CN102787518A - 一种棉花纤维素纳米纤丝薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种棉花纤维素纳米纤丝薄膜的制备方法，工艺步骤包括，一、化学预处理、二、机械分离、三、制备薄膜。优点：本发明是通过酸碱预处理结合研磨木粉制备而成，主要用亚氯酸钠在酸性条件下去除木粉中的木质素，再用稀释的氢氧化钾去除木粉中半纤维素，剩下的基本是纤维素，最后用稀盐酸对纤维素进行开纤处理。开纤处理降低了纤丝内部之间氢键作用力，得到高长径比的生物质纤维素纳米纤丝。利用盐酸处理除去了纤维中的矿物质，对纯化纤维素中的碱不溶半纤维素产生影响，纯化纤维素纤维的效果。化学组分通过傅里叶变换红外进行检测。研磨处理简单易操作，可进行大批量生产。弹性模量为3463.23MPa，拉伸强度为87.38MPa。

Description

一种棉花纤维素纳米纤丝薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种棉花纤维素纳米纤丝薄膜的制备方法。属于生物质纳米纤维技术领域。

背景技术

 生物质纤维素纳米纤丝的分离过程主要包括预处理和机械分离。整个分离过程中运用了两种主要的处理方式：机械处理和化学处理。机械处理中虽然消耗一定的能量，但是却可以充分利用原材料；化学处理中，只利用了一半左右的原材料，去除另一半原材料，但是实验中的搅拌将促进生成化学热量并有效的去除杂质，这种燃烧热是整个化学作用过程中所消耗的能量，目前有一种氧化预处理的方法，即用TEMPO为媒介催化氧化来制备纤维素纳米纤丝。TEMPO氧化是天然纤维素表面改性的一种好方法，天然纤维在温和水溶液的环境中引入了羧基和醛基官能团，这种方法制备的纤维对原材料的选择要求较高。TEMPO媒介氧化后的生物质纤维素纳米纤丝的形态不发生改变，氧化只在微纤丝的表面发生并使之带负电，这样纤丝与纤丝之间发生排斥，从而降低纤丝间的氢键作用力，最终发生微纤化。这种方法条件温和，有效的去除了木质素，但是其生产成本过高。结合机械处理和酶预处理制备纤维素纳米纤丝，首先用精磨机精磨以增加细胞壁的可及性，然后再进行酶处理，接着再精磨一次，最后将纤维素浆倒入高压均质机中均质。从成本和设备角度出发，生物预处理显示了独特的优势，可用专一的木质酶处理原料以分解木质素和提高木质素消化率，但是生物预处理后水解得率很低。

发明内容

本发明提出的的是一种棉花纤维素纳米纤丝的制备方法，采用化学预处理结合机械分离法制备生物质纤维素纳米纤丝，然后将生物质纤维素纳米

纤丝悬浊液制备成薄膜。

本发明技术解决方案：棉花纤维素纳米纤丝的制备方法，包括如下工艺步骤，一、化学预处理；二、机械分离；三、制备薄膜。

本发明的积极效果：通过酸碱预处理结合研磨棉花来制备纤维素纳米纤丝，在酸碱预处理中用到的都是浓度很低的酸碱水溶液，相对于强酸预处理的反应温和，主要用亚氯酸钠在酸性条件下以除去半纤维素，直到过滤液成中性，这样得到纯化纤维素纤维；最后用稀盐酸对纤维素进行开纤处理。开纤处理是为了降低纤丝内部间氢键作用力，从而在经过机械处理后得到高长径比的生物质纤维素纳米纤丝。利用盐酸处理后，有助于除去纤维中的矿物质，此外，盐酸处理还可对纯化纤维素中的碱不溶半纤维素产生影响，能够起到进一步纯化纤维素纤维的效果。提取过程中的化学组分可以通过傅里叶变换红外进行检测。机械处理中，研磨处理简单易操作，可以进行大批量生产。棉纤维素纳米纤丝膜的弹性模量为3463.23MPa，拉伸强度为87.38MPa。

具体实施方式

实施例

棉花纤维素纳米纤丝的提取：

一、化学预处理，

1）精确称量出4g棉花；

2）将称量好的棉花移入250ml的烧杯中，加入100ml 蒸馏水、0.5ml 冰醋酸和0.6g 亚氯酸钠，用玻璃棒搅拌均匀，用保鲜膜封住杯口，放入75℃恒温水浴锅中加热1h，杯中放入磁石进行不断搅拌，使得反应更加充分，1小时后用真空抽滤泵和布氏漏斗进行过滤，并用蒸馏水不断洗涤试样直到过滤液成中性，即综纤维素纤维；

3）将棕纤维素纤维装入250ml 烧杯中，倒入100ml 质量浓度为4%的氢氧化钾溶液，用保鲜膜封住杯口后放入90℃恒温水浴锅中加热2h，并在杯中放入磁石不断搅拌，2h 后用真空抽滤泵和布氏漏斗过滤，并用蒸馏水反复洗涤，以除去半纤维素，直到过滤液成中性，这样得到纯化纤维素纤维；

4）将纯化纤维素纤维倒入250ml烧杯中，加入100ml浓度为1%的HCl，用保鲜膜封住杯口，放入80℃恒温水浴锅中加热2h，并用磁石进行搅拌，然后用真空抽滤泵和布氏漏斗过滤，并用蒸馏水反复洗涤，直到过滤液成中性；

5）将成中性的滤液配置成质量浓度为1%的水悬浊液，然后进行研磨处理：磨盘之间间隙为0，研磨次数为30次，研磨转速为1500rpm，即制得样品；

以上各操作过程中的木质纤维始终保持水润胀状态，以防止纤丝间的聚集。

二、机械分离，

采用的机械分离方法是研磨法：将前述中化学预处理后的样品配置成1%质量浓度的悬浊液后加入到250ml的烧杯中，在研磨机出料口放置一个250ml的空烧杯以盛放出料样品，空烧杯要浸入到装有冰水的容器中，以防止研磨样品温度过高发生降解，打开研磨机开关，转速设定为1500rpm，旋转研磨转盘距离旋钮，当刻度达到0时倒入样品，研磨30次，即制得棉花纤维素纳米纤丝；

所述的制得棉花纤维素纳米纤丝，通过四种不同的方法制得棉花纤维素纳米纤丝，第一种，纤维素纤维经过研磨机预处理30min,得到纤维素微米纤维素，之后利用细胞粉碎机（现有）超声处理60min，得到棉花纤维素纳米纤丝；第二种，纤维素纤维经过研磨机预处理30min,之后将得到的微米纤维素在高压均质机（现有）均质8 次，得到棉花纤维素纳米纤丝；第三种，纤维素纤维在研磨机中研磨60min 得到棉花纤维素纳米纤丝；第四种，纤维素纤维在细胞粉碎机中预处理60min，之后在高压均质机中均质8 次，得到棉花纤维素纳米纤丝。

机械分离方法中的棉花纤维始终保持水润胀状态，以防止纤丝间的聚集。

三、制备成膜：

1）将机械分离后的棉花纤维素纳米纤丝，取200ml ；

2）利用真空抽滤泵和布氏漏斗进行抽滤，样品因失水而成棉花纤维素纳米纤丝薄膜，棉花纤维素纳米纤丝薄膜直径为90mm；

3）将棉花纤维素纳米纤丝薄膜用两块玻璃板平压夹持，放入干燥箱中55℃烘干，烘干48小时。

棉花纤维素纳米纤丝薄膜的弹性模量为3463.23MPa，拉伸强度为87.38MPa。

纳米纤维素的应用

纳米纤维素作为聚合物基体的增强剂成为现在研究的热点，其被广泛用作填充物，以提高塑料、橡胶和其他产品的强度、韧度等性能。在表面功能性与调控方面可用于具有疏水性或者亲水性的生物传感器。纳米纤维素在医学方面可以用于人造皮肤、人工血管、神经缝合的保护盖罩、训练用微手术模型、动物伤口敷料等领域。纳米纤维素在做细胞工程支架材料时，其作用是提供传导性能和结构支撑，并改进支架的多孔性；在药品封装中使用，可控制活性组分的传输。聚合物纳米纤维材料也可用于人体皮肤创伤和烧伤处理，而作为止血材料亦具有独特的性能。采用静电纺丝的方式将生物可降解聚合物直接喷洒于人体皮肤的损伤部位，形成纤维网状包扎层，可促进皮肤组织生长而使伤口愈合，同时可减轻或消除传统创伤处理方式造成的疤痕。光学性能方面，利用它的增强性能可以开发出新型的柔性显示器、印刷电子器件显示器、太阳能电池、燃料电池、医疗传感器以及精密光学仪器及配件等。最近稻草（含有纤维素）被用来生产纤维，进而纺成织物，类似棉花或亚麻，而且可在普通的纺织机器上纺织，用羽毛和稻草生产出来的布适用于地毯、汽车和建筑，成本更低，性能更好。

Claims (5)

1.一种棉花纤维素纳米纤丝薄膜的制备方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤，一、化学预处理；二、机械分离；三、制备薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种棉花纤维素纳米纤丝薄膜的制备方法，其特征是所述的化学预处理工艺步骤一，包括

1）精确称量出4g棉花；

2）将棉花移入250ml的烧杯中，加入100ml 蒸馏水、0.5ml 冰醋酸和0.6g 亚氯酸钠，用玻璃棒搅拌均匀，用保鲜膜封住杯口，放入75℃恒温水浴锅中加热1h，杯中放入磁石进行不断搅拌，使得反应更加充分，搅拌1小时后用真空抽滤泵和布氏漏斗进行过滤，并用蒸馏水不断洗涤试样直到过滤液成中性；制得棕纤维素纤维；

3）将棕纤维素纤维装入250ml 烧杯中，倒入100ml 质量浓度为4%的氢氧化钾溶液，用保鲜膜封住杯口后放入90℃恒温水浴锅中加热2小时，并在杯中放入磁石不断搅拌，搅拌2小时后用真空抽滤泵和布氏漏斗过滤，并用蒸馏水反复洗涤，以除去半纤维素，直到过滤液成中性，这样得到纯化纤维素纤维；

4）将纯化纤维素纤维倒入250ml烧杯中，加入100ml浓度为1%的HCl，用保鲜膜封住杯口，放入80℃恒温水浴锅中加热2h，并用磁石进行搅拌，然后用真空抽滤泵和布氏漏斗过滤，并用蒸馏水反复洗涤，直到过滤液成中性；

5）将成中性的过滤液配置成质量浓度为1%的水悬浊液，然后进行研磨处理：磨盘之间间隙为0，研磨次数为30次，研磨转速为1500rpm；即制得样品；操作过程中的棉花纤维始终保持水润胀状态，以防止纤丝间的聚集。

3.根据权利要求1所述的一种棉花纤维素纳米纤丝薄膜的制备方法，其特征是所述的机械分离工艺步骤二，采用研磨法：将前述中化学预处理后的样品配置成1%质量浓度的悬浊液后加入到250ml的烧杯中，在研磨机出料口放置一个250ml的空烧杯以盛放出料样品，空烧杯要浸入到装有冰水的容器中，以防止研磨样品温度过高发生降解，打开研磨机开关，转速设定为1500rpm，旋转研磨转盘距离旋钮，当刻度达到0时倒入样品，研磨30次，制得棉花纤维素纳米纤丝，机械分离方法中的棉花纤维始终保持水润胀状态，以防止纤丝间的聚集。

4.根据权利要求3所述的一种棉花纤维素纳米纤丝薄膜的制备方法，其特征是所述的制得棉花纤维素纳米纤丝，通过四种不同的方法制得棉花纤维素纳米纤丝，第一种，纤维素纤维经过研磨机预处理30min,得到纤维素微米纤维素，之后利用细胞粉碎机超声处理60min，得到棉花纤维素纳米纤丝；第二种，纤维素纤维经过研磨机预处理30min,之后将得到的微米纤维素在高压均质机中均质8 次，得到棉花纤维素纳米纤丝；第三种，纤维素纤维在研磨机中研磨60min 得到棉花纤维素纳米纤丝；第四种，纤维素纤维在细胞粉碎机中预处理60min，之后在高压均质机中均质8 次，得到棉花纤维素纳米纤丝。

5.根据权利要求1所述的一种棉花纤维素纳米纤丝薄膜的制备方法，其特征是所述的制备成膜工艺步骤三，包括

1）将机械分离后的棉花纤维素纳米纤丝，取200ml ；

2）利用真空抽滤泵和布氏漏斗进行抽滤，样品因失水而成棉花纤维素纳米纤丝薄膜，棉花纤维素纳米纤丝薄膜直径为90mm；

3）将棉花纤维素纳米纤丝薄膜用两块玻璃板平压夹持放入干燥箱中55℃烘干，烘干48小时。