螺旋微流道分级分离纳米纤丝纤维素

发布时间：2020-09-29 10:21

　　作为一种新兴的纤维素纳米材料,纤维素纳米纤丝(CNF)已经在造纸、材料化学、医学、化妆品等领域显示出巨大的潜力。为了实现CNF高值化应用,因此需要研究纳米纤维素的绿色制备和分级分离等关键技术。关于纳米纤维素的分级分离目前主要的分离方法如膜分离、泡沫分离、水力旋流器和离心分离均没有达到比较理想的分级分离效果。本文主要围绕螺旋微流道对TEMPO氧化制备的CNF的分级分离,展开了以下研究:1.根据螺旋微流控芯片分级分离的原理和设计原则,设计了不同螺旋结构、不同曲率半径和圈数的八种微流控芯片,八种芯片包括:最小螺旋半径为3 mm,最大螺旋半径为10 mm,螺旋圈数分别为T=6和T=4的单、双螺旋微流控芯片;最小螺旋半径为5 mm,最大螺旋半径为15 mm,螺旋圈数分别为T=4和T=6的单、双螺旋微流控芯片;2.以针叶木浆板为原材料,用TEMPO氧化法制备了CNF,通过注射泵控制不同的流速,探索了八种芯片分级分离CNF的效果和分级分离的最佳流速。结果表明:在直径方向上很难分级分离CNF,在长度方向上能实现CNF的分级分离;在流速为50-90μL/min的范围内,八种芯片均能在流速为80μL/min时实现CNF的分级分离;3.采用交叉率和A值两种指标对八种芯片在最佳流速下分级分离CNF的效果进行评价,交叉率表示三个出口相互之间的CNF曲线交叉点占总样本的比率,A值表示三个出口CNF拟合曲线之间交叉面积。结果表明:螺旋结构为单螺旋,最小曲率半径为5 mm,圈数为6的螺旋微流道芯片对CNF分级分离的效果最佳;最佳流速和最佳芯片也适用于分级分离以阔叶木为原料,TEMPO氧化制备的CNF。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.1;TQ352.79
【部分图文】：

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图 2-1 微流道截面 CNF 平衡位置示意图CNF 的平衡位置与微流道横截面的形状有关。如图 2-1 所示，在一定雷诺数的微中，微流道截面是圆形时[54-55]，CNF 所在的平衡位置会随着由剪切梯度引起的升力面诱导惯性升力的共同作用移动到距离微流道壁面一定距离的圆环平衡位置处；微横截面是正方形时，CNF 所在的平衡位置在靠近微流道壁面对称中心的四个平衡位[56]；当微流道横截面为高长宽比的长方形时，CNF 所在的平衡位置在靠近较长的道壁面中心的两个平衡位置上，这是因为剪切升力在水平方向更强。因此为了方NF 的分级分离[57]，在后面的螺旋微流道的设计中采用高长宽比的长方形截面。C平衡位置除了与微流道横截面的形状有关，还与 CNF 所受流体的流速有关，由表 2-1 可以看出，CNF 所受净惯性升力（即平衡力）与流体速度有密切的联系[58-60]， CNF 在所在平衡位置也与流体速度有关，太快或者太慢的流速均不能使 CNF 很好焦在平衡位置上。基于此，这也是本文需要探讨的关于 CNF 在螺旋微流道中达到位置所需的流体速度为多大。

设计图,设计图,双螺旋,微流

单双螺旋微流道设计图

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图 3-1 CNF 分级分离示意图3.5 CNF 的表征3.5.1 CNF 的表征方法1. SEM 的表征方法将分级分离前的纳米纤维素悬浮液和分级分离后三个出口获得纳纤悬浮液都稀释到 0.003%的浓度。在冰浴条件中超声 5 min，用塑料滴管将超声后的纳纤悬浮液滴到云母片上，在常温下干燥。经喷金处理后，利用 SEM merlin 在加速电压为 5 kV，放大倍数为 50 K 的情况下观察纳米纤维素的表面形态，每个样品选取多点进行扫描拍照。最后将获得的 SEM 图片[84]用 Nano Measurer 分析软件进行后续处理。2. TEM 的表征方法

【参考文献】