制备纤维素纳米纤维的方法技术

本发明专利技术公开了制备纤维素纳米纤维的方法，包括：(1)对浆粕进行破碎，以便得到粒径不大于0.25mm的浆粕破碎料；(2)利用醇类溶剂对浆粕破碎料进行浸洗，以便得到预处理浆粕；(3)利用氯乙酸醇溶液对预处理浆粕进行浸渍处理并过滤，以便得到浸渍氯乙酸的浆粕；(4)向浸渍氯乙酸的浆粕中加入氢氧化钠醇溶液，加热至沸腾并过滤，以便得到纤维素纳米纤维粗产品；(5)对纤维素纳米纤维粗产品进行清洗和中和处理，以便得到纤维素纳米纤维前处理浆液；(6)对所述纤维素纳米纤维前处理浆液进行均质化处理，即得到纤维素纳米纤维素。该方法处理条件温和、能耗少、产率高，且对设备的要求低、腐蚀小，能够实现纤维素纳米纤维的连续化规模生产。

Preparation of cellulose nanofibers

【技术实现步骤摘要】
制备纤维素纳米纤维的方法
本专利技术属于材料化学领域，具体而言，本专利技术涉及制备纤维素纳米纤维的方法。
技术介绍
天然纤维素具有很多高分子聚合物无法比拟的生物降解性和可再生性等优点，是自然界中含量最丰富的高分子材料，可以从多种来源中提取，如木材(硬木和软木)、种子纤维(棉花、椰子等)、巴斯纤维(亚麻、麻、麻、苎麻等)、草(甘蔗渣、竹子等)、海洋动物(金枪鱼)、海藻、真菌、无脊椎动物和细菌等。纤维素纳米纤维具有极大的比表面积、优异的强度、较高的活性和良好的生物特性，在生物医药、组织工程、食品加工等多种领域具有广阔的应用前景。但随着资源的严重匮乏和人们环保意识不断加强，有效利用这种价廉物丰的绿色可再生资源，从天然纤维中制备纤维素纳米纤维，开发出具有优异性能的新型精细化工产品，是本世纪可持续发展化学工程研究领域的重要课题之一。目前，无机酸水解是一种常用的制备纤维素纳米纤维的方法，酸促使纤维素无定型区中的糖苷键断裂而分解，同时引起丝束的横向劈裂，降解为纤维素纳米纤维；这种处理工艺通常利用强酸(例如硫酸和盐酸)，反应速度快、产率高，但因所用试剂具有较强腐蚀性，往往对设备要求高。此外，还可以采用机械法制备纤维素纳米纤维，通过对纤维素施以高能的剪切力、均质或微流处理，使纤维素之间产生强烈的剪切、撞击和空穴作用，从而产生自身剥离，得到超微细结构的纤维素纳米纤维；机械法减少了试剂的使用，但动力消耗过大、导致成本升高。近年来，对酶解法、细菌法制备纤维素纳米纤维的研究也很多，但都存在反应时间长、反应条件复杂、得率低等缺点，不适合工业化的连续生产。因此，纤维素纳米纤维的制备方法有待进一步改进。开发一种耗能少、产量高，适合规模化生产的纤维素纳米纤维制备方法，对扩大纤维素纳米纤维的应用具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出制备纤维素纳米纤维的方法。本专利技术提出的制备纤维素纳米纤维的方法处理条件温和、能耗少、产率高，且对设备的要求低、腐蚀小，能够实现纤维素纳米纤维的连续化规模生产。根据本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种制备纤维素纳米纤维的方法，包括：(1)对浆粕进行破碎，以便得到粒径不大于0.25mm的浆粕破碎料；(2)利用醇类溶剂对所述浆粕破碎料进行浸洗，以便得到预处理浆粕；(3)利用氯乙酸醇溶液对所述预处理浆粕进行浸渍处理并过滤，以便得到浸渍氯乙酸的浆粕；(4)向所述浸渍氯乙酸的浆粕中加入氢氧化钠醇溶液，加热至沸腾并过滤，以便得到纤维素纳米纤维粗产品；(5)对所述纤维素纳米纤维粗产品进行清洗和中和处理，以便得到所述纤维素纳米纤维前处理浆液；以及(6)对所述纤维素纳米纤维前处理浆液进行均质化处理，即得到纤维素纳米纤维素。根据本专利技术上述实施例的制备纤维素纳米纤维的方法，主要采用醇类溶剂、氯乙酸醇溶液和氢氧化钠醇溶液对浆粕进行处理制备纤维素纳米纤维，一方面，采用醇类溶剂对浆粕进行浸洗，可以有效去除部分杂质并初步润胀纤维，使分子间氢键及内聚力减弱并产生层间滑动；另一方面，利用氯乙酸醇溶液对预处理浆粕进行浸渍处理，并向浸渍氯乙酸的浆粕中加入氢氧化钠醇溶液然后加热至沸腾，不仅可以破坏纤维素的氢键，还可以对纤维素起消晶作用，使晶区发生破裂，进而使晶粒尺寸大幅度下降、比表面积显著增加；此外，还可以有效去除木质素、半纤维素等杂质。与酸解法和机械法相比，本专利技术上述实施例的制备纤维素纳米纤维的方法处理条件温和、能耗少、产率高，且对生产设备的要求低、腐蚀小，能够实现纤维素纳米纤维的连续化规模生产。另外，根据本专利技术上述实施例的制备纤维素纳米纤维的方法还可以具有如下附加的技术特征：在本专利技术的一些实施例中，所述浆粕为选自木浆、棉浆、草浆和麻类浆粕中的至少一种，优选棉浆。由此，可以采用上述价廉物丰的天然可再生资源为原料制备纤维素纳米纤维。在本专利技术的一些实施例中，所述氯乙酸醇溶液是将氯乙酸晶体溶于异丙醇中得到的。由此，可以在无水环境对预处理浆粕进行浸渍处理，并有效促使纤维素无定型区中的糖苷键断裂而分解为纳米纤维。在本专利技术的一些实施例中，所述氯乙酸醇溶液中氯乙酸的浓度为2.5-3重量％。由此，可以有效促进纤维素纳米纤维的生成。在本专利技术的一些实施例中，所述氢氧化钠醇溶液是将氢氧化钠溶于甲醇和异丙醇的混合溶剂中得到的，其中，所述氢氧化钠的浓度为1-3重量％。由此，不仅可以有效破坏纤维素的氢键，还能使纤维素的晶区发生破裂，大幅降低晶粒尺寸，进而显著提高纤维素纳米纤维的产率。在本专利技术的一些实施例中，甲醇和异丙醇的体积比为1：2。专利技术人发现，采用甲醇与异丙醇混合溶液能够阻隔纳米纤维之间的缠接，弱化纤维素氢键相互作用。通过进一步控制二者的配比，可以进一步破坏纤维素分子间的氢键，使纤维素的内聚力减弱并产生层间滑动，进而提高纤维素纳米纤维的产率。在本专利技术的一些实施例中，步骤(3)中，所述浸渍处理是在室温下搅拌进行30分钟完成的。由此，可以进一步提高纤维素无定型区中的糖苷键断裂的效果和对纤维素分子间的氢键及内聚力减弱程度，促进纤维素向纳米纤维转变。在本专利技术的一些实施例中，步骤(4)中，加热至沸腾并保持1小时。由此，可以充分破坏纤维素间的氢键，并大幅降低纤维素的晶粒尺寸。在本专利技术的一些实施例中，步骤(5)按照下列步骤进行：(5-1)利用去离子水对所述纤维素纳米纤维粗产品进行清洗后，采用乙酸水溶液进行浸洗并过滤，以便得到滤渣；(5-2)利用去离子水对所述滤渣进行清洗后，采用碳酸氢钠水溶液进行浸洗并过滤，再利用去离子水清洗至接近中性，以便得到所述纤维素纳米纤维前处理浆液。由此，可以有效除去制备过程中生成的氯化钠、乙醇酸钠和羧甲基纤维素等副产物，并得到纯净的中性的纤维素纳米纤维前处理浆液。在本专利技术的一些实施例中，所述乙酸水溶液的浓度为0.1mol/L，所述碳酸氢钠水溶液的浓度为4重量％。由此，可以显著降低溶液对设备造成的侵蚀。在本专利技术的一些实施例中，所述均质化处理采用均质机在工作压力为100～160MPa的条件进行1～10次完成。由此，可以有效除去制备过程中生成的氯化钠、乙醇酸钠和羧甲基纤维素等副产物，并得到纯净的中性的纤维素纳米纤维。附图说明图1是根据本专利技术一个实施例的纤维素纳米纤维的实物图。图2是根据本专利技术一个实施例的纤维素纳米纤维的SEM图。图3是根据本专利技术一个实施例的纤维素纳米纤维的XRD图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。根据本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种制备纤维素纳米纤维的方法，包括：(1)对浆粕进行破碎，以便得到粒径不大于0.25mm的浆粕破碎料；(2)利用醇类溶剂对浆粕破碎料进行浸洗，以便得到预处理浆粕；(3)利用氯乙酸醇溶液对预处理浆粕进行浸渍处理并过滤，以便得到浸渍氯乙酸的浆粕；(4)向浸渍氯乙酸的浆粕中加入氢氧化钠醇溶液，加热至沸腾并过滤，以便得到纤维素纳米纤维粗产品；(5)对纤维素纳米纤维粗产品进行清洗和中和处理，以便得到纤维素纳米纤维前处理浆液；以及(6)对所述纤维素纳米纤维前处理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备纤维素纳米纤维的方法，其特征在于，包括：(1)对浆粕进行破碎，以便得到粒径不大于0.25mm的浆粕破碎料；(2)利用醇类溶剂对所述浆粕破碎料进行浸洗，以便得到预处理浆粕；(3)利用氯乙酸醇溶液对所述预处理浆粕进行浸渍处理并过滤，以便得到浸渍氯乙酸的浆粕；(4)向所述浸渍氯乙酸的浆粕中加入氢氧化钠醇溶液，加热至沸腾并过滤，以便得到纤维素纳米纤维粗产品；(5)对所述纤维素纳米纤维粗产品进行清洗和中和处理，以便得到所述纤维素纳米纤维前处理浆液；以及(6)对所述纤维素纳米纤维前处理浆液进行均质化处理，即得到纤维素纳米纤维素。

【技术特征摘要】
1.一种制备纤维素纳米纤维的方法，其特征在于，包括：(1)对浆粕进行破碎，以便得到粒径不大于0.25mm的浆粕破碎料；(2)利用醇类溶剂对所述浆粕破碎料进行浸洗，以便得到预处理浆粕；(3)利用氯乙酸醇溶液对所述预处理浆粕进行浸渍处理并过滤，以便得到浸渍氯乙酸的浆粕；(4)向所述浸渍氯乙酸的浆粕中加入氢氧化钠醇溶液，加热至沸腾并过滤，以便得到纤维素纳米纤维粗产品；(5)对所述纤维素纳米纤维粗产品进行清洗和中和处理，以便得到所述纤维素纳米纤维前处理浆液；以及(6)对所述纤维素纳米纤维前处理浆液进行均质化处理，即得到纤维素纳米纤维素。2.根据权利要求1所述的制备纤维素纳米纤维的方法，其特征在于，所述浆粕为选自木浆、棉浆、草浆和麻类浆粕中的至少一种，优选棉浆。3.根据权利要求1所述的制备纤维素纳米纤维的方法，其特征在于，所述氯乙酸醇溶液是将氯乙酸晶体溶于异丙醇中得到的，任选地，所述氯乙酸醇溶液中氯乙酸的浓度为2.5-3重量％。4.根据权利要求1所述的制备纤维素纳米纤维的方法，其特征在于，所述氢氧化钠醇溶液是将氢氧化钠溶于甲醇和异丙醇的混合溶剂中得到的，其中，所述氢氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昭锐，彭诚，何金波，徐宽，束雨琦，
申请(专利权)人：上海凯矜新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31