一种试管刷状植物纤维及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及植物纤维加工技术领域，尤其涉及一种试管刷状植物纤维及其制备方法和应用。本发明专利技术利用微米级植物纤维天然的多层级结构，通过TEMPO催化氧化法从植物纤维表面部分剥离出纤维素纳米纤维，在纳米尺度上调控植物纤维的表面形貌得到试管刷状植物纤维，该试管刷状植物纤维具有更高的比表面积以及丰富的羧基和醛基官能团，可较好应用于复合材料、纤维素材料、功能织物及油水分离材料的制备。本发明专利技术改性植物纤维的方法无需离心、透析等分离操作，也不需要设计结合位点，操作简单、条件可控、反应温和且能耗较小，所得产品可完全降解且贮存方便，具有应用和推广价值。具有应用和推广价值。具有应用和推广价值。

【技术实现步骤摘要】
一种试管刷状植物纤维及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及植物纤维加工
，尤其涉及一种试管刷状植物纤维及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]可再生、可降解的纤维素是自然界中储量最丰富的天然高分子，发展纤维素基材料有助于应对能源危机，解决“温室效应”和“白色污染”等问题。天然植物纤维的主要成分为纤维素，其来源主要分为木材、韧皮、叶、果实、种子和草等几大类。植物纤维由于具有可降解、成本低、密度低、比强度高、比刚度高、热膨胀系数低、对生产机器磨损小等优点，可用于制造织物、增强聚合物。为了拓展植物纤维的应用领域，常需要对植物纤维进行表面改性。常用的表面改性方法有化学修饰法（如接枝改性）和物理修饰法（如上浆法）等，这些方法主要改变纤维表面的化学结构，有些也能在微米尺度上改变纤维表面的形貌，但总体来说对纤维表面形貌的调控比较有限，限制了植物纤维的广泛应用。
[0003]为了更好地调控植物纤维的表面形貌，研究人员尝试通过纳米粒子对其表面进行修饰。Sarker等通过在黄麻纤维表面涂覆氧化石墨烯或石墨烯片提升了纤维的拉伸强度和杨氏模量，同时提升了与环氧基体间的界面剪切强度[ Forkan S, Nazmul K, Shaila A, et al. High
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Performance Graphene
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Based Natural Fiber Composites[J]. ACS applied materials and interfaces, 2018, 10: 34502
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34512.]。Tzounis等利用酸化碳纳米管通过氢键相互作用修饰碱处理后的黄麻纤维，降低了纤维的亲水性，与天然橡胶基体形成了“机械互锁”，显著增强了复合材料的界面粘接强度[Tzounis L, Debnath S, Rooj S, et al. High performance natural rubber composites with a hierarchical reinforcement structure of carbon nanotube modified natural fibers[J]. Materials and Design, 2014, 58: 1
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11.]。Han等在棉布表面接枝多面体聚倍半硅氧烷（POSS）纳米粒子，改性后的棉布可用于油水分离[Deng Y, Han D, Deng Y Y, et al. Facile one
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step preparation of robust hydrophobic cotton fabrics by covalent bonding polyhedral oligomeric silsesquioxane for ultrafast oil/water separation
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ScienceDirect[J]. Chemical Engineering Journal, 379(C):122391
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122391.] [Zhou D L, Yang D, Han D, et al. Fabrication of superhydrophilic and underwater superoleophobic membranes for fast and effective oil/water separation with excellent durability[J]. Journal of Membrane Science, 2020, 620:118898.]。这些研究所选用的纳米粒子大多制备条件苛刻且难以降解，致使改性后的植物纤维材料无法完全降解。尹等人通过在木粉上培养木醋杆菌，在木粉表面成功覆盖一层网状结构的细菌纤维素。虽然该方法能够在纳米尺度上改变纤维的表面形貌同时保持植物纤维材料可降解的优点，但工艺要求严格，并不利于工业应用和推广[尹晓琛, 林群芳, 陈袁曦, 等. 木粉的微生物法表面改性研究[J]. 工程塑料应用, 2012, 40: 13
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16]。植物纤维与无机纤维不同，其本身是由大量的基原纤沿特定方式排列组成的，采用自上而下
的策略通过机械或化学处理，可得到纳米级别的纤维素。纳米纤维素因具有可持续性、机械性能优异、密度低和易于修饰等优点，因此成为目前研究的热点。但由于其尺寸在纳米尺度，制备和分离过程都比较复杂，分散液黏度大，贮藏条件也比较苛刻，因此一定程度上限制了其使用。
[0004]因此，开发出一种既能在纳米尺度上调控植物纤维的表面形貌，又能维持植物纤维可降解的优点，且工艺要求较低的植物纤维改性方法，对植物纤维的灵活、广泛应用具有重要的价值。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术问题，本专利技术提供一种试管刷状的植物纤维及其制备方法和应用，利用简单的TEMPO催化氧化法从微米级植物纤维表面剥离出纳米级纤维，并控制氧化程度得到一种比表面积更大及表面官能团数量更多的试管刷状植物纤维。
[0006]本专利技术的技术方案如下：一种试管刷状植物纤维的制备方法，包括以下步骤：（1）将植物纤维以1:（1
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200）的固液比分散于质量分数为0.1
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10%的NaOH溶液中，在
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10
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90 ℃下反应0.5
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72 h，经洗涤并烘干后得到碱处理植物纤维；（2）将步骤（1）的碱处理植物纤维加水分散后调节pH，然后利用TEMPO氧化体系在20
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100 ℃下反应1
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120 h，使碱处理植物纤维氧化改性，即得试管刷状植物纤维。
[0007]进一步，所述步骤（1）中植物纤维的种类为从天然植物中获取的韧皮纤维、叶纤维、果实纤维和种子纤维中的任一种，形态为单根纤维、纤维束和纤维织物中的任一种。
[0008]进一步，所述步骤（2）中每克碱处理植物纤维使用0.01
‑
1 L去离子水分散；所述调节pH具体为使用缓冲液调节pH至2.6
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13.0、使用酸或碱调节pH至2.6
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13.0，或者使用缓冲液及酸或碱调节pH至2.6
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13.0。
[0009]优选的，所述缓冲液为醋酸缓冲液、磷酸缓冲液和碳酸钠
‑
碳酸氢钠缓冲液中的任一种。
[0010]进一步，所述步骤（2）中TEMPO氧化体系为TEMPO/NaClO/NaClO2体系或TEMPO/NaBr/NaClO体系。
[0011]优选的，所述TEMPO/NaClO/NaClO2体系的使用条件为每克碱处理植物纤维需加入0.1
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10 mmol的TEMPO、0.5
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50 mmol的NaClO和5
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500 mmol的NaClO2；所述TEMPO/NaBr/NaClO体系的使本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种试管刷状植物纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将植物纤维加入NaOH溶液进行反应，经洗涤并烘干后得到碱处理植物纤维；（2）将步骤（1）的碱处理植物纤维加水分散后调节pH，经TEMPO氧化体系处理，得试管刷状植物纤维。2.根据权利要求1所述的试管刷状植物纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中植物纤维为从天然植物中获取的韧皮纤维、叶纤维、果实纤维和种子纤维中的任一种，形态为单根纤维、纤维束和纤维织物中的任一种。3.根据权利要求2所述的试管刷状植物纤维的制备方法，其特征在于：所述植物纤维与NaOH溶液的固液比为1：（1
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200）；NaOH溶液的质量分数为0.1
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10%；反应的温度为
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10
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90 ℃、时间为0.5
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72 h。4.根据权利要求1所述的试管刷状植物纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中每克碱处理植物纤维使用0.01
‑
1 L去离子水分散；所述调节pH具体为使用缓冲液、酸和碱中的一种或多种调节pH至2.6
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13.0。5.根据权利要求4所述的试管刷状植物纤维的制备方法，其特征在于：所述缓冲液为醋酸缓冲液、磷酸缓冲液和碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：荆梦璠，范正炳，曹付康，王亚明，刘春太，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：