微波选择性液化高效制备竹材纳米纤维素机理研究

Microwave selective liquefaction of bamboo is an efficient method on the preparation of cellulose nanofibers, which solved the issues on high energy consumption and waste of by-products during the nanofiber production using conventional approaches. However, the structure of cell tissue and the physical-chemical properties of the cell wall components in bamboo greatly differed with one another. The effect mechanism of these factors on the preparation of cellulose nanofibers using microwave selective liquefaction is not yet clear. Therefore, the dynamic dielectric property of cellulose, hemicellulose, and lignin from bamboo during microwave selective liquefaction and its relationship with the liquefied residue content, the liquefaction behaviors of bamboo samples with and without silicon that has strong microwave absorbability, and the changes in micro- and ultra-structures of bamboo fiber and parenchyma cells during the process will be thoroughly investigated in order to clarify the effect of dielectric property of bamboo cell wall components, silicon in bamboo, and bamboo cell structures on the microwave selective liquefaction process for the preparation of cellulose nanofibers. The findings of this research will provide fundamental information and practice instructions on realizing the industrial production of cellulose nanofibers from bamboo using microwave selective liquefaction technique.

微波选择性液化竹材可高效制备纳米纤维素，该技术解决了传统竹材纳米纤维素制备过程能耗高、副产物利用难的问题。但竹材组织细胞结构多样、化学组成成分性能不一，其对微波选择性液化制备竹材纳米纤维素的影响机制尚未明确。因此，本研究旨在：（1）通过分析竹材主成分介电性在微波选择性液化过程中的动态变化及其与液化效率间的关系，探讨竹材主成分的介电性对微波选择性液化的影响机制；（2）通过对比竹材与去硅竹材在微波选择性液化制备纳米纤维素过程中的行为差异，探讨竹材中强微波吸收能力的硅元素对微波选择性液化制备竹材纳米纤维素的影响机制；（3）通过分析微波选择性液化制备竹材纳米纤维素过程中竹材纤维细胞和薄壁细胞微观和超微结构的变化，探讨竹材细胞结构对微波选择性液化制备竹材纳米纤维素的影响机制。为微波选择性液化制备竹材纳米纤维素技术的产业化应用提供理论依据和实践指导。

微波选择性液化竹材可高效制备纳米纤维素，该技术解决了传统竹材纳米纤维素制备过程 能耗高、副产物利用难的问题。但微波选择性液化制备竹材纳米纤维素的影响机制尚未明确，利用该技术开展应用生产的理论基础还不够完善。本项目（1）从竹材介电性变异的角度，分析了竹材原料与微波选择性液化之间的关系；（2）从竹材硅元素分布的角度探讨了竹材成分及硅元素对微波选择性液化的影响；（3）从化学成分、微观构造、孔隙率、吸附特性在竹材细胞间差异的角度，分析了竹材细胞类型对微波选择性液化制备竹材纳米纤维素的影响；（4）从竹材纤维素氢键结构、结晶度、晶面间距、晶型比例变化的角度，探讨了微波选择性液化与竹材纤维素超分子结构间的关系。研究结果发现：（1）竹材介电性受竹种、竹材部位、含水率的影响较大，这为解释不同竹材原料微波选择性液化行为差异提供了支撑；（2）竹材硅元素主要分布在竹青表面，且分布深度及含量受竹种影响，除含硅含量高的原料液化后纤维具有较高的灰分外，并未发现硅在液化过程中的催化作用；（3）薄壁细胞中较少的木质素含量、较大的孔隙率及对溶剂的高吸收性能是其在微波液化过程优于纤维细胞的重要因素，且微波选择性液化薄壁细胞所制备的纳米纤维素得率更高，尺寸分布更均匀；（4）微波选择性液化后，竹材纤维素分子间氢键断裂，纤维变得蓬松，纤维素晶面间距和晶体尺寸变大，竹材纤维素氢键和晶体结构等超分子结构的改变为后续纳米纤维素的高效制备提供了更有利的条件，这为微波选择性液化能够高效制备竹材纳米纤维素提供了重要的基础支撑。此外，项目还通过微波选择性液化耦合草酸水解的方法，制备了高得率含有木质素的竹材纳米纤维素，其整体得率大于70%（基于微波选择性液化竹材原料），为竹材纳米纤维素的产业化应用提供了基础参数。项目的研究结果填补了微波选择性液化高效制备竹材纳米纤维素的基础理论，为微波选择性液化用于竹材纳米纤维素的生产提供了基础支撑。