[發(fā)明專利]一種基于生物質(zhì)原料制備纖維素納米纖維的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610290757.8
• 申請日: 2016-05-05
• 公開（公告）號: CN107345372B
• 公開（公告）日: 2019-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉琪;宋吉青;何文清;郝衛(wèi)平;毛麗麗;郭瑞
• 申請（專利權(quán)）人: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所
• 主分類號: D21C5/00
• 分類號: D21C5/00;D21B1/02;D21B1/36;C08J3/00;D06M15/19;D06M13/355;D06M13/224;D06M13/262;D06M15/513
• 代理公司: 北京路浩知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11002
• 代理人: 王文君

本發(fā)明披露了一種基于生物質(zhì)原料制備纖維素納米纖維的方法，包括：將生物質(zhì)原料進(jìn)行干燥及細(xì)化處理，然后將生成的生物質(zhì)材料與有機(jī)酸溶劑混合加熱回流分離生物質(zhì)纖維素，再將分離出的生物質(zhì)纖維素采用物理方法進(jìn)行納米纖維化處理，得到高純度高長徑比的纖維素納米纖維。本發(fā)明有效地提高了制備的效能，能制備出高純度高長徑比的纖維素納米纖維，且減少了化學(xué)污染廢棄物的產(chǎn)生，同時避免了傳統(tǒng)純化方法中氯的使用而導(dǎo)致的一系列環(huán)境問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及纖維素納米纖維的制備方法，尤其涉及以生物質(zhì)為原料制備纖維素納米纖維的方法。

背景技術(shù)

纖維素是世界上蘊藏量最豐富的天然高分子化合物，經(jīng)過機(jī)械粉碎、酸處理或酶水解等處理可得到纖維素納米纖維(CNF，Cellulose Nanofiber)。纖維素納米纖維是一種超細(xì)纖維，每根纖維的直徑僅為3～4nm，大約相當(dāng)于頭發(fā)絲的二萬分之一。纖維素納米纖維具有諸多優(yōu)異的性能，如其聚合度高、結(jié)晶度高、楊氏模量高以及硬度高等等，使其在增強(qiáng)聚合物納米復(fù)合材料領(lǐng)域得到了應(yīng)用；其可降解、親水性好、透明性、質(zhì)量輕及良好的生物相容性等優(yōu)點使其在人造生物組織、生物傳感器、柔性電子器件等材料中展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景；其表面含有大量的羥基，使其表面易于進(jìn)行化學(xué)改性，從而賦予表面不同的特性，更進(jìn)一步擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。利用CNF能制成非常強(qiáng)韌的材料。與鋼材相比，這種材料的重量只有其1/5，強(qiáng)度卻是其5倍以上，它對于提高分子聚合物、復(fù)合功能材料、高電子機(jī)械以及汽車部件的強(qiáng)度并實現(xiàn)設(shè)備輕量化無疑是一種優(yōu)異的選擇。

目前將纖維素納米化的方法主要有強(qiáng)酸水解法、高強(qiáng)度機(jī)械法及酶水解法等。其中，強(qiáng)酸水解法得到的產(chǎn)物為短棒狀納米晶體，并且這幾種方法都只能處理造紙漿料或經(jīng)過分離純化得到的纖維素漿料等，而對來源廣泛、纖維素含量豐富的天然生物質(zhì)資源卻不適用。

要利用生物質(zhì)原料制備纖維素納米纖維，首先要對生物質(zhì)中的纖維素進(jìn)行分離和純化?，F(xiàn)有的處理方法主要是利用酸水解的方法對生物質(zhì)中的纖維素進(jìn)行分離，然后用酸化的亞氯酸鈉溶液對其進(jìn)行漂白處理。而這種分離方法所產(chǎn)生的酸廢液難以回收，含氯廢液也有害于生態(tài)環(huán)境安全；同時，以該方法分離得到的纖維素的純度也不很理想。因此，探索一種對環(huán)境更加友好且高純度的分離純化方法是以生物質(zhì)為原料制備纖維素納米纖維的重要問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于生物質(zhì)原料制備纖維素納米纖維的方法，能夠在以生物質(zhì)為原料的制備中獲得對環(huán)境友好且高純度高長徑比的纖維素納米纖維。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于生物質(zhì)原料制備纖維素納米纖維的方法，包括：將生物質(zhì)原料進(jìn)行干燥及細(xì)化處理，然后將生成的生物質(zhì)材料與有機(jī)酸溶劑混合加熱回流分離生物質(zhì)纖維素，再將分離出的生物質(zhì)纖維素采用物理方法進(jìn)行納米纖維化處理，得到高純度高長徑比的纖維素納米纖維。

優(yōu)選地，將生成的生物質(zhì)材料與有機(jī)酸溶劑混合加熱回流分離生物質(zhì)纖維素，具體包括：將生物質(zhì)材料與甲酸水溶液或甲酸乙酸水混合溶液中的一種試劑以1∶5～1∶70進(jìn)行混合，其中甲酸的體積含量為5～95％，乙酸的體積含量為0～95％，水的體積含量為5～80％。

優(yōu)選地，干燥及細(xì)化包括：將生物質(zhì)原料在自然狀態(tài)下風(fēng)干或者在30～65℃條件下烘干，然后將風(fēng)干或烘干的生物質(zhì)原料粉碎過篩得到粉末狀的生物質(zhì)材料；或者用物理方法將風(fēng)干或烘干的生物質(zhì)原料揉搓成絨狀的生物質(zhì)材料。

優(yōu)選地，在將生物質(zhì)原料進(jìn)行干燥及細(xì)化處理后以及將生成的生物質(zhì)材料與有機(jī)酸溶劑混合加熱回流分離生物質(zhì)纖維素之前，還包括對生物質(zhì)材料進(jìn)行蒸汽爆破預(yù)處理之步驟，即：將經(jīng)過粉碎過篩生成的粉末狀的生物質(zhì)材料10～5000g或經(jīng)過揉搓成生成的絨狀生物質(zhì)材料10～5000g裝入反應(yīng)容器內(nèi)，在0.5～10.0MPa壓力條件下進(jìn)行蒸汽爆破，然后將爆破后的產(chǎn)物離心分離去除爆破過程中產(chǎn)生的水解液，并用蒸餾水將分離去除水解液后的產(chǎn)物洗滌至中性，再將洗滌至中性的產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥或超臨界干燥處理，得到含有生物質(zhì)纖維素的生物質(zhì)材料。