一种微纳米纤维素复合物、制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种微纳米纤维素复合物，所述微纳米纤维素复合物包括微纳米木质素纤维素，以及分散在微纳米木质素纤维素中的石墨烯材料；所述微纳米木质素纤维素包括10～35wt％的木质素。本发明专利技术利用石墨烯材料的薄层特点，使其与含有木质素的纤维素原料混合，石墨烯材料插层至含有木质素的纤维素原料中后，协同木质素剥离得到微纳米木质素纤维素，所述过程不需要化学试剂，操作简单易控；本发明专利技术提供的制备方法中，石墨烯起到插层作用，不需要将含有木质素的纤维素原料进行降木质素的前处理，即可直接剥离得到微纳米纤维素复合物，环保无污染；本发明专利技术提供的制备方法中，采用机械预处理和高压均质机结合的方式制备微纳米纤维素复合物，可避免高压均质机在破碎过程中的堵塞，减少磨损。

A kind of micro-nano cellulose complex, its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种微纳米纤维素复合物、制备方法和用途
本发属于纳米纤维素改性领域，具体涉及一种微纳米纤维素复合物、制备方法和用途。
技术介绍
随着社会经济的不断发展，石油、煤炭等不可再生资源日益匮乏，环境污染等问题日益突出，可再生资源在各个领域中的应用越来越受到重视。植物纤维原料是地球上最主要的生物质资源，其高效综合利用在整个生物质产业中将占有极为重要的地位。植物纤维主要由纤维素、木质素和半纤维素组成。纤维素是地球上广泛存在且可再生的资源。由天然纤维素制备的纳米纤维素不但具有巨大的比表面积、高亲水性、高杨氏模量、高强度、良好的生物可降解性与生物相容性以及稳定的化学性能，还具有巨大的化学改性潜力，在造纸、吸附材料、电池隔膜和高性能复合材料等领域显示出巨大的应用前景。木质素是世界上第二位丰富的可再生资源，主要位于纤维素纤维之间，通过形成交织网来硬化细胞壁，起抗压作用。木质素可作为分散剂、吸附剂和增强剂等使用，具有极其广泛的利用价值。纳米纤维素常见的制备方法有化学法、机械法、生物法和人工合成法。其中机械法制备纳米纤维素对环境影响小，步骤简单，是适合大规模商业化生产的制备方法。由于硬质的木质素交织在纤维素中间，无法简单的直接机械剥离制备纳米纤维素，目前制备纳米纤维素的方法中还没有制得高木质素含量纳米纤维素的。现有技术中仍需要首先用酸、碱对植物纤维进行预处理脱除木质素和半纤维素，再进行机械剥离，步骤繁琐，预处理过程中使用的酸、碱或有机溶剂仍对环境造成一定污染。此外，现有技术制备的微纳米纤维素复合物与油性物质(如高分子聚合物或聚合单体)的相容性差，与高分子聚合物复合时存在团聚分散不均匀的问题。本领域需要开发一种微纳米纤维素复合物，其能够与油溶性物质良好相容，且制备方法简单，不会产生污染问题，且能够直接以木质素含量较高的原料为对象进行处理。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种微纳米纤维素复合物，所述微纳米纤维素复合物包括微纳米木质素纤维素，以及分散在微纳米木质素纤维素中的石墨烯材料；所述微纳米木质素纤维素包括10～35wt％(例如12wt％、15wt％、18wt％、22wt％、27wt％、32wt％等)的木质素。本专利技术制备的微纳米纤维素复合物中木质素含量较高，纤维素直径具有微纳米尺寸，同时含有石墨烯材料。所述微纳米纤维素复合物中，高含量的木质素提高了微纳米纤维素复合物的疏水性，在非水性溶剂中表现出良好的分散性，同时提高了微纳米纤维素复合物与聚合物材料的相容性，实现了不需要进行改性直接将微纳米尺寸的纤维素分散在聚合物材料中的可能性。所述微纳米木质素纤维素可以理解为含有10～35wt％木质素，且直径尺寸在1nm～1μm以内的纤维素材料。优选地，所述石墨烯材料的含量为微纳米木质素纤维素的15wt％以下(例如10wt％、8wt％、5wt％、2wt％、1wt％等)，优选5wt％以下，进一步优选1wt％以下。优选地，所述石墨烯材料的厚度为≤20nm(例如18nm、15nm、12nm、8nm、5nm等)，优选3～10nm。优选地，所述微纳米纤维素复合物的长度≥1μm(例如1.1μm、2μm、3μm、5μm、7μm等)，直径为4～200nm(例如10nm、50nm、80nm、150nm、180nm等)，长径比为100～500(例如120、180、220、270、300、350、380、420、480等)。本专利技术目的之二是提供一种如目的之一所述的微纳米纤维素复合物的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)将含有木质素的纤维素原料和石墨烯材料分散在水中，混合均匀，得到分散液；(2)将分散液进行机械力预剥离，得到预剥离产物分散液；(3)将预剥离产物分散液进行高压均质机均质，得到微纳米纤维素复合物分散液。本专利技术提供的微纳米纤维素复合物的制备方法中，石墨烯材料能够进入纤维素的木质素之间，削弱木质素分子间的相互作用，插入纤维素丝束间起到物理阻隔分散作用，促进纤维素剥离，成功将含有木质素的纤维素原料(木质素含量较高)直接机械剥离得到微纳米纤维素复合物分散液。石墨烯材料的加入避免了为破坏木质素相互作用而施加的高温、高压、强酸、强碱及有机溶剂等严苛条件。本专利技术采用机械预剥离和高压均质机结合的方式制备微纳米纤维素复合物，可避免直接采用高压均质机在破碎过程中的堵塞，减少磨损。优选地，本专利技术所述含有木质素的纤维素原料为植物原料完全提取半纤维素或部分提取半纤维素后的残渣。优选地，所述植物原料包括林木、农作物、农林废弃物中的任意1种或至少2种的组合；优选地，所述含有木质素的纤维素原料包括糠醛渣、木糖渣、未漂木浆、未漂草浆、秸秆的农业废弃物中的任意1种或至少2种的组合。优选地，所述含有木质素的纤维素原料中，木质素含量为10～30wt％(例如15wt％、20wt％、25wt％等)，且所述木糖渣的纤维素含量在65％以上(例如70wt％、75wt％、80wt％等)。优选地，所述含有木质素的纤维素原料中还含有半纤维素。优选地，所述含有木质素的纤维素原料中，半纤维素含量≤10wt％(例如1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％等)。现有技术中，纳米纤维素的制备过程，需要对原料进行漂白处理，所谓的漂白处理需要使用强酸、强碱或有机溶剂等去除原料中的木质素。本专利技术提供的微纳米纤维素复合物制备方法利用石墨烯材料插层含有木质素的纤维素原料，在不使用强酸、强碱及有机溶剂的前提下，仅依靠机械力就实现了对于木质素含量较高的纤维素原料的剥离，获得了微纳米纤维素复合物，环保无污染。所述石墨烯材料通过机械剥离法、氧化还原法、热裂解法、插层剥离法、化学气相沉积法、液相剥离法或生物质水热碳化法制备得到。优选地，所述石墨烯材料的平均片层厚度为≤20nm(例如18nm、14nm、10nm、5nm、2nm等)，优选3～10nm。厚度为3～10nm的石墨烯材料更有利于插层进入木质素分子内部，实现微纳米纤维素复合物的剥离。优选地，所述分散液中，含有木质素的纤维素原料和石墨烯材料的浓度之和为0.1wt％-15wt％(例如1wt％、3wt％、6wt％、7wt％、9wt％、12wt％等)，优选5wt％-7wt％。优选地，所述石墨烯材料的加入量为含有木质素的纤维素原料的10wt％以下(例如1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％等)，优选5wt％以下，进一步优选1wt％以下。优选地，所述机械力预剥离包括超声剥离、球磨剥离、盘磨剥离、砂磨剥离、研磨剥离中的任意一种。优选地，所述机械力预剥离得到的产物的直径为200～1500nm(例如250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm、1100nm、1200nm、1300nm、1400nm等)。优选地，步骤(3)所述均质的压力为50～150MPa(例如70MPa、90MPa、110MPa、120MPa、140MPa等)，优选60～80MPa。优选地，所述均质的循环次数为3～10次(例如4次、5次、6次、7次、8次、9次等)，优选3～7次。优选地，步骤(3)之后进行步骤(4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微纳米纤维素复合物，其特征在于，所述微纳米纤维素复合物包括微纳米木质素纤维素，以及分散在微纳米木质素纤维素中的石墨烯材料；所述微纳米木质素纤维素包括10～35wt％的木质素。

【技术特征摘要】
1.一种微纳米纤维素复合物，其特征在于，所述微纳米纤维素复合物包括微纳米木质素纤维素，以及分散在微纳米木质素纤维素中的石墨烯材料；所述微纳米木质素纤维素包括10～35wt％的木质素。2.如权利要求1所述的微纳米纤维素复合物，其特征在于，所述石墨烯材料的含量为微纳米木质素纤维素的15wt％以下，优选5wt％以下，进一步优选1wt％以下；优选地，所述石墨烯材料的厚度为≤20nm，优选3～10nm。3.如权利要求1或2所述的微纳米纤维素复合物，其特征在于，所述微纳米纤维素复合物的长度≥1μm，直径为4～200nm，长径比为100～500。4.一种如权利要求1～3之一所述的微纳米纤维素复合物的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)将含有木质素的纤维素原料和石墨烯材料分散在水中，混合均匀，得到分散液；(2)将分散液进行机械力预剥离，得到预剥离产物分散液；(3)将预剥离产物分散液进行高压均质机均质，得到微纳米纤维素复合物分散液。5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述含有木质素的纤维素原料为植物原料完全提取半纤维素或部分提取半纤维素后的残渣；优选地，所述植物原料包括林木、农作物、农林废弃物中的任意1种或至少2种的组合；优选地，所述含有木质素的纤维素原料包括糠醛渣、木糖渣、未漂木浆、未漂草浆、秸秆的农业废弃物中的任意1种或至少2种的组合；优选地，所述含有木质素的纤维素原料中，木质素含量为10～30wt％，且纤维素含量在65％以上；优选地，所述含有木质素的纤维素原料还含有...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金柱，王鹏辉，唐地源，张安，刘顶，梁蒙蒙，
申请(专利权)人：山东省圣泉生物质石墨烯研究院，
类型：发明
国别省市：山东,37