一种从葎草茎中提取纤维素纳米纤维的方法技术

本发明专利技术涉及纳米材料制备技术领域，更具体的涉及一种从葎草茎中提取纤维素纳米纤维的方法，本发明专利技术提供一种从葎草茎中提取纤维素纳米纤维的方法，包括：1剪切粉粹、2酸碱处理去除果胶素色、3高温高压条件下漂白处理、4高温高压条件下碱液处理、5超声处理、6冷冻解冻过滤、7冷冻干燥。本发明专利技术首次创造性的将葎草作为生物质原料，高温高压结合超声粉碎工艺制备纤维素纳米纤维，既可以变废为宝，减少除草农药的使用，减轻环境污染，又解决了强酸水解法制备的纤维素纳米晶须长径比不足的弊端。

A method for extracting cellulose nanofibers from Humulus in stem

The present invention relates to the technical field of nano material preparation, relates to a method for extracting cellulose nanofibers from Humulus stems in more detail, the present invention provides a method of extracting cellulose nanofibers from Humulus stems include: 1 shear 2 pure powder, pectin, acid and alkali treatment to remove the color of 3 high temperature and high pressure conditions under the bleaching, 4 high temperature under the condition of high pressure alkali treatment, ultrasonic treatment, 6 of 5 frozen thawed 7 filtering, freeze drying. The invention creatively will Humulus biomass as raw material, high temperature and high pressure combined with ultrasonic preparation of cellulose nanofibers grinding process, can reduce the use of pesticide waste, weeding, reduce environmental pollution, and solves the problem of cellulose nanocrystals prepared by the hydrolysis of acid to the ratio of length to diameter defect.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米材料制备
，更具体的涉及一种从葎草茎中提取纤维素纳米纤维的方法。
技术介绍
随着全球能源需求的加剧，以及人们环保意识的加强，如何转化和高效利用自然界中最丰富的天然纤维素，成为各国竞相开展的研究课题。纤维素是自然界中由植物通过光合作用合成的取之不尽、用之不绝的天然高分子,传统工业中主要被于纺织、造纸、精细化工等领域。纳米纤维素是从植物纤维素中分离出来的一种直径为1到几百纳米，长度约为几百纳米到几十微米的棒状或网状纳米材料，具有高纯度、高结晶度、高杨氏模量、高强度等特性，其在材料合成上展示出了极高的杨氏模量和强度等性能，加之其具有生物材料的轻质、可降解、生物相容及可再生等特性，使其在食品添加剂、化妆品、复合材料的增强填充相、生物医学和生物组织工程等领域的应用具有很好的经济价值。葎草，又名拉拉秧，勒草，是一种野生的草本植物。生命力极强，茎粗糙且具有很强的韧性，茎枝和叶柄上密生倒刺(barb)，成株茎长可达5米，常生于荒地、废墟、林缘，沟边等地，广泛存在于全球各地。因其生长迅速，常缠绕于作物上，因此被视作侵略性杂草而被直接或用除草剂拔除丢弃。如果能有效的提取葎草中的纤维素，则既能废物利用，变废为宝增加经济效益，又能减轻农药喷洒残留引起的环境污染问题。深化纳米纤维素的应用具有巨大的经济价值，但纳米纤维素的制备工艺繁琐，受工艺条件及环境影响的制约，纳米纤维素的制备还没有实现真正意义上的工业扩大化。因此，简化生产工艺仍将是未来研究的热点。在已公开的专利技术专利中，也有相关纤维素纳米纤维制备的专利，但是还没有利用葎草为原料制备纤维素纳米纤维。已有专利技术专利制备过程，大多繁琐复杂，需经过多次漂白，及反复酸碱预处理，然后通过超声粉碎制备出纤维素纳米纤维，例如申请号为CN 101864606A的《高长径比生物质纤维素纳米纤维的制备方法》专利申请中，用先用PH值为4-5，浓度1％-2％的亚氯酸钠漂白处理三次；1.5％-2.5％的氢氧化处理；用63ml-67ml蒸馏水加入0.5-0.7g亚氯酸钠和冰醋酸的混合液处理；经浓度4％-5％的KOH处理；再经0.8％-1.2％的盐酸处理后，在对其进行大功率超声处理方可得到纤维素纳米纤维。由于经过多道工艺，增加了预处理化学品用量和废液的处理难度，对环境保护不利。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种从葎草茎中提取纤维素纳米纤维的方法。本专利技术的目的是这样实现的，为了解决以上技术问题，本专利技术所采用的技术方案：(1)剪切粉碎：除去葎草叶子只留茎部，剪成15～20cm长的短枝，放入烘箱干燥后用粉碎机粉碎，并收集通过18目筛网的葎草茎粉末(葎草粉末)备用,葎草茎粉末直径小于0.85mm；(2)酸碱处理去除果胶蜡质：按质量比为1:10～20称量步骤(1)所得的葎草粉末和浓度为0.4％～0.8％(WT％)盐酸水溶液，将葎草粉末和盐酸水溶液置于高温高压反应釜中，保持温度120～180℃，压力0.4～0.9Mpa，搅拌速度900～1200rpm的条件下反应0.8～1.5h。然后用1mol/L的氢氧化钠溶液将PH值调节至8.5～9.5，室温下搅拌12～16h，得到葎草纤维；(3)高温高压条件下漂白处理：按质量比为1:10～20称量步骤(2)处理后的葎草纤维和浓度为3～5％(WT％，醋酸+亚氯酸钠)醋酸-亚氯酸钠混合液，其中醋酸：亚氯酸钠＝1:1(W:W)，并将葎草纤维和醋酸-亚氯酸钠混合液置入高温高压反应釜中，保持温度120～180℃，压力0.4～0.9Mpa，搅拌速度900～1200rpm的条件下反应1～2.5h(有效时间)，中途反应一半时间后停止反应，待压力、温度降低后补充与第一次同等量的浓度3～5％(WT％)醋酸-亚氯酸钠混合液继续反应至结束,即得到葎草漂白浆；(4)高温高压碱处理：按照质量比为1:10～20称量步骤(3)处理后的葎草漂白浆及浓度为3％～5％(WT％)的氢氧化钠溶液，并将漂白浆(葎草漂白浆)和碱液(氢氧化钠溶液)置于高温高压反应釜中，保持温度120～180℃，压力0.4～0.9Mpa，搅拌速度900～1200rpm的条件下反应1～2.5h；(5)超声处理，将步骤(4)处理后的葎草纤维加入到水中，配置成浓度为0.3～0.6％(WT％)的溶液，用超声波进行处理，超声输出功率800～1200W，超声时间30-45min，即可得到纤维素纳米纤维悬浮液；(6)冷冻解冻过滤。将步骤(5)所得的纤维素纳米纤维悬浮液放入-15～-25℃冰箱中冷冻2～4h后取出，于室温解冻，再经0.1um微孔pp滤纸过滤，即可得到纤维素纳米纤维水凝胶。(7)冷冻干燥，将步骤(6)所得纤维素纳米纤维水凝胶置入冻干机中，干燥36～48h，即可得到高长径比的纤维素纳米纤维。所述步骤(7)中所述的冷冻干燥过程，冻干机冷阱温度为-55～-60℃，真空度为1～20Pa上述的一种葎草茎纤维素纳米纤维可以应用于造纸、包装、生物组织工程等众多领域。本专利技术中，步骤(1)、(2)中，葎草纤维为可通过18目(<1mm)筛网部分,葎草粉末直径小于0.85mm。步骤(2)、(3)、(4)中，生物质与盐酸溶液、醋酸与亚氯酸钠混合溶液、氢氧化钠溶液的质量比均为1：10～20(W:W)。步骤(2)中，去除果胶蜡质所使用的盐酸浓度为0.4％-0.8％(WT％)，高温高压蒸煮温度120～180℃，压力0.4～0.9Mpa，搅拌速度900～1200rpm的条件下反应0.8～1.5h；去除蜡质所使用的氢氧化钠溶液PH值为9，室温搅拌条件下反应12-18h。步骤(3)中，高温高压漂白温度120～180℃，压力0.4～0.9Mpa，搅拌速度900～1200rpm的条件下反应1～2.5h(有效时间)，中途反应一半时间后停止反应，待压力、温度降低后补充与第一次同等浓度等量的醋酸-亚氯酸钠混合液。，高温高压漂白使用的醋酸-亚氯酸钠混合液的浓度为3-5％，其中醋酸：亚氯酸钠＝1:1(W:W)。步骤(4)中，高温高压碱处理温度120～180℃，压力0.4～0.9Mpa，搅拌速度900～1200rpm的条件下反应1～2.5h，高温高压碱处理时所使用的氢氧化钠浓度为3％-5％。步骤(5)中，将步骤(4)所得的纤维素浆液配成0.3-0.5％的溶液，用超声波进行处理，超声输出功率800-1200W，超声时间25-45min。步骤(6)中，首次将步骤(5)所得的纳米纤维素悬浮液置入冰箱中冷冻2-4h，再取出于室温条件下解冻后，再使用0.1um PP微孔滤纸真空抽滤，获取纤维素纳米纤维水凝胶。步骤(7)中，将步骤(6)所得的纤维素纳米纤维，于冻干机中干燥36～48h，即可得到高长径比的纤维素纳米纤维。本专利技术是将葎草茎纤维经高温高压条件下经酸蒸煮，碱液浸泡去除果胶、蜡质等的同时，同时可起到软化纤维的作用，有利于后续处理过程的效果。脱除果胶、蜡质后的生物质被置于高温高压反应釜中，使用醋酸与亚氯酸钠的混合液进行漂白。漂白后的生物质被置于高温高压反应釜中，使用氢氧化钠脱除半纤维素。高温高压反应及设备自身配套的速搅拌有利于药液的渗透、传递，促进更加剧烈和充分反应，有利于快速脱除木质素及半纤维素，缩短反应时间，减小药液的使用浓度，同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从葎草茎中提取纤维素纳米纤维的方法，其特征在于，所述方法操作步骤如下：(1)剪切粉碎：除去葎草叶子只留茎部，剪成15～20cm长的短枝，放入烘箱干燥后用粉碎机粉碎，并收集通过18目筛网的葎草粉末备用，葎草粉末直径小于0.85mm；(2)酸碱处理去除果胶蜡质：按质量比为1:10～20称量步骤(1)所得的葎草粉末和去除果胶蜡质所使用的质量浓度为0.4％～0.8％盐酸溶液，将葎草粉末和盐酸溶液置于高温高压反应釜中，保持温度120～180℃，压力0.4～0.9Mpa，搅拌速度900～1200rpm的条件下反应0.8～1.5h，然后用1mol/L氢氧化钠溶液将高温高压反应所得的葎草‑盐酸溶液的PH值调节至8.5～9.5，室温下搅拌12～16h，得到脱除果胶蜡质后葎草纤维；(3)高温高压条件下漂白处理：按质量比为1:10～20称量步骤(2)处理后的葎草纤维和质量浓度为3～5％醋酸‑亚氯酸钠混合液，其中醋酸与亚氯酸钠的质量比为1:1，并将葎草纤维和醋酸‑亚氯酸钠混合液置入高温高压反应釜中，保持温度120～180℃、压力0.4～0.9Mpa、搅拌速度900～1200rpm的条件下反应1～2.5h，中途反应一半时间后停止反应，待压力、温度降低后补充与第一次同等量的质量浓度为3～5％醋酸‑亚氯酸钠混合液继续反应至结束,即得到葎草漂白浆；(4)高温高压碱处理：按照质量比为1:10～20称量步骤(3)处理后的葎草漂白浆和质量浓度为3％～5％的氢氧化钠溶液，并将葎草漂白浆和氢氧化钠溶液置于高温高压反应釜中，保持温度120～180℃、压力0.4～0.9Mpa、搅拌速度900～1200rpm的条件下反应1～2.5h；(5)超声处理，将步骤(4)处理后的葎草纤维加入到水中，配置成质量浓度为0.3～0.6％的溶液，用超声波进行处理，超声输出功率800～1200W，超声时间30‑45min，即可得到纤维素纳米纤维悬浮液；(6)冷冻解冻过滤，将步骤(5)所得的纤维素纳米纤维悬浮液放入‑15～‑25℃冰箱中冷冻2～4h后取出，于室温解冻，再经0.1um微孔pp滤纸过滤，即可得到纤维素纳米纤维水凝胶；(7)冷冻干燥，将步骤(6)所得纤维素纳米纤维水凝胶置入冻干机中，冷冻干燥36～48h，即可得到高长径比的纤维素纳米纤维。...

【技术特征摘要】
1.一种从葎草茎中提取纤维素纳米纤维的方法，其特征在于，所述方法操作步骤如下：(1)剪切粉碎：除去葎草叶子只留茎部，剪成15～20cm长的短枝，放入烘箱干燥后用粉碎机粉碎，并收集通过18目筛网的葎草粉末备用，葎草粉末直径小于0.85mm；(2)酸碱处理去除果胶蜡质：按质量比为1:10～20称量步骤(1)所得的葎草粉末和去除果胶蜡质所使用的质量浓度为0.4％～0.8％盐酸溶液，将葎草粉末和盐酸溶液置于高温高压反应釜中，保持温度120～180℃，压力0.4～0.9Mpa，搅拌速度900～1200rpm的条件下反应0.8～1.5h，然后用1mol/L氢氧化钠溶液将高温高压反应所得的葎草-盐酸溶液的PH值调节至8.5～9.5，室温下搅拌12～16h，得到脱除果胶蜡质后葎草纤维；(3)高温高压条件下漂白处理：按质量比为1:10～20称量步骤(2)处理后的葎草纤维和质量浓度为3～5％醋酸-亚氯酸钠混合液，其中醋酸与亚氯酸钠的质量比为1:1，并将葎草纤维和醋酸-亚氯酸钠混合液置入高温高压反应釜中，保持温度120～180℃、压力0.4～0.9Mpa、搅拌速度900～1200rpm的条件下反应1～2.5h，中途反应一半时间后停止反应，待压力...

【专利技术属性】
技术研发人员：周骥平，姜亚妮，张琦，朱兴龙，陈冬冬，衡琳，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32