CN103334327B

CN103334327B - 一种制备纳米纤维素的简易方法

Info

Publication number: CN103334327B
Application number: CN201310288080.0A
Authority: CN
Inventors: 李大纲; 邓巧云; 蒋斌越
Original assignee: Nanjing Forestry University
Current assignee: Shandong Lvsen Wood-Plastic Composite Co., Ltd.
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2033-07-10
Also published as: CN103334327A

Abstract

本发明是一种制备纳米纤维素的简易方法，包括如下步骤：称取干净的废旧滤纸，将其撕成小碎片浸入蒸馏水中浸泡；手动魔力料理棒间歇搅拌溶液；将搅拌后的滤纸溶液静置冷却，使用研磨机调速、研磨；将溶液冷却静置、玻璃棒搅拌均匀、纱布过滤，用高压均质机处理，将得到的纤维素溶液用抽滤机抽滤至微孔滤膜上，并用玻璃板压住、干燥、取出得到滤纸纳米纤维素薄膜。优点:1）方法操作简单，快速，生产成本低，对环境没有污染，用于光学透明膜的直径多数分布在50nm左右，直径10－200nm左右，长度可达10μm，可用于电子纸、光学透明纸、太阳能电池、高性能纳米纸等具有高附加值的产品或行业。

Description

一种制备纳米纤维素的简易方法

技术领域

本发明涉及一种制备纳米纤维素的简易方法和由该方法获得的纤维素纳米长纤丝，属于天然高分子领域、也属于林业工程、包装工程、新材料领域。

背景技术

天然纤维素是构成植物细胞的基本成分,存在于所有植物当中,是自然界中最为丰富的可再生资源。随着世界科学技术的迅速发展,以及各国对环境污染问题的日益关注和重视,可再生、可生物降解新材料的需求将日益提高,无疑天然纤维素资源将是最好的原料,它价格低廉、来源广泛,且绿色环保,可作为一种可持续发展的资源来研究和开发。纤维素是由D-吡喃葡萄糖环以β-1，4-糖苷键联结而成的线形高分子，是自然界分布最广且具有生物可降解性的天然高分子。植物、动物以及一些细菌均可产生纤维素。在纳米尺度范围内操控纤维素分子以期获得性能优异的纳米纤维素成为目前纤维素科学的一个研究热点。

纳米纤维素不但具有纤维素的基本结构与性能,还具有纳米颗粒的特性,如大的比表面积、强的吸附能力和高的反应活性。纳米纤维素长径比变化范围很大。在制备的过程中,纤维素的无定形区或一些结晶不完全微晶区被破坏,从而使得纳米纤维素比天然纤维素的结晶度高。纳米纤维素的硬度较大,强度也较高。

纳米纤维素的杨式模量和张应力比纤维素有指数级的增加,当纳米纤维素作为工程塑料的增强填充剂时,在纳米纤维素含量高达70%时,不仅具有普通工程塑料5倍的高强度,与硅晶相似的低热膨胀系数,而且同时保持高的透光率。利用这种特性可开发出柔性显示屏、精密光学器件配件和汽车或火车车窗等新产品。用纳米纤维素做高解析度动态显示器件的研究,有望作为电子书籍、电子报刊、动态墙纸、可写地图和识字工具的新材料。纳米纤维素可以用于人造皮肤、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、化妆纸膜、食品添加剂(成型剂、增稠剂、分散剂、抗溶化剂)、造纸添加剂(增强剂、品质改善剂、吸附剂)、高级音响设备振动膜(超级音响、麦克风和耳机的振动膜)、生物传感器等。纳米纤维在纤维素衍生物制造和化学改性过程中,相同条件下,完成反应速度快、耗时少,可用于快速制备特殊性能的纤维素衍生物。纳米纤维素可用于二、三次原油开采的灌浆材料、硅酸盐矿石浮选、无纺棉和高吸水纤维织品。日本和美国均有用纳米纤维素纤维作为膜滤器(无菌装置、超滤装置、反渗透滤膜等)、绝缘材料、高强度纸杯、可循环使用的婴儿尿布、仿真人造皮革、食品、涂料增稠剂、分散剂、强度增强剂、护肤霜、指甲油等化妆品基质或药物载体。由于它的纤维素纯度高,还可作为纤维素酶活力测定的底物。

由于石油资源日益枯竭以及石油制品生产的非降解塑料引起的环境污染日益严重，研究和开发以天然高分子为原料的新高分子材料已成为本世纪高分子领域的重要课题之一。纤维素是地球上最丰富的天然高分子、年产量约2000亿吨。纳米纤维素是一种棒状的、粒径大小一般在30~100 nm之间、可以在水中分散形成稳定悬浮液的纤维素晶体。它不但具有纤维素的基本结构与性能,还具有纳米颗粒的特性,如巨大的比表面积、较高的杨氏模量、超强的吸附能力和高的反应活性,因此导致其性质与普通纤维素的性质有很大差异。

从纳米纤维素的制备历史来看，许多研究员使用木材、棉等原料来制备纳米纤维素，主要是因为其纤维素含量比较高，木质素及半纤维素可通过化学处理去除。滤纸是一种常见于化学实验室的过滤工具，常见的形状是圆形，多由棉质纤维制成。回收废旧滤纸，对保护环境以及可持续发展有利。滤纸在生产过程中经过反复的处理，通过傅立叶红外光谱图可以看出，除了纤维素外其他成分相当少。而因为化学处理需要用强酸强碱,对反应设备要求高,回收和处理反应后的残留物比较困难，因此使用废旧滤纸作为原材料可以节省这一步骤，不仅大大提高其制备效率，同时也对环境的影响较小。使用高速搅拌机、研磨、高压均质等方法，不断采用新的思路新的试验组合，新的仪器组合制备纳米纤维素薄膜，寻找出最优的制备方法。

棉纤维是生长在棉属植物种子表面的纤维。附着在棉籽壳上的短纤维为棉短绒，它不能直接作为纺织原料，而是制造纤维素纤维的优质原料。棉纤维和棉短绒的化学成分无多大差异，只是纤维素的含量较高，灰分等杂质较少。而使用棉纤维作为原材料制备纳米纤维素，其纤维素纯度几乎为100%，极少含有其他杂质，节省了化学处理的过程。

发明内容

本发明提出了一种制备纳米纤维素的简易方法，其目的克服现有技术有不足，具有方法操作简单，快速，可以进行工业化批量生产，成本低，效率高，对环境没有污染。所制备的微、纳米尺度的纤维素长纤丝，可用于电子纸、光学透明纸、太阳能电池、高性能复合纸等具有高附加值的产品或行业。

本发明的技术解决方案：一种制备纳米纤维素的简易方法，包括如下步骤：

（1）准确称取2g干净的废旧滤纸、复印纸或棉纤维；

（2）将其撕成小碎片浸入500ml蒸馏水中浸泡24h；

（3）使用bw-2300型手动魔力料理棒间歇搅拌溶液10min；或放入Blender固体高速搅拌机内间歇搅拌10－20min，将速度调至20000－24000转；

（4）将搅拌后的滤纸溶液静置冷却30分钟，使用研磨机，速度调至1500转，研磨5次、10次、15次或20次，视具体情况而定；

（5）将溶液冷却静置30分钟后，玻璃棒搅拌均匀后，用2层纱布过滤。去除其中微量粗纤维与处理过程中可能进入的杂质；

（6）将过滤后的纤维素溶液用高压均质机处理，处理过程中要在烧杯附近放置一些冰块，防止纤维素溶液过热团聚；

（7）将得到的纤维素溶液用真空抽滤机抽滤至微孔滤膜上，并用玻璃板压住放入电热恒温鼓风干燥箱内干燥24h后，取出并小心揭下，即可得到滤纸纳米纤维素薄膜。

本发明与现有技术相比具有以下优点:1）方法操作简单，快速，可以进行工业化批量生产，成本低，效率高，因为没有经过任何化学处理，对环境没有污染，是一种绿色环保制备纤维素微、纳纤维的方法。2）本发明制备纤维素微、纳米纤维外形呈长纤丝状，长细比大，用于光学透明膜的直径多数分布在50nm左右，直径10－200nm左右，长度可达10μm，利用扫描电镜观察呈丝网状结构，具有比表面积大，机械强度大等特点。3）本发明可用于包装纸材料回收、复印纸回收和各种用过的滤纸回收领域，所制备的微、纳米尺度的纤维素长纤丝，可用于电子纸、光学透明纸、太阳能电池、高性能复合纸等具有高附加值的产品或行业。

具体实施方式

一种制备纳米纤维素的简易方法，包括如下步骤：

（1）准确称取2g干净的废旧滤纸、复印纸或棉纤维；

（2）将其撕成小碎片浸入500ml蒸馏水中浸泡24h；

（3）使用bw-2300型手动魔力料理棒间歇搅拌溶液10min；或放入Blender超高速搅拌机内间歇搅拌10－20min，将速度调至20000－24000转；

（7）将得到的纤维素溶液用抽滤机抽滤至微孔滤膜上，并用玻璃板压住放入电热恒温鼓风干燥箱内干燥24h后，取出并小心揭下，即可得到滤纸纳米纤维素薄膜。

所述的步骤（1）适合于各类使用过的滤纸、没有太多油墨的复印纸、棉花纤维或短绒棉纤维等回收物品再利用。

所述的步骤（3）手动魔力料理棒即为普通的家用食品搅拌机，其作用是将纤维原料充分打散和搅拌均匀，所述的Blender超高速搅拌机是采用最大速度为37000转/分钟的专用食品料理机，取20000－24000转/分钟为工作速度。

所述的步骤（4）研磨机是石臼研磨机，利用上下两块石臼磨盘之间的紧密结合和互相磨擦使得步骤（3）中所纤维分开的纤维束进一步分离，为了保证研磨质量，上下磨盘之间用水的作用使紧密接触，同时以不会使磨盘碎裂。

所述的步骤（7）抽滤成膜，根据具体产品要求进行不同处理，例如，若要制备光学透明膜材料，将步骤（6）中的样品放入离心机中进行处理，取上层清液，然后通过不求上真空抽滤为光学透明薄膜，若要制备凝胶材料，可将离心机下层的沉淀物，即微米和纳米尺度的纤维素纤维通过冷冻干燥或超临界干燥处理制成微纳米气凝胶原材料。

实施例1

废旧滤纸纳米纤维素的制备方法：（1）将废旧滤纸放置于100摄氏度真空干燥箱内干燥24h，使其达到绝干状态；（2）准确称取2g干净的废旧滤纸；（3）将其撕成小碎片浸入500ml蒸馏水中浸泡24h；（4）使用bw-2300型手动魔力料理棒间歇搅拌溶液10min；或放入Blender固体高速搅拌机内间歇搅拌10－20min，将速度调至20000－24000转；（5）将搅拌后的滤纸溶液静置冷却30分钟，使用研磨机，速度调至1500转，研磨5次、10次、15次或20次，视具体情况而定；（6）将溶液冷却静置30分钟后，玻璃棒搅拌均匀后，用2层纱布过滤。去除其中微量粗纤维与处理过程中可能进入的杂质；（7）将过滤后的纤维素溶液用高压均质机处理，处理过程中要在烧杯附近放置一些冰块，防止纤维素溶液过热团聚；（8）将得到的纤维素溶液用抽滤机抽滤至微孔滤膜上，并用玻璃板压住放入电热恒温鼓风干燥箱内干燥24h后，取出并小心揭下，即可得到滤纸纳米纤维素薄膜。

实施例2

复印纸纳米纤维素的制备方法：（1）准确称取2g干净的废旧复印纸；（2）将其撕成小碎片浸入500ml蒸馏水中浸泡24h；（3）使用bw-2300型手动魔力料理棒间歇搅拌溶液10min；（4）将溶液冷却静置30分钟后，使用研磨机调至1500转，9.5刻度，研磨20次；（5）将溶液冷却静置30分钟后，玻璃棒搅拌均匀后，用2层纱布过滤，去除其中微量粗纤维与处理过程中可能进入的杂质；（6）将过滤后的纤维素溶液用高压均质机处理，处理过程中要在烧杯附近放置一些冰块，防止纤维素溶液过热团聚；（7）将得到的纤维素溶液用抽滤瓶抽滤至微孔滤膜上，并用玻璃板压住放入电热恒温鼓风干燥箱内干燥24h后，取出并小心揭下，即可得到滤纸纳米纤维素薄膜。

实施例3

短棉绒纤维纳米纤维素的制备：（1）将棉纤维放置于100摄氏度真空干燥箱内干燥24h；（2）准确称取2g干燥后的短棉绒纤维；（3）将其撕成小碎片浸入500ml蒸馏水中浸泡24h；（3）使用bw-2300型手动魔力料理棒间歇搅拌溶液10min；（4）将溶液冷却静置30分钟后，使用研磨机调至1500转，9.5刻度，研磨20次；（5）将溶液冷却静置30分钟后，玻璃棒搅拌均匀后，用2层纱布过滤。去除其中微量粗纤维与处理过程中可能进入的杂质；（6）将过滤后的纤维素溶液用高压均质机处理，处理过程中要在烧杯附近放置一些冰块，防止纤维素溶液过热团聚；（7）将得到的纤维素溶液用抽滤瓶抽滤至微孔滤膜上，并用玻璃板压住放入电热恒温鼓风干燥箱内干燥24h后，取出并小心揭下，即可得到棉纤维纳米纤维素薄膜。

Claims

1.一种制备纳米纤维素的简易方法，其特征在于该方法包括如下步骤：（1）准确称取2g干净的废旧滤纸、复印纸或棉纤维；（2）将其撕成小碎片浸入500ml蒸馏水中浸泡24h；（3）使用bw-2300型手动魔力料理棒间歇搅拌溶液10min；或放入Blender超高速搅拌机内间歇搅拌10－20min，将速度调至20000－24000转；（4）将搅拌后的溶液静置冷却30分钟，使用研磨机，速度调至1500转，研磨5次、10次、15次或20次，视具体情况而定；（5）将溶液冷却静置30分钟后，玻璃棒搅拌均匀后，用2层纱布过滤，去除其中微量粗纤维与处理过程中可能进入的杂质；（6）将过滤后的纤维素溶液用高压均质机处理，处理过程中要在烧杯附近放置一些冰块，防止纤维素溶液过热团聚；（7）将得到的纤维素溶液用抽滤机抽滤至微孔滤膜上，并用玻璃板压住放入电热恒温鼓风干燥箱内干燥24h后，取出并小心揭下，即可得到纳米纤维素薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种制备纳米纤维素的简易方法，其特征在于：所述的步骤（1）适合于各类使用过的滤纸、没有太多油墨的复印纸、棉花纤维或短绒棉纤维再利用。

3.根据权利要求1所述的一种制备纳米纤维素的简易方法，其特征在于：所述的步骤（3）手动魔力料理棒即为普通的家用食品搅拌机，其作用是将纤维原料充分打散和搅拌均匀，所述的Blender超高速搅拌机是采用最大速度为37000转/分钟的专用食品料理机，取20000－24000转/分钟为工作速度。

4.根据权利要求1所述的一种制备纳米纤维素的简易方法，其特征在于：所述的步骤（4）研磨机是石臼研磨机，利用上下两块石臼磨盘之间的紧密结合和互相磨擦使得步骤（3）中所纤维分开的纤维束进一步分离，为了保证研磨质量，上下磨盘之间利用水的作用使紧密接触，同时也不会使磨盘碎裂。

5.根据权利要求1所述的一种制备纳米纤维素的简易方法，其特征在于：所述的步骤（7）抽滤成膜，根据具体产品要求进行不同处理，若要制备光学透明膜材料，将步骤（6）中的样品放入离心机中进行处理，取上层清液，然后通过真空抽滤为光学透明薄膜，若要制备凝胶材料，可将离心机下层的沉淀物，即微米和纳米尺度的纤维素纤维通过冷冻干燥或超临界干燥处理制成微纳米气凝胶原材料。