技术放大方案，搭建了中试规模的实验平台。该平台以循环超声装置为核心，核心工作部件（多级聚能式和发散式超声探头、机械搅拌装置）可灵活组合，可以放大到产业化生产规模。平台运行实验证明：直接以从造纸厂购进的纸浆为原料，仅通过一步超声处理就获得高度均匀的CNF悬混溶液，整个过程简单快捷。按照单次运行的处理规模100升、超声功率1kW和处理时间15min来估算，该平台的产能可达2吨/天，已达到中试规模的处理能力。同时，该平台的运行成本和维护成本均较低，其技术原理和加工步骤也有利于与现有制浆造纸产业和纤维素工业相融合，这将有力地推进纳米纤维素在国内的产业化进程。

上述工作得到万人计划青年拔尖人才项目、教育部新世纪优秀人才计划、国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费等基金项目的支持。

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