CN103342821B - 一种利用虾蟹壳制备甲壳素纳米纤维的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用虾蟹壳制备甲壳素纳米纤维光学透明薄膜的方法，其特征在于：该方法包括两种化学处理、机械处理。优点:1）作为垃圾处理，污染环境的橱余废物的虾蟹壳作为制备高性能光学透明材料的原材料加以高值化利用。2）制备的纳米薄膜具有力学性能好、透明度高、热膨胀系数低等特点，而且由于纳米纤维素的直径尺寸低于可见光的波长范围，其光学透明好，因此，纳米纤维薄膜与其他树脂复合材料可作为可卷绕的柔性电子器件来使用，如柔性显示器、电子纸、太阳能电池、柔性电路、玻璃基体的替代品等。具有广阔的应用前景。

Description

一种利用虾蟹壳制备甲壳素纳米纤维的方法

技术领域

本发明涉及一种利用虾蟹壳制备甲壳素纳米纤维的方法，属于天然高分子领域、也属地于化学、生物工程、新材料领域。

技术背景

随着我国淡水及海水蟹养殖产品的增加，每年都有大量的蟹壳副产品，其中仅有一小部分用于饲料添加剂等低值产品，绝大部分被当作垃圾处理，即污染环境，又造成了资源的浪费。若将其回收用于制取高附加值的甲壳素纳米纤维，不但能变废为宝，还可以获得可观的经济效益。作为世界上含量第二丰富的天然有机高分子化合物甲壳素也被进行了较长时间的研究，甲壳素可以从虾、螃蟹、甲壳类动物身体上获得，而每年都有很多虾蟹壳作为废弃品被遗弃，既浪费了资源又破坏了环境，使用虾蟹壳制备甲壳素纳米纤维将有利于创造环境友好型的新材料。但是关于甲壳素纳米纤维的研究刚刚处于起步阶段，在国内外相关发明专利并不多。甲壳素广泛存在于低等植物菌类、藻类的细胞，节肢动物虾、蟹、蝇蛆和昆虫的外壳，贝类、软体动物的外壳和软骨中。甲壳素纤维废弃物可自然降解。对环境不会造成污染。然而，很多的甲壳素被作为工业或者食品废弃物而丢掉，却没有得到有效的利用。因此，如何将甲壳素作为天然生物友好型的材料是一个重要的研究内容。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用虾蟹壳制备甲壳素纳米纤维的方法，制备高性能光学透明材料的原材料加以高值化利用。

虾壳和螃蟹壳具有明显的分层结构组织。这些纳米纤维被蛋白质层所包围着，接着下一层的级别是由直径在50-300nm的甲壳素/蛋白质纤维聚集在一起的，这些纳米纤维—蛋白质纤维形成平面的交织物和分支的网状结构。同时，这些线状物被各种的蛋白质和矿物质包围着，这些矿物质主要由碳酸钙结晶体组成，线状物的宽度在不同甲壳类动物中会不同。而且，这些编织状和网状的平面可以形成扭曲的夹层模型。这个结构式通过纤维状的甲壳素—蛋白质按照旋转层叠的顺序形成的。这些扭曲夹层的厚度相当于一个层叠的密度板平面，它们逐渐的沿着法线轴旋转。 

盐酸浸泡蟹壳，盐酸会与碳酸盐发生反应，产生剧烈的二氧化碳气泡，因此通过洗涤、分离即可去除；壳中的蛋白质数量也很大，且包覆于纤维束周围较难去除。蛋白质是一种两性化合物，既能溶于碱，也能溶于酸，一般而言在碱液中溶解的快一些，氢氧化钾与蛋白质反应，溶液呈橙黄色，说明蛋白质以及部分色素溶解至溶液中，通过冲洗即可完全去除；用95 %的乙醇溶液处理后，可观察到蟹壳中的色素已基本除净。

    甲壳素纳米纤维以虾蟹壳为原料，因此原料来源丰富，成本低廉，而且可再生，可生物降解，属于典型的生物环保材料。甲壳素纳米纤维具有纳米尺度，高长径比，力学性能特别优异。因此，甲壳素纳米纤维是作为复合材料改性体的理想选择。然而，很多的甲壳素被作为工业或者食品废弃物而丢掉，却没有得到有效的利用。因此，本发明提供了将甲壳素作为天然生物友好型的材料新方向。

本发明的技术解决方案：一种利用虾蟹壳制备甲壳素纳米纤维的方法，包括1）化学处理，2）机械处理。

本发明与现有技术相比具有以下优点:1）作为垃圾处理，污染环境的橱余废物的虾蟹壳作为制备高性能光学透明材料的原材料加以高值化利用； 2）制备的纳米薄膜具有力学性能好、透明度高、热膨胀系数低等特点，而且由于纳米纤维素的直径尺寸低于可见光的波长范围，其光学透明好；3）纳米纤维薄膜与其他树脂复合材料可作为可卷绕的柔性电子器件来使用，如柔性显示器、电子纸、太阳能电池、柔性电路、玻璃基体的替代品等，具有广阔的应用前景。

具体实施方式

一种利用虾蟹壳制备甲壳素纳米纤维的方法，包括1）化学处理，2）机械处理。

所述的化学处理方法是在酸性条件下，即pH＝3；或中性条件下，pH＝7的条件下进行化学处理；该方法包括（1）将虾蟹壳冲洗干净，然后使用粉碎机将大块的壳粉碎成较小的粉末状，称取30g虾蟹壳粉末放入600ml的烧杯中，配制浓度为5%的盐酸溶液600 ml，用以去除虾蟹刻中的碳酸钙矿物质；在常温常压下浸泡24小时，浸泡24小时后使用真空过滤器进行过滤并用蒸馏水水洗至中性；（2）配制6%浓度的氢氧化钠溶液600 ml，用以去除存在于虾蟹刻中的蛋白质物质，倒入被盐酸浸泡后的粉末中，在常温常压下浸泡12小时，每12小时换一次氢氧化钠溶液，要重复4次；（3）使用95%浓度的无水乙醇进行脱色处理，每12小时换一次乙醇溶液，重复4次；（4）使用10%醋酸滴定甲壳素溶液，使其pH值为3~4，静置24小时后，过滤水洗至中性；（5）化学处理完全后，将溶液放入6℃的冰箱中冷藏。

上述化学处理中的粉碎机，即为转速可调的家用食品粉碎机；配制浓度为5%的盐酸溶液是去除虾蟹刻中的碳酸钙等矿物质；配制6%浓度的氢氧化钠溶液，是去除存在于虾蟹刻中的蛋白质等物质。

所述的机械处理的方法包括（1）单独的研磨处理30 min；（2）研磨30 min处理后进行高压均质处理30min，均质过程中压力为1500 Pa，在均质过程中对均质的溶液进行冰水浴；（3）研磨处理30min后进行超声处理30 min，超声过程中选择超声功率为1000W，并且对超声溶液进行冰水浴，防止超声温度过高影响超声效果；（4）研磨处理30min后超声处理30 min，再进行离心处理20 min，离心器的离心速度设置为8000 r/min，并取离心上层清液。

上述机械处理中：1）单独的研磨处理30 min，是采用石臼研磨机对经过化学处理后的样品进行研磨处理；2）研磨30 min处理后进行高压均质处理30min，是将经过研磨处理后的粗大纤维，通过高压均质处理，使其更加均匀，样品粒径达到纳米级别；3）研磨处理30min后进行超声处理30 min，是经过研磨后在超声波的空泡作用下，使样品粒径达到纳米级别；4）研磨处理30min后超声处理30 min，再进行离心处理20 min，是为了将经研磨、超声后样品，经高速离心后得到的上层清液作为制备具有光学透明效果的纳米纤维原料。

机械力化学反应过程，是指将经过化学处理后的样品通过不同的机械力作用方式，如研磨、压缩、冲击、摩擦、剪切、延伸等，引入机械能量的积累，从而使受力物体的物理化学性质和结构发生变化，提高其自身性能。本发明采用的机械力处理方式包括研磨、超声、均质、离心四种方法的相互组合；通过摩擦、冲击、剪切、振动、空穴效应等对甲壳素纤维进行逐级分散。

研磨机进行研磨，是指研磨时要仔细调节石臼磨盘间的距离，磨盘中带有沟槽，通过调节间隙来调整磨盘间的距离，距离越近，研磨的细度越大。稀释的纤维溶液在转子和定子中的压力和剪切力作用下，被粉粹细化。由于甲壳素悬浊液的存在，磨石之间是没有直接接触的，甲壳素纤维经过研磨处理后宽度的范围从100~200 nm，去除虾蟹壳中的基体物质后再经过研磨处理，出现了甲壳素纤维网状结构，它们是由宽度在10~100 nm的纳米纤维束组成的。

高压均质法是指将细化的纤维悬浊液置于高压均质机中，通过均质阀突然失压而形成空穴效应和高速冲击，产生强烈的剪切作用，从而制得直径在纳米级别的纤维。

超声处理是利用超声波的破碎原理，借助高强度超声波产生的空化作用，对纤维进行破碎处理，微波能使原料分子相互碰撞，产生热量，物料升温，原料内部结构松散，分子间氢键发生变化，也可以得到直径在纳米尺度的纤维。

高速离心是指通过高速旋转使得大颗粒物质沉淀，取上层清液。连续的机械处理使得束状的纤维束逐步“解纤”呈直径更小的纤维，从而在很大程度上增加材料的比表面积，提高纤维的长径比，最终获得纳米级别的纤维。

实施例1

中性条件下对虾蟹壳进行化学处理示例（pH=7）

（1）取废弃虾蟹壳粉碎后的粉末适量，筛选出60目的样品10 g，烘干后，加入质量分数7%的盐酸溶液200 ml室温下浸泡24 h，以去除粉末中的碳酸钙成分；（2）用蒸馏水冲洗至pH为7,用真空抽滤法将水分抽干待用，配制质量分数为5%的氢氧化钾溶液200ml，将上述待用样品浸入搅拌后6h，用蒸馏水冲洗至悬浮液呈中性，再加入5% 氢氧化钾浸泡，该过程需重复四次，以完全清除样品中的残余蛋白质；（3）配制质量分数为95%的乙醇溶液200 ml，浸泡所得样品，实验条件为室温下处理12 h，目的是脱除色素；（4）最终将所得样品冲洗至中性后，烘干称重，去除碳酸钙、蛋白质、以及色素的样品质量为6 g，随后加入蒸馏水，湿存。

实施例2

酸性条件下对虾蟹壳进行化学处理示例（pH=3）

（1）将虾蟹壳冲洗干净，然后使用粉碎机将大块的壳粉碎成较小的粉末状；（2）称取30g虾蟹壳粉末放入600ml的烧杯中，配制浓度为5%的盐酸溶液600 ml，在常温常压下浸泡24小时，浸泡24小时后使用真空过滤器进行过滤并用蒸馏水水洗至中性；（3）配制6%浓度的氢氧化钠溶液600 ml，倒入被盐酸浸泡后的粉末中，在常温常压下浸泡12小时，每12小时换一次氢氧化钠溶液，要重复4次，目的是完全去除甲壳素中的蛋白质；（4）氢氧化钠浸泡之后同样进行过滤和水洗至中性，之后使用95%浓度的无水乙醇进行脱色处理；每12小时换一次乙醇溶液，重复4次，目的是完全去除色素；（5）使用10%醋酸滴定甲壳素溶液，使其pH值为3~4，静置24小时后，过滤水洗至中性。（6）化学处理完全后，将溶液放入6℃的冰箱中冷藏，待进下一步处理。

实施例3

仅用石臼研磨机研磨制备甲壳素纳米纤维的方法

将虾壳或螃蟹壳制备成甲壳素纳米纤维，具体包括：（1）分别将虾壳制备的甲壳素或螃蟹壳制备的甲壳素，称取6g配成1%浓度的溶液；（2）依次经过研磨处理，研磨过程中，将磨盘慢慢接触；（3）倒入甲壳素溶液，转速为1500 r/min。

实施例4

组合机械处理法制备甲壳素纳米纤维方法的示例1

（1）单独的研磨处理30 min；（2）研磨30 min处理后进行高压均质处理30min；均质过程中压力为1500 Pa，在均质过程中对均质的溶液进行冰水浴；（3）研磨处理30min后进行超声处理30 min；超声过程中选择超声功率为1000W，并且对超声溶液进行冰水浴，防止超声温度过高影响超声效果；（4）研磨处理30min后超声处理30 min，再进行离心处理20 min，离心器的离心速度设置为8000 r/min，并取离心上层清液。

实施例5

组合机械处理法制备甲壳素纳米纤维方法的示例2

（1）准确称取3g经化学提纯后的烘干样品，加入约300 ml蒸馏水，配制成质量分数为1 %的悬浮液；（2）将研磨机进行调零校正后，倒入样品，开机进行研磨处理，研磨机转速为1500 rpm/min，研磨次数20次，磨石的间隙调节是将研磨机上的刻度调为-9；（3）将研磨后的样品加蒸馏水，稀释为质量分数为0.1%的悬浮液，进行超声处理，每次250 ml，超声时间为每次30 min，功率为1100W；（4）取超声后的样品，进行高压均质处理，处理时间为30 min,压力平均达到1500 bar；（5）最后，将所得样品进行高速离心，转速为10000 rpm,时间为10 min；最终所得样品为纳米级甲壳素纤维悬浮液。

实施例6

利用淡水小龙虾壳制备甲壳素纳米纤维的方法

1、预处理：取一定量的克原氏螯虾（淡水小龙虾）的虾壳，用清水和洗涤剂刷洗虾壳表面，去除其中的肉质和油脂，再用清水冲洗干净，最后将其放入超低温冷冻储存箱的冷藏室储藏，以便下一步实验随时取用。

2、化学处理：

（1）酸处理：用电子天平称取上述干净虾壳8 g置于烧杯中，在常温环境下配制400 g质量浓度为7 wt%的盐酸溶液放入烧杯中，虾壳表面立刻产生大量的气泡，随着反应的持续进行，气泡数量和产生速度逐渐减小，虾壳一直浸泡在酸溶液中进行酸处理，直到不产生气泡为止。之后，用镊子取出酸溶液中的虾壳，用去离子水冲洗干净直至中性，除去虾壳上的酸溶液和溶解的杂质。然后配制200 g 质量浓度为7 wt%的盐酸溶液浸泡虾壳12h，以此确保虾壳中所含的矿物质被彻底去除。

（2）碱处理：酸处理后，从酸溶液中取出虾壳，用去离子水冲洗若干次，直到其冲洗液的pH值达到7为止，彻底清除虾壳上的酸溶液和溶解的杂质。然后配制质量浓度为4 wt%的氢氧化钠溶液400 g，加到洗涤干净的虾壳中，用保鲜薄膜将虾壳碱溶液密封放在25℃温度下浸泡12 h，进行碱处理。之后，再从碱溶液中取出虾壳，用去离子水反复清洗直至中性。碱处理如此反复进行四次。

3、酒精处理：碱处理后，量取200 ml无水乙醇，将虾壳放入无水乙醇中，用保鲜薄膜密封在常温环境下放置24 h。然后，取出虾壳放入重新量取的200ml无水乙醇中，再密封浸泡24 h，对虾壳进行酒精处理脱除色素。结束后，从乙醇中取出虾壳，用去离子水反复清洗，直至乙醇全部冲洗干净。酒精脱色处理并不能完全除去虾壳中的色素。

4、双氧水处理：酒精处理后，把虾壳放入盛装200ml浓度为30%双氧水的烧杯中，用保鲜薄膜密封烧杯将其放在25 ℃温度下浸泡12 h，进行双氧水处理氧化除去色素。然后，取出虾壳，用去离子水反复清洗，直至双氧水全部冲洗干净。至此，虾壳所含的杂质被彻底清除。

5、储备处理：将化学处理后的虾壳放入超低温冷冻储存箱，-20℃冷冻24 h，使虾壳所含的水分全部冷冻成冰。然后将其放入冷冻干燥机中48h以上，使其完全干燥。用电子天平称干燥的虾壳重1.522 g，然后用密封袋将其密封放在常温环境中，以便下一步实验环节取用。

3、机械处理

利用虾壳制备甲壳素纳米纤维的物理处理同样主要采用研磨处理、超声处理和高压均质处理三种不同的处理方法。 

将机械处理分为以下几种：

（1）单独研磨处理30 min；

（2）研磨30min处理后进行高压均质处理30min；均质过程中压力为1500 Pa，在均质过程中对均质的溶液进行冰水浴；

（3）研磨处理30min后进行超声处理30min；超声过程中选择超声频率为75%，并且对超声溶液进行冰水浴，防止超声温度过高影响超声效果；

（4）研磨处理30min后超声处理30min，再进行离心处理20min。离心器的离心速度设置为8000r/min，并取离心上层清液。

实施例7

利用煮熟的中华绒螯蟹壳制备甲壳素纳米纤维的方法

中华绒螯蟹背壳是由坚硬的外角质层和几丁质层组成，几丁质层又分为外层、内层和内膜。在几丁质层中，甲壳素与蛋白质形成矿化的纤维，交错形成无规的网络层状结构，旋转排列构成网状结构，而在曲面垂直方向的甲壳素内层中，则有许多孔道和孔道中的细管，用于运输养分并将甲壳素网络结构联接在一起。

采用浓度为5%的盐酸去除多余的矿物质，而残留的蛋白质则通过浓度为4%的氢氧化钠脱除，之后再用一定浓度的酒精浸泡以脱去可能留存的色素，即可得到纯净的甲壳素。

机械处理方法包括研磨、超声、均质及离心四种方法的不同组合，其作用是逐渐打开粗大的纤维束，以得到直径细小、均匀度更高的甲壳素纳米纤维。运用真空抽滤自组装的方法，将研磨、超声、均质及离心四种方法的不同组合处理后的甲壳素纳米纤维分别制备成薄膜。

通过化学－研磨、超声、均质及离心等四种方法的组合机械方法处理后，将中华绒螯蟹背壳制备出了具有高长径比、网状交缠的甲壳素纳米纤维，其纳米纤维的直径多分布在10~80nm。

Claims (1)

1.利用淡水小龙虾壳制备甲壳素纳米纤维的方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：

1）预处理：取克原氏螯虾即淡水小龙虾的虾壳，用清水和洗涤剂刷洗虾壳表面，去除其中的肉质和油脂，再用清水冲洗干净，最后将其放入超低温冷冻储存箱的冷藏室储藏，以便下一步实验随时取用；

2）化学处理：包括，

（1）酸处理：用电子天平称取上述干净虾壳8 g置于烧杯中，在常温环境下配制400 g质量浓度为7 wt%的盐酸溶液放入烧杯中，虾壳表面立刻产生大量的气泡，随着反应的持续进行，气泡数量和产生速度逐渐减小，虾壳一直浸泡在酸溶液中进行酸处理，直到不产生气泡为止；之后，用镊子取出酸溶液中的虾壳，用去离子水冲洗干净直至中性，除去虾壳上的酸溶液和溶解的杂质；然后配制200 g 质量浓度为7 wt%的盐酸溶液浸泡虾壳12h，以此确保虾壳中所含的矿物质被彻底去除；

（2）碱处理：酸处理后，从酸溶液中取出虾壳，用去离子水冲洗若干次，直到其冲洗液的pH值达到7为止，彻底清除虾壳上的酸溶液和溶解的杂质；然后配制质量浓度为4 wt%的氢氧化钠溶液400 g，加到洗涤干净的虾壳中，用保鲜薄膜将虾壳碱溶液密封放在25℃温度下浸泡12 h，进行碱处理；之后，再从碱溶液中取出虾壳，用去离子水反复清洗直至中性，碱处理如此反复进行四次；

（3）酒精处理：碱处理后，量取200 ml无水乙醇，将虾壳放入无水乙醇中，用保鲜薄膜密封在常温环境下放置24 h，然后，取出虾壳放入重新量取的200ml无水乙醇中，再密封浸泡24 h，对虾壳进行酒精处理脱除色素，结束后，从乙醇中取出虾壳，用去离子水反复清洗，直至乙醇全部冲洗干净，酒精脱色处理并不能完全除去虾壳中的色素；

（4）双氧水处理：酒精处理后，把虾壳放入盛装200ml浓度为30%双氧水的烧杯中，用保鲜薄膜密封烧杯将其放在25 ℃温度下浸泡12 h，进行双氧水处理氧化除去色素，然后，取出虾壳，用去离子水反复清洗，直至双氧水全部冲洗干净，至此，虾壳所含的杂质被彻底清除；

3）储备处理：将化学处理后的虾壳放入超低温冷冻储存箱，-20℃冷冻24 h，使虾壳所含的水分全部冷冻成冰，然后将其放入冷冻干燥机中48h以上，使其完全干燥，用电子天平称干燥的虾壳重1.522 g，然后用密封袋将其密封放在常温环境中，以便下一步实验环节取用；

4）机械处理

利用虾壳制备甲壳素纳米纤维的物理处理同样主要采用研磨处理、超声处理和高压均质处理三种不同的处理方法，

将机械处理分为以下几种：

（1）单独研磨处理30 min；

（2）研磨30min处理后进行高压均质处理30min；均质过程中压力为1500 Pa，在均质过程中对均质的溶液进行冰水浴；

（3）研磨处理30min后进行超声处理30min；超声过程中选择超声频率为75%，并且对超声溶液进行冰水浴，防止超声温度过高影响超声效果；

（4）研磨处理30min后超声处理30min，再进行离心处理20min；离心器的离心速度设置为8000r/min，并取离心上层清液。