[發明專利]一種高效的纖維素納米晶制備方法

有效

• 申請號: 201610236962.6
• 申請日: 2016-04-15
• 公開（公告）號: CN105777913B
• 公開（公告）日: 2019-04-09
• 發明（設計）人: 周麗娟;張建明;段詠欣
• 申請（專利權）人: 青島科技大學
• 主分類號: C08B15/02
• 分類號: C08B15/02;D21C9/00;D21C9/02
• 代理公司: 青島中天匯智知識產權代理有限公司 37241
• 代理人: 郝團代

本發明提供了一種高效、快速制備纖維素納米晶的方法。該方法首先利用堿溶液對纖維素原料進行預處理后再進行酸解，酸解過程中加入含金屬離子的無機鹽作為助催化劑輔助促進酸解反應。本發明所采用的方法反應條件溫和，易于控制，反應所需原料簡單易得，可廣泛應用于各類纖維素原料制備纖維素納米晶。

【技術領域】

本發明屬于納米材料制備領域，也屬于高分子領域，特別涉及一種纖維素納米晶的制備方法。

【背景技術】

天然纖維素是自然界中存在量最大的生物質材料，其年產量可以達到1.5×10¹²噸。通過提取纖維素的結晶區可以得到具有納米尺寸的纖維素納米晶。纖維素納米晶具有眾多優良特性，如它具有大的長徑比，長度從幾百個納米至幾個微米不等；它具有高的機械強度，其楊氏模量與芳族聚酰胺纖維相似而高于鋼鐵，拉伸強度的與鋁相似；纖維素納米晶的熱穩定性好，熱膨脹系數一般在0.1ppm/K以下，可以與碳纖維相媲美。纖維素納米晶在一定條件下可取向排列，從而呈現液晶的特性。此外，纖維素納米晶還具有生物相容性、可生物降解、可反應的表面、高結晶性、低密度(小于無機纖維)、價格低廉等優點，使其在制造高性能復合材料科學領域獲得了廣泛的關注，特別是在今天地球資源日益枯竭，人們對環境保護的渴求日益迫切的背景下，對纖維素納米晶的研究和開發具有極大的理論和現實意義。

目前，制備纖維素納米晶的方法主要有酸解法、酶解法及物理機械處理法等，其中酶解法復雜、耗時長、成本高；物理機械法需特殊設備和使用高壓，能耗較高，制備的纖維素納米級粒徑分布寬。目前最常用的就是硫酸酸解的方法，該方法最早產生于1947年，由Nickerson和Habrle利用硫酸水解木材和棉絮制得了纖維素納米晶懸浮液，該方法原料易得，制備的纖維素納米晶懸浮液穩定性高。但硫酸酸解制備纖維素納米晶的產率有待進一步提高，通常硫酸酸解方法的產率低于30％，且纖維素納米晶粒徑分布比較寬，所得納米晶從幾個納米至幾個微米，嚴重影響了其在后續使用中的性能表現，因此有必要進一步改進該方法使其更加簡便高效。在專利CN104711305A中，對細菌纖維素采用酶解法制備纖維素納米晶，產率可達50-85％，這主要是由于細菌纖維素本身結晶度較高可達70％以上，大大高于植物纖維素，所以納米晶產率也較高，但此方法并不適用于利用植物纖維素制備納米晶。在制備纖維素納米晶的上述各種方法中均對纖維素原料直接進行處理，未見有預處理的步驟。本專利借鑒了秸稈、木材等生物質原料生產纖維素過程中采用堿處理以除去其中的半纖維素和木質素的方法，采用對纖維素原料進行堿預處理，同時在制備過程中加入催化劑的方法，提高纖維素納米晶的產率，同時縮短反應時間且使所得納米晶粒徑分布更加均勻。

【發明內容】

[要解決的技術問題]

本發明的目的是針對現有硫酸酸解制備纖維素納米晶技術的不足，提供一種更加簡便、高效的制備方法，使得纖維素納米晶的產率明顯提高，且粒徑分布更加均勻。

[本發明的技術方案]

本發明通過對纖維素原料進行堿溶液預處理及在酸解過程中加入金屬離子作為助催化劑，從而提高纖維素納米晶的產率并改善粒徑分布。

本發明是通過以下技術方案實現的：

(1)預處理：將纖維素原料攪拌粉碎，用堿溶液浸泡1-120h，優選5-80小時，更優選8-48小時，然后用去離子水抽濾洗滌至中性；

(2)將(1)所得處理后的纖維素分散在質量百分濃度為45％-69％，優選55-69％；更優選60-65％的硫酸水溶液中，同時加入助催化劑，在升溫條件下，攪拌上述水溶液反應一定時間得水解液；

(3)后處理：將(2)所得水解液加入去離子水以終止反應，再將稀釋后的水解液進行離心分離、取上層懸浮液進行透析、過濾、超聲波分散，得到穩定分散的棒狀纖維素納米晶懸浮液。