一种超声结合高压匀质处理制备纳米纤维素纤维的方法技术

一种超声结合高压匀质处理制备纳米纤维素纤维的方法，它涉及纳米纤维素纤维的制备方法。本发明专利技术解决了现有的单纯利用机械高压匀质处理方法制备的纳米纤维素纤维的长度低、纤维直径分布不均匀、纤维间易交织成簇状微米级纤维的问题。本方法：一、将生物质纤维经苯醇溶液抽提；二、用酸化亚氯酸钠处理；三、碱液梯度处理；四、用超声波细胞粉碎机处理；五、高压匀质处理，干燥后即得纳米纤维素纤维。纤维的直径分布均匀，长度≥１５０μｍ，长径比≥６００，纤维相互交织成网状缠结结构，方法适用于用木浆、造纸浆料、木材、竹材、农作物秸秆制备纳米纤维素纤维。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米纤维素纤维的制备方法。
技术介绍
随着纳米技术在纤维素科学领域中的不断渗透和发展，将生物质纤维素资源加工 成纳米级纤维制品，日渐受到人们的关注。根据自身的结构特点划分，纳米纤维素主要包括 棒状的纳米微晶纤维素、颗粒状或针状的纤维素纳米晶须以及长度较高的丝状纳米纤维素 纤维三大类。其中的丝状纳米纤维素纤维因具有较高的长径比及网状缠结结构，使其在增 强聚合物的强度的同时，还能显著提高聚合物的韧性，丝状纳米纤维素纤维的制备及性能 方面的研究成为近年来纤维素科学领域的研究热点。现有的利用机械高压勻质处理制备纳米纤维素纤维的方法是以硫酸盐木浆等生 物质浆料为原料，首先利用精磨机等精磨仪器剥离掉生物质纤维细胞壁的初生壁及次生壁 外层，并在一定程度上疏松纳米纤维(微纤丝)含量极高的次生壁中层，此时的纤维直径可 达到几十微米；然后将纤维的水悬浊液置于高压勻质机中，通过均质阀突然失压形成空穴 效应和高速冲击，产生强烈的剪切作用，制得纳米级的纤维素纤维。由于在生物质纤维细胞 壁内部，纤维素分子内以及纤维素分子与半纤维素、木质素分子间存在着十分复杂的联接 结构和氢键作用力，这给纤维素纤维的纳米纤丝化带来了较大的困难，用这种方法制备的 纳米纤维素纤维中仍存在较多直径高于lOOnm的纤维，而且纤维间易重新聚集成簇状微米 级纤维，一定程度上阻碍了纳米纤维素纤维在聚合物中的分散性。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有的单纯利用机械高压勻质处理方法制备的纳米纤维素纤 维的长度低、纤维直径分布不均勻、纤维间易交织成簇状微米级纤维的问题，而提供一种超 声结合高压勻质处理制备纳米纤维素纤维的方法。本专利技术的一种超声结合高压勻质处理制备纳米纤维素纤维的方法按以下步骤进 行一、按生物质纤维和苯醇溶液的质量比为1 :50 100称取生物质纤维和苯醇溶液，并 将生物质纤维置于苯醇溶液中，在温度为85°C 95°C的条件下抽提5h 7h ；二、配制浓度 为1% 2%(质量)的亚氯酸钠溶液，并用冰醋酸调节其pH值为4 5，然后将经步骤一处 理的生物质纤维加入到亚氯酸钠溶液中保持4h 6h，期间每隔0. 9 1. lh继续向亚氯酸 钠溶液中补加亚氯酸钠和冰醋酸，以保持亚氯酸钠溶液中亚氯酸纳的浓度为1% 2%(质 量)、亚氯酸钠溶液的pH值为4 5 ；三、将经步骤二处理的生物质纤维加入到浓度为1% 3%(质量)的碱溶液中，混合均勻，在温度为80°C 100°C条件下保持1. 5h 2. 5h ；然后再 将生物质纤维加入到浓度为4% 6%(质量)的碱溶液中，混合均勻，在温度为80°C 100°C 条件下保持1. 5h 2. 5h ；四、将经步骤三处理的生物质纤维加入到超声波细胞粉碎机中， 在功率为800W 1500W，频率为18 21KHz的条件下处理5min 30min ；五、将经步骤四 处理的生物质纤维加入到高压勻质机中，在压强为380bar 420bar的条件下处理5min 30min，然后再经干燥，即得到纳米纤维素纤维；步骤一中所述的苯醇溶液是按体积份数比 由1份的苯和0.5份的乙醇配制的，或者按体积份数比由1份的甲苯和0.5份的乙醇配制 的。步骤一中所述的生物质纤维为50目 70目的木纤维、50目 70目的竹纤维、50 目 70目的麻纤维、50目 70目的纸浆纤维、50目 70目的农作物秸秆纤维或微晶纤维素纤维。步骤三中的碱溶液为氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液或者氢氧化锂溶液。步骤五中所述的干燥为冷冻干燥、超临界干燥或者临界点干燥；冷冻干燥的步骤 是将纳米纤维悬浊液置于_5°C -20°C的条件下冷冻处理20tT24h后，将其放置于冷冻干 燥机中进行冷冻干燥处理，冷冻干燥机的冷阱温度为_55°C -60°C、真空度为15Pa lPa，冷 冻时间为20tT24h ；超临界干燥和临界点干燥为现有的常规技术。本专利技术的方法制备的纳米纤维素纤维的长度> 150 ym，其长度大于市售的纳米微 晶纤维素和纤维素纳米晶须，是纳米微晶纤维素的150倍以上，是纤维素纳米晶须的250倍 以上；纳米纤维素纤维的纤丝化程度十分均勻，所得纳米纤维具有比细菌纤维素等丝状纳 米纤维素更加规整的形貌和结构，不聚集，不团簇；纳米纤维素纤维具有较高的长径比，长 径比值高于600，是微丝纤维素的4倍以上，是纤维素纳米晶须的6倍以上，是微晶纤维素 的600倍。纳米纤维素纤维具有较高的强度，高长径比的纳米纤维间相互交织成三维网络 结构，可显著提高其增强聚合物的拉伸强度和弹性模量等力学性能；纳米纤维素纤维的a 纤维素含量高于80%，结晶度高于60%，热降解温度高于300°C。本专利技术方法制备的纳米纤维 素纤维可用于增强聚合物复合材料中，还可应用于食品、包装、建筑材料等领域，因其具有 较好的生物相容性，在生物医药、组织工程等领域具有潜在性应用前景。附图说明图1是具体实施方式十五制备的纳米纤维素纤维的扫描电镜图；图2是具体实施 方式十五制备的纳米纤维素纤维的直径分布图；图3是具体实施方式十六制备的纳米纤维 素纤维的低倍扫描电镜图；图4是具体实施方式十六制备的纳米纤维素纤维的高倍扫描电 镜图；图5是具体实施方式十六制备的纳米纤维素纤维的直径分布图。具体实施例方式具体实施方式一本实施方式的一种超声结合高压勻质处理制备纳米纤维素纤维 的方法按以下步骤进行一、按生物质纤维和苯醇溶液的质量比为1 :50 100称取生物 质纤维和苯醇溶液，并将生物质纤维置于苯醇溶液中，在温度为85°C 95°C的条件下抽提 5h 7h ；二、配制浓度为1% 2%(质量)的亚氯酸钠溶液，并用冰醋酸调节其pH值为4 5，然后将经步骤一处理的生物质纤维加入到亚氯酸钠溶液中保持4h 6h，期间每隔0. 9 1. lh继续向亚氯酸钠溶液中补加亚氯酸钠和冰醋酸，以保持亚氯酸钠溶液中亚氯酸纳的浓 度为1% 2%(质量)、亚氯酸钠溶液的pH值为4 5 ；三、将经步骤二处理的生物质纤维 加入到浓度为1% 3%(质量)的碱溶液中，混合均勻，在温度为80°C 100°C条件下保持 1. 5h 2. 5h ；然后再将生物质纤维加入到浓度为4% 6%(质量)的碱溶液中，混合均勻， 在温度为80°C 100°C条件下保持1. 5h 2. 5h ；四、将经步骤三处理的生物质纤维加入到5超声波细胞粉碎机中，在功率为800W 1500W，频率为18 21KHz的条件下处理5min 30min ；五、将经步骤四处理的生物质纤维加入到高压勻质机中，在压强为380bar 420bar 的条件下处理5min 30min，然后再经干燥，即得到纳米纤维素纤维；步骤一中所述的苯醇 溶液是按体积份数比由1份的苯和0.5份的乙醇配制的，或者按体积份数比由1份的甲苯 和0.5份的乙醇配制的。本实施方式的方法制备的纳米纤维素纤维的长度> 150 ym，其长度大于市售的纳 米微晶纤维素和纤维素纳米晶须，是纳米微晶纤维素的150倍以上，是纤维素纳米晶须的 250倍以上；纳米纤维素纤维的纤丝化程度十分均勻，所得纳米纤维具有比细菌纤维素等 丝状纳米纤维素更加规整的形貌和结构，不聚集，不团簇；纳米纤维素纤维具有较高的长径 比，长径比值高于600，是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声结合高压匀质处理制备纳米纤维素纤维的方法，其特征在于一种超声结合高压匀质处理制备纳米纤维素纤维的方法按以下步骤进行：一、按生物质纤维和苯醇溶液的质量比为１：５０～１００称取生物质纤维和苯醇溶液，并将生物质纤维置于苯醇溶液中，在温度为８５℃～９５℃的条件下抽提５ｈ～７ｈ；二、配制浓度为１％～２％（质量）的亚氯酸钠溶液，并用冰醋酸调节其ｐＨ值为４～５，然后将经步骤一处理的生物质纤维加入到亚氯酸钠溶液中保持４ｈ～６ｈ，期间每隔０．９～１．１ｈ继续向亚氯酸钠溶液中补加亚氯酸钠和冰醋酸，以保持亚氯酸钠溶液中亚氯酸纳的浓度为１％～２％（质量）、亚氯酸钠溶液的ｐＨ值为４～５；三、将经步骤二处理的生物质纤维加入到浓度为１％～３％（质量）的碱溶液中，混合均匀，在温度为８０℃～１００℃条件下保持１．５ｈ～２．５ｈ；然后再将生物质纤维加入到浓度为４％～６％（质量）的碱溶液中，混合均匀，在温度为８０℃～１００℃条件下保持１．５ｈ～２．５ｈ；四、将经步骤三处理的生物质纤维加入到超声波细胞粉碎机中，在功率为８００Ｗ～１５００Ｗ，频率为１８～２１ＫＨｚ的条件下处理５ｍｉｎ～３０ｍｉｎ；五、将经步骤四处理的生物质纤维加入到高压匀质机中，在压强为３８０ｂａｒ～４２０ｂａｒ的条件下处理５ｍｉｎ～３０ｍｉｎ，然后再经干燥，即得到纳米纤维素纤维；步骤一中所述的苯醇溶液是按体积份数比由１份的苯和０．５份的乙醇配制的，或者按体积份数比由１份的甲苯和０．５份的乙醇配制的。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文帅，于海鹏，刘一星，陈鹏，
申请(专利权)人：东北林业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]