[發(fā)明專利]一種棒狀納米纖維素的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910025794.6
• 申請日: 2009-03-10
• 公開（公告）號: CN101509209A
• 公開（公告）日: 2009-08-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王丹;商士斌;宋湛謙;劉鶴
• 申請（專利權(quán)）人: 中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所
• 主分類號: D21C5/00
• 分類號: D21C5/00
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 陸志斌

一、技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料制備領(lǐng)域，特別涉及一種棒狀納米纖維素的制備方法。

二、背景技術(shù)

由于可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的需要，在過去的幾十年里，以天然可再生資源為基礎(chǔ)的生物降解材料受到了國內(nèi)外研究人員和生產(chǎn)企業(yè)越來越多的重視，納米纖維素也被應(yīng)用到了高分子復(fù)合材料的研究當(dāng)中。納米纖維素與其他納米填充物相比的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)廉、易得、可再生、生物相容、制備簡單、可化學(xué)或物理改性等等，而且棒狀納米纖維素具有高機(jī)械強(qiáng)度的材料，其晶體結(jié)構(gòu)高度有序，會明顯改變材料的電學(xué)、光學(xué)、磁力學(xué)、絕緣性甚至超導(dǎo)性。

纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)是由D-吡喃葡萄糖環(huán)彼此以β-1，4-糖苷鍵以C1椅式構(gòu)象聯(lián)結(jié)而成的線形高分子。纖維素里分布著納米級的結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)的纖維素。這些結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)的纖維素依靠其分子內(nèi)和分子外的氫鍵以及弱作用力的范德華力維持著自組裝的大分子結(jié)構(gòu)和原纖的形態(tài)。在一定酸水解條件下，由于無定形區(qū)的水解速度較快，水解過程中無定形區(qū)水解破裂，而結(jié)晶區(qū)的微晶沒有發(fā)生變化，從而形成了棒狀的納米纖維素晶須。納米纖維素可由棉纖維、木漿、甜菜漿和動物纖維素等原料制得，其抗張強(qiáng)度高于玻璃纖維、鋼絲、石墨晶須、碳納米管等材料，在復(fù)合材料增強(qiáng)作用方面具有很好的研究價(jià)值和應(yīng)用前景。

目前國內(nèi)公開的納米纖維素制備方法所得到的產(chǎn)物均為顆粒狀，長徑比低，限制了其在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

三、發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：

本發(fā)明針對現(xiàn)有纖維素制備技術(shù)領(lǐng)域的不足，提供一種低成本、高效率的制備方法，制得一種性能較好的棒狀納米纖維素。

技術(shù)方案：本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：

一種棒狀納米纖維素的制備方法，包括以下步驟：將纖維原料分散在質(zhì)量百分濃度為50％～65％的硫酸水溶液中，所述纖維原料與硫酸水溶液的質(zhì)量比為1∶10～1∶20，得到分散有纖維原料的硫酸水溶液；在20～50℃溫度條件下，對上述分散有纖維原料的硫酸水溶液進(jìn)行單模微波輻射水解5～60分鐘，單模微波輻射功率為10～100w，得到水解液；在上述水解液中加入蒸餾水使水解液稀釋至10倍體積，再將稀釋后的水解液進(jìn)行離心分離、取沉淀物透析、過濾、超聲波分散，得到棒狀納米纖維素懸浮液。

上述纖維原料為棉纖維、麻纖維、木漿纖維或微晶纖維素，對上述稀釋液進(jìn)行離心分離時(shí)，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為10000～16000rpm，離心分離2～5次，所述透析過程所用透析膜的截留分子量為8000～14000，透析時(shí)間為2～4天，所述超聲波分散過程中，超聲波功率為200w，時(shí)間10～40分鐘。

有益效果：

纖維素是世界上最大的、價(jià)格低廉的可再生資源，具有可處理、生物相容和生物降解等特性，同時(shí)，單模微波具有高密度，頻率和功率高穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，而且單模微波反應(yīng)安全、快速、精確、穩(wěn)定、產(chǎn)率高等特點(diǎn)，本發(fā)明創(chuàng)造性地將單模微波輔助酸水解方法用于制備納米纖維素的過程中，再結(jié)合離心、透析、超聲波等合理的后處理過程，解決了現(xiàn)有技術(shù)在制備納米纖維素過程中反應(yīng)速度慢，納米纖維素長徑比低的技術(shù)缺陷，最終制得了具有高結(jié)晶度、高長徑比特點(diǎn)的棒狀納米纖維素。具體來說，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在如下方面：

(1)微波是一種波長極短的電磁波，波長在1mm到1m之間，其相應(yīng)頻率在300GHz至300MHz之間，微波可大大加快有機(jī)合成反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)時(shí)間。過去的二十年間，由于微波輻射能提高反應(yīng)速率數(shù)倍甚至數(shù)千倍，具有操作簡便，副產(chǎn)物少，產(chǎn)率高，易純化及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，引起各國化學(xué)工作者的重視。多模微波如家用微波爐技術(shù)，缺點(diǎn)是低密度(25-35W/L)，頻率雜亂和功率分布的不穩(wěn)定性，多模技術(shù)尤其不適合微量反應(yīng)，它無法解決邊界條件的可測量可定量，以及可重復(fù)性。與之相對的微波單模技術(shù)可在腔內(nèi)形成標(biāo)準(zhǔn)波模，控制波長的倍數(shù)或分?jǐn)?shù)以適應(yīng)其特性，以等軸對比度耦合微波。單模微波的優(yōu)點(diǎn)是高密度，頻率和功率的高穩(wěn)定性。本技術(shù)所采用的是基于AFC(AUTO?FOCUS?COUPLING)環(huán)形聚焦自動耦合單模微波技術(shù)，可自動改變耦合通道的大型環(huán)形單模諧振腔設(shè)計(jì)，提供反應(yīng)的過程控制的可變脈沖和非脈沖連續(xù)單模微波，微波能通過不同組合的耦合通道進(jìn)行精確單模微波輻射。反應(yīng)過程的任何時(shí)刻所吸收的能量都是經(jīng)過優(yōu)化的，而且確保反應(yīng)條件和結(jié)果的再現(xiàn)性和可重復(fù)性。