CN101353826A - 一种桑皮纳米纤维素纤维及其制备方法 - Google Patents

一种桑皮纳米纤维素纤维及其制备方法 Download PDF

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费建明
李荣吉
李玉峰
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Abstract

本发明公开了一种桑皮纳米纤维素纤维，其外形呈纤维状，直径尺寸在10～60nm之间，长度尺寸在200～800nm之间，纤维的结构为纤维素I型晶型；本发明还提供了桑皮纳米纤维素纤维的制备方法。本发明制得的桑皮纳米纤维素纤维的直径为10～60nm，长度为200～800nm，长径比在10～30之间；桑皮纳米纤维素纤维的结构为纤维素I型晶型；桑皮纳米纤维素纤维极易分散在水中，形成稳定的有胶体性质的悬浮液。

Description

一种桑皮纳米纤维素纤维及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米材料领域，特别涉及一种从天然桑皮制备的纳米纤维素纤维及其方法。
背景技术
由于人们对天然气、石油、矿产等不可再生资源的过度使用，能源紧缺成为人类社会面临的一个亟待解决的重大问题，新资源的开发利用成为世界各国的一项首要任务。纤维素是世界上最丰富的天然有机物，广泛存在于天然植物和尾索类动物的被囊中。它是地球上取之不尽、用之不竭的一种可再生资源，是重要的造纸原料。此外，以纤维素为原料的产品也广泛用于塑料、炸药、电工及科研器材等方面。食物中的纤维素(即膳食纤维)对人体的健康也有着重要的作用。
桑树在我国有着悠久的栽培历史，其种植的主要目的是为了获取桑叶进行养蚕。而对桑树的副产品——桑树韧皮的利用极少，一般都是作为干柴烧掉，少数用于造纸原料。而作为一种生长快，易种植的多年生天然木本植物，桑树韧皮是一种极具开发利用价值的新型天然资源。根据种类的不同，桑树韧皮中纤维素的含量约为30～40％，半纤维素、木质素、果胶等杂质的含量约为50％，因此，桑树韧皮的开发利用的关键一步就是要摸索出一条经济、有效、环保的脱胶工艺，将桑皮纤维从韧皮中提取出来。1995年，殷立德等制备了平均长度为20～30mm的桑皮纤维(ZL 95117638.2)，该桑皮纤维有优于或类似于棉纤维的性能，并且具有丝绸的光泽，成本仅为棉纤维的二分之一，为天然纤维扩大了新领域，增添了纺织纤维新品种。
近年来，纳米纤维素纤维在聚合物基纳米复合材料领域中作为一种高强度补强剂，已经得到了部分研究，并取得了重大进展(Capadona JR等.Stimuli-responsive polymer nanocomposites inspired by the sea cucumberdermis.Science 2008，319：1370-1374)。由于尺寸效应，纳米级的纤维与普通纤维相比，有着特殊的物理和化学特性，巨大的比表面积和表面原子数，使其具有特殊的表面效应。此外，纳米纤维的表面活性极大，故反应能力也大大增强，所以纳米纤维素纤维是一种极具应用前景的新型材料。
发明内容
本发明的目的在于利用桑皮韧皮巨大的潜在利用价值，提供一种从天然桑皮制备的纳米纤维素纤维及其方法。
本发明的一种桑皮纳米纤维素纤维，其外形呈纤维状，直径尺寸在10～60nm之间，长度尺寸在200～800nm之间，纤维的结构为纤维素I型晶型。
本发明还提供了桑皮纳米纤维素纤维的制备方法，依次包括以下步骤：
(1)将天然桑皮浸入含磷酸三钠的碱性溶液中进行蒸煮预处理，浴比为1∶15～30，磷酸三钠浓度为3～5g/L，碱浓度为5～15g/L，温度为50～80℃，蒸煮时间为1～3h，后用蒸馏水清洗去除表面青皮；
(2)将步骤(1)去除青皮后的桑皮浸入含硫化钠的碱性溶液中进行密闭蒸煮，浴比为1∶10～30，硫化钠浓度为5～15g/L，碱浓度为5～15g/L，温度为100～150℃，密闭蒸煮时间为1～2h，后用蒸馏水清洗得桑皮纤维；
(3)将步骤(2)密闭蒸煮并清洗后的桑皮纤维浸入有效氯含量为5～6％次氯酸钠溶液中漂白，浴比为1∶10～30，次氯酸钠的体积百分比浓度为0.5～1％，温度为50～90℃，漂白时间为0.5～2h；
(4)将步骤(3)漂白后的桑皮纤维浸入酸性溶液中进行酸解，并且不断搅拌，浴比为1∶5～20，酸的体积百分比浓度为20～50％，温度为40～80℃，酸解时间为20～240min；
(5)将步骤(4)酸解后的桑皮纤维离心分离出沉淀，用蒸馏水洗涤，离心洗涤3～5次，沉淀物放入真空干燥箱干燥，即得桑皮纳米纤维素纤维。
所述步骤(1)或(2)中的碱性溶液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。
所述步骤(4)中的酸性溶液为硫酸、盐酸、磷酸、硝酸中的一种或几种无机酸的混合物。
所述步骤(5)中所述的离心是以10000rpm的离心速度离心10min。
所述的桑皮纳米纤维素纤维作为增强填充剂应用于增强材料中，提高产品的抗裂性能和机械强度。
本发明的有益之处在于，制得的桑皮纳米纤维素纤维的直径为10～60nm，长度为200～800nm，长径比在10～30之间；桑皮纳米纤维素纤维的结构为纤维素I型晶型；桑皮纳米纤维素纤维极易分散在水中，形成稳定的有胶体性质的悬浮液。
附图说明
图1为本发明实施例1中未经处理的天然桑皮的扫描电镜照片(×500)；
图2为本发明实施例1中经蒸煮-密闭蒸煮-漂白后所得桑皮纤维的扫描电镜照片(×500)；
图3为本发明实施例1中制备的桑皮纳米纤维素纤维的原子力显微镜照片。
具体实施方式
下面结合实施例来说明本发明的技术方案。
本发明所用的碱性溶液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液；所有的酸性溶液为硫酸、盐酸、磷酸、硝酸中的一种或几种无机酸的混合物。所用试剂均为分析纯。
实施例1
取100g洗净晒干后的天然桑皮(图1)，浸入1500mL含磷酸三钠的氢氧化钠溶液中在80℃下煮3h，磷酸三钠浓度为3g/L，氢氧化钠浓度为5g/L，随后用大量蒸馏水清洗去除桑皮表面的青皮；再将去除青皮的桑皮浸入1000mL含硫化钠的氢氧化钠溶液中在130℃下密闭蒸煮2h，硫化钠浓度为5g/L，氢氧化钠浓度为5g/L，随后用蒸馏水清洗，得高温高压脱胶后的桑皮纤维。
取上述桑皮纤维10g浸入300mL有效氯含量不小于5.2％的次氯酸钠溶液中在90℃漂白处理0.5h，次氯酸钠体积百分比浓度为0.5％；将漂白后的桑皮纤维(图2)浸入100mL体积百分比浓度为50％的硫酸溶液中，在40℃下不断搅拌20min；加入100mL蒸馏水停止反应后，以10000rpm的离心速度离心10min分离出沉淀；再用蒸馏水洗涤，离心分离沉淀，重复3次；将沉淀放入真空干燥箱干燥，即得直径为10～30nm，长度为200～400nm的纳米纤维素纤维(图3)。
实施例结合图1：图1为本发明实施例1中未经处理的天然桑皮的扫描电镜照片(×500)。由于桑皮中除纤维素外，含有大量的半纤维素、木质素和果胶等杂质，所以表面粗糙，且纤维间相互粘连。
实施例结合图2：图2为本发明实施例1中经蒸煮-密闭蒸煮-漂白后所得桑皮纤维的扫描电镜照片(×500)。桑皮经过碱煮后，杂质基本除去，呈相互分散的光滑纤维状，纤维直径为20～40μm。
实施例结合图3：图3为本发明实施例1中制备的桑皮纳米纤维素纤维的原子力显微镜照片。桑皮纤维经酸解后，得均匀纳米纤维素纤维，直径为10～30nm，长度为200～400nm。
实施例2
取100g洗净晒干后的天然桑皮，浸入3000mL含磷酸三钠的氢氧化钾溶液中在65℃下煮1h，磷酸三钠浓度为5g/L，氢氧化钾浓度为15g/L，随后用大量蒸馏水清洗去除桑皮表面的青皮；再将去除青皮的桑皮浸入3000mL含硫化钠的氢氧化钾溶液中在150℃下密闭蒸煮1h，硫化钠浓度为15g/L，氢氧化钾浓度为10g/L，随后用蒸馏水清洗，得高温高压脱胶后的桑皮纤维。
取上述桑皮纤维10g浸入100mL有效氯含量不小于5.2％的次氯酸钠溶液中在50℃漂白处理2h，次氯酸钠体积百分比浓度为1％；将漂白后的桑皮纤维浸入50mL体积百分比浓度为35％的硝酸溶液中，在80℃下不断搅拌240min；加入100mL蒸馏水停止反应后，以10000rpm的离心速度离心10min分离出沉淀；再用蒸馏水洗涤，离心分离沉淀，重复5次；将沉淀放入真空干燥箱干燥，即得直径为25～60nm，长度为400～800nm的纳米纤维素纤维。
实施例3
取100g洗净晒干后的天然桑皮，浸入3000mL含磷酸三钠的氢氧化钠溶液中在50℃下煮2h，磷酸三钠浓度为4g/L，氢氧化钠浓度为10g/L，随后用大量蒸馏水清洗去除桑皮表面的青皮；再将去除青皮的桑皮浸入2000mL含硫化钠的氢氧化钾溶液中在100℃下密闭蒸煮1.5h，硫化钠浓度为10g/L，氢氧化钾浓度为15g/L，随后用蒸馏水清洗，得高温高压脱胶后的桑皮纤维。
取上述桑皮纤维10g浸入200mL有效氯含量不小于5.2％的次氯酸钠溶液中在75℃漂白处理1.5h，次氯酸钠体积百分比浓度为0.8％；将漂白后的桑皮纤维浸入200mL体积百分比浓度均为20％的硫酸和盐酸混合溶液中，在60℃下不断搅拌150min；加入100mL蒸馏水停止反应后，以10000rpm的离心速度离心10min分离出沉淀；再用蒸馏水洗涤，离心分离沉淀，重复4次；将沉淀放入真空干燥箱干燥，即得直径为20～50nm，长度为400～700nm的纳米纤维素纤维。
本发明所制备的桑皮纳米纤维素纤维由于其巨大的比表面积和表面原子数，使其具有特殊的表面效应和极大的表面活性，在聚合物(如塑料、橡胶等)基纳米复合材料领域中作为一种高强度补强剂，以显著提高产品的抗裂性能和机械强度。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1、一种桑皮纳米纤维素纤维，其特征在于：其外形呈纤维状，直径尺寸在10～60nm之间，长度尺寸在200～800nm之间，纤维的结构为纤维素I型晶型。
2、一种如权利要求1所述的桑皮纳米纤维素纤维的制备方法，其特征在于依次包括以下步骤：
(1)将天然桑皮浸入含磷酸三钠的碱性溶液中进行蒸煮预处理，浴比为1∶15～30，磷酸三钠浓度为3～5g/L，碱浓度为5～15g/L，温度为50～80℃，蒸煮时间为1～3h，后用蒸馏水清洗去除表面青皮；
(2)将步骤(1)去除青皮后的桑皮浸入含硫化钠的碱性溶液中进行密闭蒸煮，浴比为1∶10～30，硫化钠浓度为5～15g/L，碱浓度为5～15g/L，温度为100～150℃，密闭蒸煮时间为1～2h，后用蒸馏水清洗得桑皮纤维；
(3)将步骤(2)密闭蒸煮并清洗后的桑皮纤维浸入有效氯含量不小于5.2％次氯酸钠溶液中漂白，浴比为1∶10～30，次氯酸钠的体积百分比浓度为0.5～1％，温度为50～90℃，漂白时间为0.5～2h；
(4)将步骤(3)漂白后的桑皮纤维浸入酸性溶液中进行酸解，并且不断搅拌，浴比为1∶5～20，酸的体积百分比浓度为20～50％，温度为40～80℃，酸解时间为20～240min；
(5)将步骤(4)酸解后的桑皮纤维离心分离出沉淀，用蒸馏水洗涤，离心洗涤3～5次，沉淀物放入真空干燥箱干燥，即得桑皮纳米纤维素纤维。
3、根据权利要求2所述的桑皮纳米纤维素纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)或(2)中的碱性溶液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。
4、根据权利要求2所述的桑皮纳米纤维素纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中的酸性溶液为硫酸、盐酸、磷酸、硝酸中的一种或几种无机酸的混合物。
5、根据权利要求2所述的桑皮纳米纤维素纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中所述的离心是以10000rpm的离心速度离心10min。
6、权利要求1所述的桑皮纳米纤维素纤维作为增强填充剂应用于增强材料中，提高产品的抗裂性能和机械强度。
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