CN106192040A - 一种高长径比纤维素纳米纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤维素纳米纤维的制备方法，步骤为将纤维素原料和质量分数为60%‑80%的N‑甲基吗啉‑N‑氧化物水溶液混合溶胀。然后将去离子水加入混合液中稀释中止反应，稀释液经超声、离心洗涤等处理过程，得到稳定的纤维素纳米纤维悬浮液。制得的纤维素纳米纤维直径分布较小，平均直径约30nm，平均长度约几微米，长径比大于100。与现有技术相比，本发明使用N‑甲基吗啉‑N‑氧化物水溶液对纤维素进行物理溶胀处理，使得纤维素结构松散，易于进一步物理裂纤，再通过简单超声处理即可得到纤维素纳米纤维，制备过程属于纯物理方法，且时间较短，能耗较低，后处理简单，绿色环保。得到的纤维素纳米纤维产率高、长径比大。

Description

一种高长径比纤维素纳米纤维的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料制备领域，特别涉及一种高长径比纤维素纳米纤维的制备方法。
技术背景
由于环境保护和可持续发展的需要，以天然可再生资源为基础的生物可降解材料是近年来研究的热点。纤维素纳米纤维来源于天然纤维素，不仅具有天然纤维素储量丰富、廉价易得、可再生、可生物降解等优点还具有高强度、高杨氏模量、高比表面积、高透明性等特点。其在增强复合材料、过滤材料、模板材料、光学材料、电子器件等方面均有广泛的应用。
纤维素纳米纤维的制备方法通常有强酸水解法、高压匀质法等。强酸水解法通过强酸水解掉纤维素的无定形区域，保留具有规整结构的结晶区，得到长径比较小、具有高结晶度的棒状或须状纤维素纳米纤维。此法存在后处理困难、产率低、对设备要求高、污染环境等问题。高压匀质法需要利用用高压匀质机对纤维素进行多次高压匀质处理，此法对设备要求高、能耗巨大而且制备的纤维素纳米纤维粒径并不均一。因此，有必要寻找一种低能耗、环保高效、操作简单的纤维素纳米纤维的制备方法。
目前国内公开的纤维素纳米纤维的制备方法所得产物多为棒状或针状，长径比较低，限制了其在复合材料领域的应用。
发明内容
技术问题：本发明针对目前纤维素纳米纤维制备领域存在的不足，提供了一种低能耗、高效环保、操作简单的纤维素纳米纤维的制备方法，制备得到一种性能优良、具有高长径比的纤维素纳米纤维。
技术方案：本发明的技术解决方案为
一种高长径比纤维素纳米纤维悬浮液的制备方法，包括以下步骤：将纤维素原料与N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液混合，所述纤维素原料与N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液的质量比为1:50-1:20，得到分散有纤维素原料的N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液；在一定温度，搅拌速度300-800r/min的条件下，对上述分散有纤维素原料的N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液进行溶胀处理，再加入去离子水，使溶胀液稀释至10-20倍体积，得到稀释液；再将稀释液进行超声波分散，并用去离子水离心洗涤得到高长径比的纤维素纳米纤维悬浮液。
上述纤维素原料为棉纤维、麻纤维、木浆纤维、竹纤维。
N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液质量分数为60%-80%。
纤维素原料进行溶胀处理时，温度为60-110℃，溶胀时间为1-5h。
超声处理时超声功率为800-1000W，超声时间为1-3h。
与现有技术相比，本发明具有如下优势
(1)由于N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液对纤维素具有溶胀作用，因此，本发明采用N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液对纤维素进行溶胀处理后，纤维素结构松散，原纤间距变大，分散性大大提高，只需要短时间超声就可以使纤维素裂纤至纳米级别，从而大大降低了能耗。
(2)本发明制备的纤维素纳米纤维直径约30nm,长度约几微米,长径比较高(>100)，而纤维素纳米纤维的长径比越大，其用途越广泛。例如用纤维素纳米纤维与聚甲基丙烯酸甲酯复合，纤维素纳米纤维的长径比越大，纳米复合材料的拉伸性能和透光性能越好，热膨胀系数越低。
(3) 纤维素溶胀及超声条件温和、易于控制，不需要特殊的加工设备，且物理裂纤完成后只需要简单低速离心即可将溶剂分离出来，得到的纤维素纳米纤维的纯度高。
(4)本发明采用纯物理法处理纤维素。减少了化学试剂的使用，而且N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液可以回收循环利用。绿色环保而且操作简单安全，产物产率较高。可产生较好的经济效益和社会生态效益。
附图说明
图1是按实施例1制得纤维素纳米纤维的扫描电镜图。
图2是按实施例1制得纤维素纳米纤维的透射电镜图。
具体实施方式
以下实施例为本发明的一些举例，不应被看做是对本发明的限定。
实施例1：
称取0.25g棉浆粕和9.75g质量分数为76%的N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液混合加入到50ml圆底烧瓶中。在温度为100℃，搅拌速度为400r/min的条件下，将混合液溶胀4h。再加入去离子水，使溶胀液稀释至15倍体积，得到稀释液；再将稀释液进行超声波分散，超声功率为1000W，超声时间为1h，每工作2s间歇2s超声过程中使用冰水浴防止温度过高破坏纤维素结构。再用去离子水将超声后的溶液在2000r/min的条件下离心洗涤2次，得到高长径比的纤维素纳米纤维悬浮液。
实施例2：
称取0.5g棉浆粕和20g质量分数为76%的N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液混合加入到50ml圆底烧瓶中。在温度为110℃，搅拌速度为400r/min的条件下，将混合液溶胀3h。再加入去离子水，使溶胀液稀释至15倍体积，得到稀释液；再将稀释液进行超声波分散，超声功率为1000W，超声时间为1h，每工作2s间歇2s超声过程中使用冰水浴防止温度过高破坏纤维素结构。再用乙醇、去离子水将超声后的溶液在400r/min的条件下离心洗涤2次，得到高长径比的纤维素纳米纤维悬浮液。

Claims (5)

1.一种高长径比纤维素纳米纤维悬浮液的制备方法，其特征在于包括以下步骤：将纤维素原料与N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液混合，所述纤维素原料与N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液的质量比为1:50-1:20，得到分散有纤维素原料的N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液；在一定温度，搅拌速度300-800r/min的条件下，对上述分散有纤维素原料的N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液进行溶胀处理，再加入去离子水，使溶胀液稀释至10-20倍体积，得到稀释液；再将稀释液进行超声波分散，并用去离子水离心洗涤得到高长径比的纤维素纳米纤维悬浮液。
2.根据权利要求1所述高长径比纤维素纳米纤维悬浮液的制备方法，其特征在于对所述纤维原料为棉纤维、麻纤维、木浆纤维、竹纤维。
3.根据权利要求1所述高长径比纤维素纳米纤维悬浮液的制备方法，其特征在于N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液质量分数为60%-80%。
4.根据权利要求1所述高长径比纤维素纳米纤维悬浮液的制备方法，其特征在于对纤维素原料进行溶胀处理时，温度为60-110℃，溶胀时间为1-5h。
5.根据权利要求1所述高长径比纤维素纳米纤维悬浮液的制备方法，其特征在于超声波功率为800-1000W,超声时间1-3h。
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