CN105671662A - 一种纤维素纳米纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种<b>纤维素纳米纤维</b>的制备方法,包括如下步骤：（1）将纤维素原料打碎，用均相溶解试剂将其溶解，制取纤维素溶液；（2）将步骤（1）制得的纤维素溶液注入多孔模板内的纳米孔洞中；（3）用溶剂洗涤步骤（2）中注有纤维素溶液的多孔模板，将多孔模板内的纳米孔洞中的纤维素溶剂移除后，即可得到固定在纳米孔洞内的纤维素纳米纤维；（4）用溶剂将步骤（3）中的多孔模板溶解，即可得到阵列结构的纤维素纳米纤维。此类材料具有轻质、高比表面积、高强度和弹性、生物相容性和可降解性等特性，可用于化工、纺织、生物、医学等诸多领域。

Description

一种纤维素纳米纤维的制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于纳米纤维材料领域，具体地说，是涉及一种纤维素纳米纤维阵列及其制备方法。
背景技术
纤维素纳米纤维（Cellulose nanofibers, CNF）一般指纤维直径小于100 nm的超微细纤维素纤维。在植物的细胞壁内，它由许多纤维素链通过分子间和分子内氢键结晶而成。其强度约为2～3GPa，是钢铁的5倍，但是其质量只有钢铁的1/5。它具有轻质、高比表面积、高强度和弹性、生物相容性和可降解性等优良特性。制备纤维素纳米纤维的方法目前主要有化学法、机械法、和生物处理法等。直径3～15 nm的纤维素纳米纤维，可以通过化学和物理处理将木材、棉等原材料中的纤维素束进行拆解得到。例如，用TEMPO体系在水溶液中氧化纸浆中纤维素分子中的伯醇（C-6位）羟基，经均质处理后可制得直径3～4 nm的纤维素纳米纤维（Fukuzumi H, Saito T, Wata T, et al. Transparent and High Gas Barrier Films of Cellulose Nanofibers Prepared by TEMPO-Mediated Oxidation[J]. Biomacromolecules, 2009, 10(1): 162-165）。通过化学方法将木粉中的木素和半纤维素去掉后，用研磨法可以制备直径15 nm的纤维素纳米纤维（Abe K, Iwamoto S, Yano H. Obtaining Cellulose Nanofibers with a Uniform Width of 15 nm from Wood[J]. Biomacromolecules, 2007, 8(10): 3276-3278）。
由于纤维素分子间和分子内存在大量氢键，造成其不溶不熔，很难将其进行溶液或熔融加工。虽然目前通过纳米模板法已经制备了其他很多功能高分子材料（Wu H, Su Z, Takahara A. Isotactic polystyrene nanorods with gradient crystallite states[J]. Soft Matter, 2012, 8(11): 3180-3184），但是采用纳米模板法制备纤维素纳米纤维材料，至今仍未见之报道。
为此，本发明公开一种纤维素纳米纤维的制备方法，制备的纤维具有纳米阵列结构，使其应用于化工、纺织、建筑、电子、机械、生物、医学等众多诸多领域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的纤维素纳米纤维及其制备方法。
为实现本发明的目的，所采用的技术方案是：
本发明所述的一种纤维素纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：
（1）将纤维素原料打碎，用均相溶解试剂将其溶解，制取纤维素溶液；
（2）将步骤（1）制得的纤维素溶液注入多孔模板内的纳米孔洞中；
（3）用溶剂洗涤步骤（2）中注有纤维素溶液的多孔模板，将多孔模板内的纳米孔洞中的纤维素溶剂移除后，即可得到固定在纳米孔洞内的纤维素纳米纤维；
（4）用溶剂将步骤（3）中的多孔模板溶解，即可得到阵列结构的纤维素纳米纤维。
上述步骤（1）所述的均相溶解试剂选自氯化锂/二甲基乙酰胺（LiCl/DMAc）混合溶液、二甲基亚砜/三水合四丁基氟化铵（DMSO/TBAF·3H2O）混合溶液、4-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）或离子液体，所述步骤（1）中制得纤维素溶液中纤维素的质量百分比为1.0-10.0wt.%。
上述步骤（2）所述的多孔模板采用阳极氧化铝（AAO）模板、径迹蚀刻模板或介孔硅模板，多孔模板内纳米孔洞尺寸大小为800～10nm，优选为400-30nm。
上述步骤（2）所述的将纤维素溶液注入模板的方法采用自然润湿方法或者抽滤方法，所述自然润湿是指纤维素通过毛细管力缓慢进入纳米孔洞中；所述抽滤是指用抽气泵在多孔模板的下表面施加一个真空，使纤维素溶液在负压下快速进入纳米孔洞内。
上述步骤（3）所述的溶剂至少有一种选自水、甲醇、乙醇或丙酮，所述溶剂能将纤维素溶剂从纳米孔洞中溶解出来，将纤维素固定在纳米孔洞内。
上述步骤（4）所述的溶解多孔模板的溶剂为酸、碱或有机溶剂，当多孔模板为阳极氧化铝模板时，采用磷酸、硫酸、氢氧化钠或氢氧化钾溶解；当多孔模板为径迹蚀刻模板时，采用二氯甲烷、三氯甲烷或四氯甲烷溶解；当多孔模板为介孔硅模板时，采用氢氧化钠、氢氧化锂或氢氧化钾溶解。
上述步骤（1）所述的均相溶解试剂为氯化锂/二甲基乙酰胺（LiCl/DMAc）的混合溶液时，所述溶液中的氯化锂/二甲基乙酰胺的质量比为2:23；步骤（1）所述的均相溶解试剂为4-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）水溶液时，其浓度为50-75wt.%；步骤（1）所述的均相溶解试剂为二甲基亚砜/三水合四丁基氟化铵（DMSO/TBAF·3H2O）溶液时，所述溶液中的二甲基亚砜与三水合四丁基氟化铵的质量比为10：1；步骤（1）所述的均相溶解试剂为离子液体时，所述离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（BmimCl）、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐（AmimCl）、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐（EmimCl）、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐（EmimAc）、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐（EmimCl）、1-烯丙基-2,3-甲基咪唑溴盐（AdmimBr）、1-丁基-2,3-甲基咪唑氯盐（BdmimCl）、1-烯丙基-2,3-甲基咪唑氯盐（AdmimCl）或1-乙基-3-甲基咪唑二乙基磷酸盐（EmimEt2PO4）；所述步骤（1）中制得纤维素溶液中纤维素的质量百分比为1.0-10.0wt.%。
上述的纤维素原料至少有一种选自竹浆、木浆、棉浆、麻浆、蔗渣浆、稻草浆、桑皮浆或者苇浆，其中纤维素含量≥85 wt.%，纤维素的聚合度≥200。
本发明上述采用的模板为阳极氧化铝模板、径迹蚀刻模板或介孔硅模板。纳米模板的作用是提供一个纳米形状尺寸，使纤维素受限于此形状内，得到规整排列的纳米纤维材料。模板纳米孔洞尺寸大小为800-10nm，优选为400-30nm。
本发明上述采用的纤维素原料可以选自竹浆粕或木浆粕或棉浆粕等原料，由于本发明的目的是取其纤维素，因此只要其中的纤维素有或者更好地能达到85wt.%以上的市售的竹浆、木浆、棉浆、麻浆、蔗渣浆、稻草浆、桑皮浆或者苇浆等原料，均可作为本发明的制备“纤维素纳米纤维材料”的原料，本发明的纤维素原料优选竹（木或棉）浆粕。
本发明的一种纤维素纳米纤维，是由上述方法制备的。
本发明的上述方法的第一个创新点在于：首次采用纳米模板法制备出纤维素纳米纤维。其具有轻质、高比表面积、高强度和弹性、生物相容性和可降解性等优良特性。
第二个创新点是制备出的纤维素纳米纤维具有纳米阵列结构，具有类似壁虎脚趾的微细结构。
目前用纳米模板法制备纤维素纳米纤维，尚未有文献报道。
附图说明
图1为本发明的实施例1-4中纳米纤维素纤维的制备流程示意图。
图2为本发明的实施例1-4中所用阳极氧化铝模板的场发射电镜图，其中A为5μm图；B为200nm图。
图3为本发明实施例1中制得的纤维素纳米纤维的场发射电镜图，其中A为2μm图；B为200nm图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明方法作进一步的详细说明。需要特别说明的是，本发明的保护范围应当包括但不限于本实施例所公开的技术内容。
实施例１
（1）取1g打碎的商业用竹浆粕（竹浆粕选自四川天竹竹资源开发有限公司，其纤维素含量≥95wt.%），在1000mL水中浸泡一天后，过滤后的产物加入到500mL DMAc溶剂中浸泡，过滤，反复三次。再将其加入到15mL 浓度为8 wt.% LiCl/DMAc溶液中（LiCl固体与DMAc液体的质量比为2:23），加热到60°C剧烈搅拌使纤维素溶解，制得纤维素LiCl/DMAc溶液。
（2）将步骤（1）制得的纤维素LiCl/DMAc溶液滴加到纳米孔洞直径为300nm的阳极氧化铝模板的上表面，随后在下表面施加真空，纤维素溶液在负压条件下进入模板内的纳米孔洞中。
（3）将步骤（2）装有纤维素LiCl/DMAc溶液的模板用水反复浸泡洗涤，去除掉LiCl/DMAc，干燥，得到纳米孔洞内的纤维素纳米纤维；
（4）将步骤（3）所得的样品置于5wt.%的磷酸溶液中，将氧化铝模板溶解掉后，反复用去离子水洗涤，干燥，得到阵列结构的纤维素纳米纤维。
实施例2
（1）取1g打碎的商业用竹浆粕（竹浆粕选自四川天竹竹资源开发有限公司，其纤维素含量≥95wt.%），加入到15mL浓度为70wt.%的NMMO水溶液中，剧烈搅拌，并加热至110°C使纤维素溶解，得到纤维素NMMO溶液。
（2）将步骤（1）制得的NMMO纤维素溶液滴加到纳米孔洞直径为300nm的阳极氧化铝模板的上表面，随后在下表面施加真空，NMMO纤维素溶液在负压条件下进入模板内的纳米孔洞中。
（3）将步骤（2）装有NMMO纤维素溶液的模板用乙醇反复浸泡洗涤，去除掉NMMO，干燥，得到纳米孔洞内的纤维素纳米纤维；
（4）将步骤（3）所得的样品置于5wt.%的磷酸溶液中，将氧化铝模板溶解掉后，反复用去离子水洗涤，干燥，得到阵列结构的纤维素纳米纤维。
实施例3
（1）取1g打碎的商业用竹浆粕（竹浆粕选自四川天竹竹资源开发有限公司，其纤维素含量≥95wt.%），将其加入到60mL二甲基亚砜和6.6g三水合四丁基氟化铵的混合溶液中，室温搅拌20分钟使纤维素溶解，制得纤维素DMSO/TBAF·3H2O溶液。
（2）将步骤（1）制得的纤维素DMSO/TBAF·3H2O溶液滴加到纳米孔洞直径为300nm的阳极氧化铝模板的上表面，纤维素溶液通过毛细管力润湿模板，进入模板内的纳米孔洞中。
（3）将步骤（2）装有纤维素DMSO/TBAF·3H2O溶液的模板用水和乙醇反复浸泡洗涤，去除掉DMSO/TBAF·3H2O，干燥，得到纳米孔洞内的纤维素纳米纤维；
（4）将步骤（3）所得的样品置于5wt.%的氢氧化钠溶液中，将氧化铝模板溶解掉后，反复用去离子水洗涤，干燥，得到阵列结构的纤维素纳米纤维。
实施例4
（1）取1g打碎的商业用竹浆粕（竹浆粕选自四川天竹竹资源开发有限公司，其纤维素含量≥95wt.%），加入到15mL离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（BmimCl）中，剧烈搅拌，并加热至100°C使纤维素充分溶解，得到纤维素离子液体溶液。
（2）将步骤（1）制得的离子液体纤维素溶液滴加到纳米孔洞直径为300nm的阳极氧化铝模板的上表面，纤维素溶液通过毛细管力润湿模板，进入模板内的纳米孔洞中。
（3）将步骤（2）装有离子液体纤维素溶液的模板用水或乙醇反复浸泡洗涤，去除掉离子液体，干燥，得到纳米孔洞内的纤维素纳米纤维；
（4）将步骤（3）所得的样品置于5wt.%的氢氧化钠溶液中，将氧化铝模板溶解掉后，反复用去离子水洗涤，干燥，得到阵列结构的纤维素纳米纤维。
主要形貌测试
本发明所制备的纤维素纳米纤维，其重要特点是纳米纤维具有阵列结构，因此对该材料的形貌进行了测定。
阳极氧化铝多孔模板的形貌（图2）：其是实施例1-4中生产纤维素纳米纤维所用的模板。它在实验室通过两步阳极氧化法自制，为一般技术人员能实现的技术。其包含有直径300nm的上下贯通的孔洞。
纤维素纳米纤维的形貌（图3）：本发明实施例1中制得的纤维素纳米纤维，直立在基板上，直径为35nm，具有纳米阵列结构。

Claims (9)

1.一种纤维素纳米纤维的制备方法，包括如下步骤：
（1）将纤维素原料打碎，用均相溶解试剂将其溶解，制取纤维素溶液；
（2）将步骤（1）制得的纤维素溶液注入多孔模板内的纳米孔洞中；
（3）用溶剂洗涤步骤（2）中注有纤维素溶液的多孔模板，将多孔模板内的纳米孔洞中的纤维素溶剂移除后，即可得到固定在纳米孔洞内的纤维素纳米纤维；
（4）用溶剂将步骤（3）中的多孔模板溶解，即可得到阵列结构的纤维素纳米纤维。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的均相溶解试剂选自氯化锂/二甲基乙酰胺（LiCl/DMAc）混合溶液、二甲基亚砜/三水合四丁基氟化铵（DMSO/TBAF·3H2O）混合溶液、4-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）或离子液体，所述步骤（1）中制得纤维素溶液中纤维素的质量百分比为1.0-10.0wt.%。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的多孔模板采用阳极氧化铝（AAO）模板、径迹蚀刻模板或介孔硅模板，多孔模板内纳米孔洞尺寸大小为800～10nm，优选为400-30nm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的将纤维素溶液注入模板的方法采用自然润湿方法或者抽滤方法，所述自然润湿是指纤维素通过毛细管力缓慢进入纳米孔洞中；所述抽滤是指用抽气泵在多孔模板的下表面施加一个真空，使纤维素溶液在负压下快速进入纳米孔洞内。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的溶剂为水、甲醇、乙醇或丙酮，所述溶剂能将纤维素溶剂从纳米孔洞中溶解出来，将纤维素固定在纳米孔洞内。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的溶解多孔模板的溶剂为酸、碱或有机溶剂，当多孔模板为阳极氧化铝模板时，采用磷酸、硫酸、氢氧化钠或氢氧化钾溶解；当多孔模板为径迹蚀刻模板时，采用二氯甲烷、三氯甲烷或四氯甲烷溶解；当多孔模板为介孔硅模板时，采用氢氧化钠、氢氧化锂或氢氧化钾溶解。
7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的均相溶解试剂为氯化锂/二甲基乙酰胺（LiCl/DMAc）混合溶液时，所述溶液中的氯化锂/二甲基乙酰胺的质量比为2:23；步骤（1）所述的均相溶解试剂为4-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）水溶液时，其浓度为50-75wt.%；步骤（1）所述的均相溶解试剂为二甲基亚砜/三水合四丁基氟化铵（DMSO/TBAF·3H2O）溶液时，所述溶液中的二甲基亚砜与三水合四丁基氟化铵的质量比为10：1；步骤（1）所述的均相溶解试剂为离子液体时，所述离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（BmimCl）、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐（AmimCl）、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐（EmimCl）、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐（EmimAc）、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐（EmimCl）、1-烯丙基-2,3-甲基咪唑溴盐（AdmimBr）、1-丁基-2,3-甲基咪唑氯盐（BdmimCl）、1-烯丙基-2,3-甲基咪唑氯盐（AdmimCl）或1-乙基-3-甲基咪唑二乙基磷酸盐（EmimEt2PO4）；所述步骤（1）中制得纤维素溶液中纤维素的质量百分比为1.0-10.0wt.%。
8.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的制备方法，其特征在于：所述的纤维素原料至少有一种选自竹浆、木浆、棉浆、麻浆、蔗渣浆、稻草浆、桑皮浆或者苇浆，其中纤维素含量≥85 wt.%，纤维素的聚合度≥200。
9.一种权利要求1-8任一所述的制备方法制得的纤维素纳米纤维，为纤维状或者纳米纤维阵列结构。
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