CN104650246A

CN104650246A - 阳离子纳米纤维素的制备方法

Info

Publication number: CN104650246A
Application number: CN201310585231.9A
Authority: CN
Inventors: 马朴; 刘翔飞; 秦昀昌
Original assignee: Gold East Paper Jiangsu Co Ltd
Current assignee: Gold East Paper Jiangsu Co Ltd
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2015-05-27

Abstract

本发明涉及一种阳离子纳米纤维素的制备方法，其包括如下步骤：首先将纤维原料进行打浆处理，该纤维原料经打浆处理后的游离度控制在10-200ml；然后向打浆后的纤维原料中加入阳离子醚化剂，使纤维与阳离子醚化剂在碱性催化剂条件下混合并反应，制得阳离子纤维素；随后将制得的阳离子纤维素进行纳米化处理从而制得阳离子纳米纤维素。本发明解决了现有工艺制备的纳米纤维素存在的能耗高及阳离子纳米纤维素残留杂质多的问题。

Description

阳离子纳米纤维素的制备方法

技术领域

本发明涉及一种阳离子纳米纤维素的制备方法。

背景技术

目前，现有的阳离子纳米纤维素的制备方法通常为纤维原料先进行纳米化处理然后进行阳离子化处理。由于纳米纤维素尺寸非常小，其流水性及滤水性差，因此在阳离子化处理之后的洗涤过程中不易去除阳离子化过程中残余的碱、醚化剂等杂质；此外，纤维原料直接纳米化处理通常耗能较高。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种阳离子纳米纤维素的制备方法，其可有效克服现有工艺制备纳米纤维素存在的能耗高及残留杂质多的问题。

一种阳离子纳米纤维素的制备方法，其包括如下步骤：

首先将纤维原料进行打浆处理，该纤维原料经打浆处理后的游离度控制在10-200ml；然后向打浆后的纤维原料中加入阳离子醚化剂，使纤维与阳离子醚化剂在碱性催化剂条件下混合并反应，制得阳离子纤维素；随后将制得的阳离子纤维素进行纳米化处理从而制得阳离子纳米纤维素。

本发明阳离子纳米纤维的制备方法，先将天然植物纤维进行阳离子醚化反应，阳离子化后得到的阳离子纤维素尺寸较大，可以通过洗涤方式将残余杂质有效分离；此外，阳离子醚化反应有利于纤维的润胀，降低了后续纳米化过程的能耗。

具体实施方式

本发明阳离子纳米纤维素的制备方法，其包括如下步骤：

（1）对纤维原料进行打浆处理。

提供天然植物纤维，使用打浆机对其进行打浆处理至游离度为10-200ml，优选20-60ml，然后将其过滤后配制成浓度为1%-30%的浆料。该天然植物纤维具体可选自针叶材、阔叶材和禾本科植物纤维中的至少一种。

可以理解的，对纤维原料进行打浆处理，当其游离度较低时，如10-200ml，暴露出的羟基数量就较多，可为后续阳离子化反应提供更多的反应点，从而获得阳电荷密度更高的阳离子纤维素。

（2）对打浆处理后的纤维原料进行阳离子化。

控制上述浆料的温度为0-100℃，优选40-70℃，然后向浆料中加入催化剂、阳离子醚化剂，使浆料与催化剂、阳离子醚化剂的混合并反应，制得阳离子纤维素。

本实施中，该浆料置于一容器中，该容器使用塑料袋，温度的控制可将装有浆料的塑料袋放入水浴锅中。可以理解的，添加催化剂、阳离子醚化剂后，可将塑料袋密封并对塑料袋进行充分揉搓分散，以促进浆料与催化剂、阳离子醚化剂的均匀混合。

可以理解的，在反应过程中，优选每隔5-10min再对密封塑料袋进行揉搓，以促使醚化剂与纤维的充分反应。

该步骤的反应时间为5-600min，优选45-180min。

可以理解的，反应完成后需要对浆料进行洗涤，以除去浆料中的其它杂质（如反应后残留的碱、阳离子醚化剂），获得所述阳离子纤维素。

该催化剂为碱，优选NaOH和KOH。该催化剂的用量为植物纤维绝对干质量的1%-20%，优选为6%-12%。

该阳离子醚化剂可将阳离子基团引入到纤维的表面，增强在纸浆纤维或填料上的吸附能力，从而更有利于发挥其对纤维间的增强作用，提升纸张强度；阳离子化后得到的阳离子纤维尺寸较大，可以通过洗涤方式将残余碱及阳离子醚化剂有效分离；阳离子醚化反应有利于纤维的润胀，降低了后续机械处理（纳米化）的能耗。

该阳离子醚化剂选自环氧丙基三甲基氯化铵、氯丙基三甲基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵、3-氯-2-羟基三甲基氯化铵中的至少一种，优选为3-氯-2-羟基三甲基氯化铵。该阳离子醚化剂的用量为植物纤维绝干质量的1%-200%，优选为15%-35%。

（3）对阳离子纤维素进行纳米化处理。

将阳离子纤维素配制成0.1%-10%的浓度，再采用高压均质机、微流化器等设备进行纳米化处理，优选高压均质机在处理压力为30MPa～90MPa下均质处理12-32pass，得到阳离子纳米纤维素。

将本发明制备的阳离子纳米纤维素按浆料0.1%-20%的比例添加于浆料中混合均匀后进行纸张的抄造即可。应用该阳离子纳米纤维素抄造的纸张其抗张强度、耐破度及内聚力都有所提升。

现有的纳米纤维素的制备方法为纤维素先进行纳米化再进行阳离子化，由于纳米纤维素尺寸非常小，其滤水性能很差，因此阳离子化反应后残余的碱和阳离子醚化剂的分离会更加的困难。

而本发明阳离子纳米纤维素的制备方法，由于首先对天然植物纤维进行了阳离子醚化反应，阳离子化后得到的阳离子纤维仍为尺寸较大的纤维，反应液中的残余碱和阳离子醚化剂通过洗涤方法可轻松去除，随后进行纳米化处理后得到的纳米纤维为纯度较高的纳米材料，不含有其它杂质。因此，本发明的制备方法更方便快捷，制得的阳离子纳米纤维纯度较高。另外，本发明首先对纤维进行阳离子化可在纤维表面引入阳离子基团，从而促进纤维的润胀，可有效减少后续纳米化过程中的能量消耗。

下面通过实施例来对本发明进行具体说明。

实施例1

制备阳离子纳米纤维素：打浆后游离度为50ml的漂白硫酸盐针叶木浆（NBKP）进行阳离子化处理。醚化剂采用3-氯-2-羟基三甲基氯化铵，用量为植物纤维绝干质量的1%，催化剂采用NaOH，用量为植物纤维绝干质量的8%，反应温度为50℃，反应2h后洗涤得到阳离子密度为0.06mmol/g的阳离子纤维素。将阳离子纤维素配制成0.8%的浓度，在90MPa下利用高压均质机均质处理32pass，得到阳离子纳米纤维素。

制备纸张：将实施例1制备的阳离子纳米纤维素加入到游离度为325ml的碱性过氧化氢化学机械浆（APMP）中，纳米纤维素用量为APMP质量的2.0%，疏解后调整质量百分浓度为1%，上网抄片。

实施例2

制备阳离子纳米纤维素：打浆后游离度为50ml的NBKP进行阳离子化处理。醚化剂采用3-氯-2-羟基三甲基氯化铵，用量为植物纤维绝干质量的15%，催化剂采用NaOH，用量为植物纤维绝干质量的10%，反应温度为50℃，反应2h后洗涤得到阳离子密度为0.18mmol/g的阳离子纤维素。将阳离子纤维配制成0.8%的浓度，在90MPa下利用高压均质机均质处理28pass，得到阳离子纳米纤维素。

制备纸张：参照实施例1的方法和步骤制备纸张，不同的是添加实施例2所制备的阳离子纳米纤维素，其他参数相同。

实施例3

制备阳离子纳米纤维素：打浆后游离度为50ml的NBKP进行阳离子化处理。醚化剂采用3-氯-2-羟基三甲基氯化铵，用量为植物纤维绝干质量的25%，催化剂采用NaOH，用量为植物纤维绝干质量的8%，反应温度为60℃，反应1.5h后洗涤得到阳离子密度为0.32mmol/g的阳离子纤维素。将阳离子纤维配制成0.8%的浓度，在90MPa下利用高压均质机均质处理22pass，得到阳离子纳米纤维素。

制备纸张：参照实施例1的方法和步骤制备纸张，不同的是添加实施例3所制备的阳离子纳米纤维素，其他参数相同。

实施例4

制备阳离子纳米纤维素：打浆后游离度为30ml的NBKP进行阳离子化处理。醚化剂采用3-氯-2-羟基三甲基氯化铵，用量为植物纤维绝干质量的50%，催化剂采用NaOH，用量为植物纤维绝干质量的8%，反应温度为60℃，反应1.5h后洗涤得到阳离子密度为0.38mmol/g的阳离子纤维素。将阳离子纤维配制成0.8%的浓度，在90MPa下利用高压均质机均质处理20pass，得到阳离子纳米纤维素。

实施例5

制备阳离子纳米纤维素：打浆后游离度为40ml的漂白硫酸盐阔叶浆（LBKP）进行阳离子化处理。醚化剂采用3-氯-2-羟基三甲基氯化铵，用量为植物纤维绝干质量的200%，催化剂采用NaOH，用量为植物纤维绝干质量的10%，反应温度为50℃，反应2.0h后洗涤得到阳离子密度为0.68mmol/g的阳离子纤维素。将阳离子纤维配制成0.8%的浓度，在90MPa下利用高压均质机均质处理12pass，得到阳离子纳米纤维素。

制备纸张：参照实施例1的方法和步骤制备纸张，不同的是添加实施例5所制备的阳离子纳米纤维素，其他参数相同。

对比例1（普通浆料抄片）。

纸张制备：游离度为325ml的APMP疏解后调整质量百分浓度为1%，上网抄片。

对比例2（添加纳米纤维素抄片）。

制备纳米纤维素：打浆后游离度为50ml的LBKP配制成0.8%的浓度，在90MPa下利用高压均质机均质处理35pass，得到纳米纤维素。

制备纸张：制备纸张：参照实施例1的方法和步骤制备纸张，不同的是添加对比例2所制备的纳米纤维素，其他参数相同。

对比例3（添加阴离子纳米纤维素抄片）。

制备阴离子纳米纤维素：打浆后游离度为50ml的LBKP利用TEMPO氧化体系预处理，得到羧基含量为1.2mmol/g的氧化浆。将氧化浆配制成0.8%的浓度，在90MPa下利用高压均质机均质处理8pass，得到阴离子纳米纤维素。

制备纸张:制备纸张：参照实施例1的方法和步骤制备纸张，不同的是添加对比例3所制备的阴离子纳米纤维素，其他参数相同。

实施例1-5和对比例1-3的纸张的抗张强度、耐破度、内聚力测试结果如表一所示。

表一

由表一可知，相较于对比例3添加阴离子纳米纤维素的纸张，实施例1添加阳离子纳米纤维素的纸张的耐破度、抗张强度和内聚力基本持平；相较于相较于对比例1-3，以实施例2-5所制得的纸张的抗张强度、耐破度和内聚力有所提高。

采用本方法制备的阳离子纳米纤维素由于首先对天然植物纤维进行了阳离子，阳离子化后得到的阳离子纤维为尺寸较大的纤维，反应液中的残余碱和阳离子醚化剂仅通过洗涤方法即可得到，随后进行均质化处理后得到的纳米纤维素为纯净的纳米材料，不含有其它杂质。所以采用本方法制备的阳离子纳米纤维素除可以在湿部应用外，亦可以在表面施胶和涂布工艺中使用，可以改善纸张的表面性能，应用范围广阔。

Claims

1.一种阳离子纳米纤维素的制备方法，其包括如下步骤：首先将纤维原料进行打浆处理，该纤维原料经打浆处理后的游离度控制在10-200ml；然后向打浆后的纤维原料中加入阳离子醚化剂，使纤维与阳离子醚化剂在碱性催化剂条件下混合并反应，制得阳离子纤维素；随后将制得的阳离子纤维素进行纳米化处理从而制得阳离子纳米纤维素。

2.根据权利要求1所述的阳离子纳米纤维素的制备方法，其特征在于：该纤维原料选自针叶材、阔叶材和禾本科植物纤维中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的阳离子纳米纤维素的制备方法，其特征在于：该纤维原料经打浆处理后的游离度为20-60ml。

4.根据权利要求1所述的阳离子纳米纤维素的制备方法，其特征在于：该碱性催化剂用量为植物纤维绝干质量的1%-20%。

5.根据权利要求4所述的阳离子纳米纤维素的制备方法，其特征在于：该碱性催化剂用量为植物纤维绝干质量的6%-12%。

6.根据权利要求1所述的阳离子纳米纤维素的制备方法，其特征在于：该阳离子醚化剂选自环氧丙基三甲基氯化铵、氯丙基三甲基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵、3-氯-2-羟基三甲基氯化铵中的至少一种。

7.根据权利要求6所述的阳离子纳米纤维素的制备方法，其特征在于：该阳离子醚化剂用量为植物纤维绝干质量的1%-200%。

8.根据权利要求7所述的阳离子纳米纤维素的制备方法，其特征在于：该阳离子醚化剂用量为植物纤维绝干质量的15%-35%。

9.根据权利要求1所述的阳离子纳米纤维素的制备方法，其特征在于：该醚化反应温度为0-100℃，醚化反应时间为5-600min。

10.根据权利要求9所述的阳离子纳米纤维素的制备方法，其特征在于：该醚化反应温度为40-70℃，醚化反应时间为45-180min。

11.根据权利要求1所述的阳离子纳米纤维素的制备方法，其特征在于：该纳米化步骤是采用高压均质机或微流化器进行机械处理。

12.根据权利要求11所述的阳离子纳米纤维素的制备方法，其特征在于：使用高压均质机进行纳米化处理的工艺参数为：处理压力为30MPa～90MPa，处理段數為12-32pass。