CN106084070A - 一种高性能纳米纤维素及其绿色制备方法与应用 - Google Patents

一种高性能纳米纤维素及其绿色制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高性能纳米纤维素及其绿色制备方法与应用，属于纳米纤维素技术领域。该方法包括如下步骤：将微晶纤维素与有机弱酸溶液混合均匀，水解，得到悬浮液；将悬浮液进行高压均质处理，得到稳定、透明的纳米纤维素悬浮液；将纳米纤维素悬浮液进一步进行超声、离心、干燥处理，得到固态的高性能纳米纤维素。本发明制备纳米纤维素的设备和操作简单，适宜于规模化的大生产。本发明提出了一种环境友好型“有机弱酸+高压均质法制备NCC工艺”：用有机弱酸取代浓硫酸，残余的有机酸可以进行回收利用，再对产物进行高压均质处理，整个过程绿色环保节能，制得粒径均一、性能优良、得率高、产量大的纳米纤维素，将其应用于电子器件领域。

Description

一种高性能纳米纤维素及其绿色制备方法与应用
技术领域
本发明属于纳米纤维素技术领域，具体涉及一种高性能纳米纤维素及其绿色制备方法与应用。
背景技术
近年来，纳米纤维素(NCC)作为一种新型的可再生纳米材料已引起了许多研究者的关注。NCC具有许多优良性能，如高纯度、较大比表面积、高结晶度、高亲水性、高杨氏模量、高强度、超精细结构和高透明性等，加之其具有生物材料的轻质﹑可降解﹑生物相容性及可再生等特性，使其在高性能复合材料中显示出巨大的应用前景。
目前NCC的制备方法中存在许多局限，有的成本高、价格昂贵，有的耗时长、制备复杂，都将制约着NCC进一步的发展。如何通过优化制备方法，制备生产出成本低、高效快速、绿色的NCC是亟待解决的问题。其中酸水解是最为简单的方法，目前比较常用的是硫酸，但传统酸水解法制备过程中存在设备腐蚀严重、产品稳定性差等技术难题。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种高性能纳米纤维素的绿色制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种由上述制备方法制备得到的高性能纳米纤维素。
本发明的再一目的在于提供一种上述高性能纳米纤维素的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种高性能纳米纤维素的绿色制备方法，包括以下操作步骤：
(1)弱酸水解：将微晶纤维素(MCC)与有机弱酸溶液混合均匀，水解，得到悬浮液；
(2)高压均质：将步骤(1)得到的悬浮液进行高压均质处理，得到稳定、透明的纳米纤维素悬浮液；
(3)后处理：将步骤(2)得到的纳米纤维素悬浮液进一步进行超声、离心、干燥处理，得到固态的高性能纳米纤维素。
步骤(1)中所述的有机弱酸溶液优选为醋酸溶液、甲酸溶液、草酸溶液或丙酸溶液；
步骤(1)中所述的有机弱酸溶液的质量分数为25～40％；
步骤(1)中所述的微晶纤维素(MCC)与有机弱酸溶液以固液比(w/v)1/10～1/20混合均匀；
步骤(1)中所述的水解的条件为温度控制在30～50℃，水解时间2～4小时；温度控制优选在30～45℃。
步骤(2)所述的高压均质处理的条件为：浓度0.2～0.8％(w/w)，操作压力150～180MPa，循环次数3～8次，均质过程温度控制在25～35℃。
步骤(2)所述的高压均质处理的条件优选为：浓度0.2～0.7％(w/w)，操作压力150～180MPa，循环次数3～6次，均质过程温度控制在25～35℃。
步骤(3)所述的超声处理的条件为处理时间10～30min，功率100～300W，温度控制在25～30℃。
步骤(3)所述的超声处理的条件优选为处理时间10～30min，功率100～200W，温度控制在25℃。
步骤(3)所述的离心处理的条件为速度为4000～10000rpm，离心时间10～30min。
步骤(3)所述的干燥处理为冷冻干燥处理；所述的冷冻干燥处理的条件为：温度为-50～-20℃；时间为24～48小时。
所述的冷冻干燥处理的条件为：温度为-50～-30℃；时间为24～48小时。
一种高性能纳米纤维素，通过上述制备方法制备得到。
所述的高性能纳米纤维素的性能指标：得率：20.96～34.17％；直径：13～405nm；长度：79～1352nm。优选为：得率：24.17～34.17％；直径：13～405nm；长度：79～983nm。
所述的高性能纳米纤维素在电子器件领域中的应用。
本发明的原理是：本发明提出了一种环境友好型“有机弱酸+高压均质法制备NCC工艺”：用有机弱酸(醋酸)取代浓硫酸，残余的有机酸可以进行回收利用，再对产物进行高压均质处理，整个过程绿色环保节能，制得高性能的纳米纤维素，将其应用于电子器件领域。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)本发明采用有机弱酸水解，解决传统酸(H2SO4，HCl)水解法制备纳米纤维素过程中产生大量的废酸，对设备腐蚀严重，增加废水处理成本等难题。
(2)本发明采用的“有机醋酸水解+高压均质”结合法制备纳米纤维素是一种绿色制备方法，醋酸廉价，更大的优势是可以进行回收利用，回收利用的有机酸可以继续作为酸水解的原料。因此符合绿色环保的理念。
(3)本发明采用的“有机醋酸水解+高压均质”结合法能解决单一的高压均质过程易出现均质机堵塞而无法实现制备过程连续化的问题，能显著降低成本。
(4)本发明制备纳米纤维素的设备和操作简单，适宜于规模化的大生产。
(5)本发明制得的纳米纤维素粒径均一(即得到的纳米纤维素颗粒的直径分布比较均匀)、性能优良(即得到的纳米纤维素尺寸比较小，有利于在材料复合中均匀分散，从而能得到高性能的复合材料)、得率高、产量大的优势，可以作为符合材料的增强相应用于电子器件领域。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例中使用的微晶纤维素(MCC)购于购于山东瑞泰化工有限公司，其它试剂药品均可从市场购买或按照现有技术方法制得。
实施例1
本实施例的一种高性能纳米纤维素的绿色制备方法，具体制备步骤如下：
(1)弱酸水解：将微晶纤维素(MCC)与质量分数为25％的醋酸溶液以固液比(w/v)1/10混合均匀，水解过程温度控制在30℃，水解时间2小时，得到悬浮液；
(2)高压均质：将步骤(1)中的悬浮液稀释至0.2％(w/w)浓度，然后进行高压均质处理，均质过程中的操作压力150MPa，循环3次，温度控制在25℃，得到稳定、透明的纳米纤维素悬浮液；
(3)后处理：将步骤(2)得到的纳米纤维素悬浮液先在超声波功率为100W下超声处理10min，温度控制为25℃；接着在4000rpm转速下离心10min；最后在温度为-50℃下冷冻干燥处理24小时，得到固态的高性能纳米纤维素。
本实施例的高性能纳米纤维素的性能指标：得率：20.96％；直径：61～274nm；长度：219～1352nm。
实施例2
本实施例的一种高性能纳米纤维素的绿色制备方法，具体制备步骤如下：
(1)弱酸水解：将微晶纤维素(MCC)与质量分数为30％的醋酸溶液以固液比(w/v)1/15混合均匀，水解过程温度控制在30℃，水解时间2小时，得到悬浮液；
(2)高压均质：将步骤(1)中的悬浮液稀释至0.3％(w/w)浓度，然后进行高压均质处理，均质过程中的操作压力155MPa，循环3次，温度控制在25℃，得到稳定、透明的纳米纤维素悬浮液；
(3)后处理：将步骤(2)得到的纳米纤维素悬浮液先在超声波功率为100W下超声处理10min，温度控制为25℃；接着在5000rpm转速下离心10min；最后在温度为-45℃下冷冻干燥处理24小时，得到固态的高性能纳米纤维素。
本实施例的高性能纳米纤维素的性能指标：得率：22.73％；直径：53～236nm；长度：198～1165nm。
实施例3
本实施例的一种高性能纳米纤维素的绿色制备方法，具体制备步骤如下：
(1)弱酸水解：将微晶纤维素(MCC)与质量分数为30％的醋酸溶液以固液比(w/v)1/15混合均匀，水解过程温度控制在35℃，水解时间2小时，得到悬浮液；
(2)高压均质：将步骤(1)中的悬浮液稀释至0.4％(w/w)浓度，然后进行高压均质处理，均质过程中的操作压力160MPa，循环4次，温度控制在25℃，得到稳定、透明的纳米纤维素悬浮液；
(3)后处理：将步骤(2)得到的纳米纤维素悬浮液先在超声波功率为100W下超声处理20min，温度控制为25℃；接着在6000rpm转速下离心10min；最后在温度为-40℃下冷冻干燥处理24小时，得到固态的高性能纳米纤维素。
本实施例的高性能纳米纤维素的性能指标：得率：24.17％；直径：41～205nm；长度：162～983nm。
实施例4
本实施例的一种高性能纳米纤维素的绿色制备方法，具体制备步骤如下：
(1)弱酸水解：将微晶纤维素(MCC)与质量分数为35％的醋酸溶液以固液比(w/v)1/15混合均匀，水解过程温度控制在40℃，水解时间2小时，得到悬浮液；
(2)高压均质：将步骤(1)中的悬浮液稀释至0.5％(w/w)浓度，然后进行高压均质处理，均质过程中的操作压力165MPa，循环4次，温度控制在30℃，得到稳定、透明的纳米纤维素悬浮液；
(3)后处理：将步骤(2)得到的纳米纤维素悬浮液先在超声波功率为200W下超声处理10min，温度控制为25℃；接着在7000rpm转速下离心20min；最后在温度为-35℃下冷冻干燥处理24小时，得到固态的高性能纳米纤维素。
本实施例的高性能纳米纤维素的性能指标：得率：26.87％；直径：34～186nm；长度：132～786nm。
实施例5
本实施例的一种高性能纳米纤维素的绿色制备方法，具体制备步骤如下：
(1)弱酸水解：将微晶纤维素(MCC)与质量分数为40％的醋酸溶液以固液比(w/v)1/20混合均匀，水解过程温度控制在45℃，水解时间2小时，得到悬浮液；
(2)高压均质：将步骤(1)中的悬浮液稀释至0.6％(w/w)浓度，然后进行高压均质处理，均质过程中的操作压力170MPa，循环5次，温度控制在30℃，得到稳定﹑透明的纳米纤维素悬浮液；
(3)后处理：将步骤(2)得到的纳米纤维素悬浮液先在超声波功率为200W下超声处理20min，温度控制为25℃；接着在8000rpm转速下离心20min；最后在温度为-30℃下冷冻干燥处理24小时，得到固态的高性能纳米纤维素。
本实施例的高性能纳米纤维素的性能指标：得率：28.17％；直径：28～163nm；长度：118～716nm。
实施例6
本实施例的一种高性能纳米纤维素的绿色制备方法，具体制备步骤如下：
(1)弱酸水解：将微晶纤维素(MCC)与质量分数为35％的醋酸溶液以固液比(w/v)1/20混合均匀，水解过程温度控制在40℃，水解时间2小时，得到悬浮液；
(2)高压均质：将步骤(1)中的悬浮液稀释至0.7％(w/w)浓度，然后进行高压均质处理，均质过程中的操作压力175MPa，循环6次，温度控制在35℃，得到稳定、透明的纳米纤维素悬浮液；
(3)后处理：将步骤(2)得到的纳米纤维素悬浮液先在超声波功率为200W下超声处理20min，温度控制为25℃；接着在9000rpm转速下离心20min；最后在温度为-35℃下冷冻干燥处理24小时，得到固态的高性能纳米纤维素。
本实施例的高性能纳米纤维素的性能指标：得率：29.07％；直径：23～147nm；长度：103～624nm。
实施例7
本实施例的一种高性能纳米纤维素的绿色制备方法，具体制备步骤如下：
(1)弱酸水解：将微晶纤维素(MCC)与质量分数为35％的醋酸溶液以固液比(w/v)1/20混合均匀，水解过程温度控制在35℃，水解时间4小时，得到悬浮液；
(2)高压均质：将步骤(1)中的悬浮液稀释至0.6％(w/w)浓度，然后进行高压均质处理，均质过程中的操作压力175MPa，循环6次，温度控制在30℃，得到稳定、透明的纳米纤维素悬浮液；
(3)后处理：将步骤(2)得到的纳米纤维素悬浮液先在超声波功率为200W下超声处理30min，温度控制为25℃；接着在9000rpm转速下离心20min；最后在温度为-40℃下冷冻干燥处理36小时，得到固态的高性能纳米纤维素。
本实施例的高性能纳米纤维素的性能指标：得率：31.27％；直径：19～95nm；长度：96～614nm。
实施例8
本实施例的一种高性能纳米纤维素的绿色制备方法，具体制备步骤如下：
(1)弱酸水解：将微晶纤维素(MCC)与质量分数为35％的醋酸溶液以固液比(w/v)1/20混合均匀，水解过程温度控制在40℃，水解时间4小时，得到悬浮液；
(2)高压均质：将步骤(1)中的悬浮液稀释至0.6％(w/w)浓度，然后进行高压均质处理，均质过程中的操作压力180MPa，循环5次，温度控制在30℃，得到稳定、透明的纳米纤维素悬浮液；
(3)后处理：将步骤(2)得到的纳米纤维素悬浮液先在超声波功率为200W下超声处理30min，温度控制为25℃；接着在10000rpm转速下离心20min；最后在温度为-40℃下冷冻干燥处理36小时，得到固态的高性能纳米纤维素。
本实施例的高性能纳米纤维素的性能指标：得率：32.81％；直径：17～91nm；长度：89～604nm。
实施例9
本实施例的一种高性能纳米纤维素的绿色制备方法，具体制备步骤如下：
(1)弱酸水解：将微晶纤维素(MCC)与质量分数为35％的醋酸溶液以固液比(w/v)1/20混合均匀，水解过程温度控制在40℃，水解时间3小时，得到悬浮液；
(2)高压均质：将步骤(1)中的悬浮液稀释至0.6％(w/w)浓度，然后进行高压均质处理，均质过程中的操作压力170MPa，循环4次，温度控制在35℃，得到稳定、透明的纳米纤维素悬浮液；
(3)后处理：将步骤(2)得到的纳米纤维素悬浮液先在超声波功率为200W下超声处理20min，温度控制为25℃；接着在10000rpm转速下离心20min；最后在温度为-45℃下冷冻干燥处理48小时，得到固态的高性能纳米纤维素。
本实施例的高性能纳米纤维素的性能指标：得率：33.57％；直径：15～84nm；长度：83～592nm。
实施例10
本实施例的一种高性能纳米纤维素的绿色制备方法，具体制备步骤如下：
(1)弱酸水解：将微晶纤维素(MCC)与质量分数为35％的醋酸溶液以固液比(w/v)1/20混合均匀，水解过程温度控制在45℃，水解时间3小时，得到悬浮液；
(2)高压均质：将步骤(1)中的悬浮液稀释至0.5％(w/w)浓度，然后进行高压均质处理，均质过程中的操作压力175MPa，循环5次，温度控制在30℃，得到稳定、透明的纳米纤维素悬浮液；
(3)后处理：将步骤(2)得到的纳米纤维素悬浮液先在超声波功率为200W下超声处理20min，温度控制为25℃；接着在10000rpm转速下离心30min；最后在温度为-45℃下冷冻干燥处理48小时，得到固态的高性能纳米纤维素。
本实施例的高性能纳米纤维素的性能指标：得率：34.17％；直径：13～74nm；长度：79～545nm。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高性能纳米纤维素的绿色制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：
(1)弱酸水解：将微晶纤维素与有机弱酸溶液混合均匀，水解，得到悬浮液；
(2)高压均质：将步骤(1)得到的悬浮液进行高压均质处理，得到纳米纤维素悬浮液；
(3)后处理：将步骤(2)得到的纳米纤维素悬浮液进一步进行超声、离心、干燥处理，得到高性能纳米纤维素。
2.根据权利要求1所述的高性能纳米纤维素的绿色制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的有机弱酸溶液为醋酸溶液、甲酸溶液、草酸溶液或丙酸溶液；
步骤(1)中所述的有机弱酸溶液的质量分数为25～40％。
3.根据权利要求1所述的高性能纳米纤维素的绿色制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的微晶纤维素与有机弱酸溶液以固液比1/10～1/20混合均匀。
4.根据权利要求1所述的高性能纳米纤维素的绿色制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的水解的条件为温度控制在30～50℃，水解时间2～4小时。
5.根据权利要求1所述的高性能纳米纤维素的绿色制备方法，其特征在于：
步骤(2)所述的高压均质处理的条件为：浓度0.2～0.8％，操作压力150～180MPa，循环次数3～8次，均质过程温度控制在25～35℃。
6.根据权利要求1所述的高性能纳米纤维素的绿色制备方法，其特征在于：
步骤(3)所述的超声处理的条件为处理时间10～30min，功率100～300W，温度控制在25～30℃。
7.根据权利要求1所述的高性能纳米纤维素的绿色制备方法，其特征在于：
步骤(3)所述的离心处理的条件为速度为4000～10000rpm，离心时间10～30min。
8.根据权利要求1所述的高性能纳米纤维素的绿色制备方法，其特征在于：
步骤(3)所述的干燥处理为冷冻干燥处理；所述的冷冻干燥处理的条件为：温度为-50～-20℃；时间为24～48小时。
9.一种高性能纳米纤维素，其特征在于通过权利要求1～8任一项所述的制备方法制备得到。
10.权利要求9所述的高性能纳米纤维素在电子器件领域中的应用。
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