Enhancement in the yield and properties of cellulose nanocrystals by two- batch addition of ammonium persulfate

木材是一种复杂的材料，是一种天然的复合材料，由长而强的纤维素纤维通过一种被称为木质素的粘性、类胶水物质结合在一起。为了使木材在高端应用中发挥作用，科学家通常需要分离出这些纯净的纤维素纤维，并将其分解成被称为纤维素纳米晶体的微小针状结构。这些微观棒状物极其坚固且轻盈，使其在增强塑料、制造柔性电子产品或改良医疗材料方面具有很高的价值。然而，提取它们非常困难。传统上，化学家使用强酸来溶解“胶水”并分离纤维，但这个过程既危险又会产生有毒废物，而且往往会破坏纳米晶体脆弱的结构。一种更温和的替代方法是使用一种名为过硫酸铵的化学物质，它作为一种温和的氧化剂，可以在无需使用强酸或预先去除其他天然成分的情况下分解纤维素材料。挑战在于，虽然这种方法更安全，但在历史上效率较低，产生的晶体数量较少，且形状和尺寸不一致。

南京林业大学的一个研究小组致力于解决这一效率问题，他们通过改变向反应中引入化学物质的方式来进行实验。他们没有在开始时就将全部量的过硫酸铵倒入木浆中，而是尝试分两个阶段进行添加。他们发现，通过在第一次添加后等待四个小时再引入第二部分，这种简单的调整在时间与数量上的变化，从根本上改变了化学物质如何分解以及如何与木材发生作用。他们发现，这种两步法不仅加快了过程，还改变了所形成晶体的本质，从而获得了产量更高、更均匀且更适合用于增强其他材料的材料。

研究人员发现，当化学物质一次性加入时，它的分解速度相对较慢，且其产生的反应活性粒子往往在完全渗透进木纤维之前就被迅速消耗掉或相互反应。通过分次添加，他们能够在整个十小时的过程中保持反应活性粒子浓度更加稳定且有效。这使得化学物质的工作效率更高，能以更快的速率将木材分解为纳米晶体。结果是纳米晶体的总产量大幅增加。在他们最成功的实验中，纳米晶体的总产量从约42%跃升至近58%，这意味着从相同量的起始木浆中生产出了更多的可用材料。

除了制造出更多的晶体外，该方法还生产出了具有优越物理特性的晶体。研究人员测量了单个纳米晶体的长度和宽度，发现两步法制造出的棒状物比传统单步法制造的明显更长、更细。这种形状的变化至关重要，因为较长且较细的棒状物具有更高的长径比（即物体长度与宽度的比例）。在最佳情况下，晶体的长度增加了1倍以上，长径比提升了1agon 140%以上。此外，晶体的尺寸也变得更加一致。在传统方法中，晶体的长度和宽度差异巨大，但两步法产生的每一批次中，几乎每个晶体的尺寸都近乎完全相同。这种均匀性对于工业应用至关重要，因为它能确保最终材料的表现具有可预测性。

这些新晶体的化学性质也显示出令人期待的改进。这些晶体保持了很高的热稳定性，这意味着它们可以在制造过程中被熔化的塑料中承受更高的温度，这对于它们被混合进塑料中至关重要。虽然两步法制得的晶体与传统方法相比，其内部有序度（或结晶度）略低，但这并未损害它们的性能。事实上，这可能反而有所帮助。当研究人员将这些新晶体混合到聚乙烯醇薄膜（一种常见的塑料类型）中时，结果令人瞩目。薄膜变得显著更强、更硬。最令人印象深刻的是，薄膜也变得更加坚韧，这意味着它在破裂前能吸收更多的能量。表现最好的晶体（即通过两步法制得的晶体）在仅添加1%极低浓度的情况下，使塑料薄膜的强度提高了70%以上，韧性提高了近80%。

这项研究表明，化学物质的添加方式与化学物质本身一样重要。通过简单地将过硫酸铵的分次添加分为两批，研究人员成功引导木浆产出了更多的材料，并拥有更好的形状、尺寸和强度。研究结果表明，这种方法可以使高质量纤维素纳米晶体的生产更加高效且更具成本效益，有望为这些可持续的、基于木材的材料在从更坚固的包装到先进医疗器械等领域的广泛应用打开大门。这项工作证实，对化学反应过程中的时间进行精细调整，可以实现最终产品质量和数量的显著提升。