CN107287956B - 一种酶预处理结合机械研磨制备纳米纤维素的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种酶预处理结合机械研磨制备纳米纤维素的方法，该方法不需要添加任何化学试剂，污染程度小，而且采用酶预处理降低了机械研磨的能耗。其特征在于，包括如下步骤：1）桉木纸浆经润胀一定时间后，过滤；2）过滤后的纸浆经pH值为4.8~5.5的缓冲溶液溶解，并加入一定量的纤维素复合酶，在50℃的摇床中恒温震荡一定时间后，在80℃震荡30min中止酶反应，用蒸馏水清洗至中性；3）酶解后的纸浆配成一定质量分数的溶液，进行研磨处理两次，得到半透明的纳米纤维素溶液。本发明以桉木纸浆为原料，采用酶预处理结合机械研磨法，制备具有绿色无污染、节能环保的生物质纳米纤维素材料，该方法符合现代社会绿色环保的要求。

Description

一种酶预处理结合机械研磨制备纳米纤维素的方法
技术领域
本发明涉及一种酶预处理结合机械研磨制备纳米纤维素的方法，该方法绿色环保、操作简易，获得的纤维素纳米纤丝，属于天然高分子领域、也属于林业工程、包装工程、新材料领域。
背景技术
纤维素是木材及农作物秸秆的主要组分，约占木材及农作物秸秆重量的50％，是自然界中最丰富的生物材料，在植物界分布非常广泛，属于自然界中取之不尽，用之不竭的可再生天然高分子材料，随着全球资源的减少以及环境污染等问题的出现，纤维素及其衍生产品的开发利用成为极具重要意义的研究项目之一。纤维素资源的廉价、来源广泛、绿色成为一种可持续发展的新资源。随着纳米科学的快速发展，在纳米尺度范围内操控纤维素分子，并获得性能优异的纳米纤维素新材料，成为目前林业科学发展的一个热点研究领域。
纳米纤维素的粒径一般在15～100nm之间，具有较高的比表面积，在水中易分散形成稳定的纳米纤维素胶体。纳米纤维素显现出的小尺寸效应、量子效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特点，使其在吸附、催化、扩散烧结、电、磁、光等物理、化学、力学特性等都与宏观物体显著不同，具有许多优良的特性，如高结晶度、高纯度、高杨氏模量、高强度、高亲水性、超精细结构和高透明性等，加之具有天然纤维素轻质、可降解、生物相容及可再生等特性，使其广泛的应用于造纸、生物医药、化妆品、食品工业、储能、吸附过滤材料、建筑业等领域，被评为21世纪最具有应用前景的新材料之一。纤维素本身具有纳米尺度结构的纤维，从天然纤维中分离出的纳米纤丝具有低密度、高强度、比表面积大，表面活性高、可生物降解等优点，在医药卫生，电子工业，精细化工，增强材料等领域具有巨大的应用前景。从生物质纤维素到纳米材料，利用其分子结构、化学性能制备特殊功能化产品，提高生物质纤维素的附加值和利用效率，不仅仅是林木产业发展的需要，更已成为国家经济社会发展的迫切需要。
由于纤维素极具潜力的应用价值，目前，世界各国均展开了对纤维素的研究工作，包括对纳米纤维素的大规模制备，同时也取得了许多成果。在目前的研究中，制备纳米纤维素的方法多种多样，简单的分为机械法(高压均质、微射流、研磨法、冷冻粉碎)、化学法(酸水解、TEMPO氧化)，生物法等。由于机械法制备纳米纤维素不需要添加化学试剂，污染程度小，因此，机械法是纳米纤维素制备的主要方法，国外一些国家已经实现了纳米纤维素的中试规模化制备。但是由于植物纤维的多层结构以及纤维素聚集状态结构复杂，制备纳米纤维素对设备要求高，耗能高，效率低。而采用化学法预处理，设备易腐蚀，且环境污染大。因此，采用纤维素酶预处理可以有效降低能量消耗，提高生产效率。纤维素酶可以通过将纤维素大分子链切断成小片段以达到水解纤维素纤维的目的。酶处理是一个温和的生物过程，纤维素酶可以柔化、胀化纤维，增加细胞壁的分层，加速纤维素纳米化，有利于机械处理。此外，纤维素酶专一性强，为可再生资源，符合现代社会绿色环保的要求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种酶预处理结合机械研磨制备纳米纤维素的绿色简易方法，其目的在于克服机械制备方法的高能耗，采用酶预处理实现绿色的工业化生产，该方法成本低，效率高，对环境没有污染，所制备的微、纳米尺度的纤维素纤丝，可以用于电子纸、光学透明纸、太阳能电池、高性能复合纸等具有高附加值产品或行业。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
(1)准确称取一定质量的纸浆，撕剪成小碎块；
(2)在室温条件下，用50-100倍原纸浆质量的蒸馏水浸泡原料纸浆，浸泡时间为10-24小时。
(3)将润胀后的纸浆过滤，加入到锥形瓶中，并加入纸浆质量25倍的缓冲溶液，缓冲溶液pH值为4.8～5.5，加入纤维素复合酶60-120ECU/g，放置于50℃摇床中恒温反应6-20小时，摇床震荡频率为150-180转/分。
(4)反应结束后将酶解纸浆过滤并洗涤至中性，再加入一定量的蒸馏水置于80℃摇床中恒温震荡反应30min，摇床震荡频率为150-180转/分，中止酶反应。
(5)将酶解后的纸浆配制成体积1-2L的水悬浊液，然后进行研磨处理，研磨转速为1500rpm，研磨2-5次，视具体情况而定。
(6)得到纳米纤维素溶液置于4℃冰箱储存，防止纤维素溶液过热团聚。
上述酶预处理中，加入纤维素复合酶用量较大，反应时间较长时，纤丝束破坏较强，机械研磨次数可缩短。研磨机进行研磨，磨盘中带有沟槽，通过调节间隙来调整磨盘的距离，距离越近，研磨细度越大。酶处理后的纤维素溶液在转子和定子的压力和剪切力的作用下，被粉碎细化，实现纤维束的分离。
本发明与现有的技术相比具有以下优点：1)该方法操作简单，快速，可进行工业化批量生产，成本低，效率高，没有任何化学处理，对环境无污染，是一种绿色环保制备纳米纤维素、微米纤维素的方法。2)本发明采用酶预处理，大大减少了了能耗，使得10-20次的研磨过程缩减为2-5次。3)本发明制备的纳米纤维素外形呈现纤丝状，直径分布在30～100nm之间，长度在0.5～3μm之间，长径比合适，利用扫描电镜观察呈纤丝网状结构，具有比表面积大，机械强度大等特点。
具体实施方式
在以下实施例中进一步说明本发明的优点和其他细节，但实施例中引用的具体材料和用量以及其他条件不应该认为是对本发明进行了不恰当的限制。
实施例1
(1)准确称取10g桉木纸浆，撕剪成小碎块；
(2)在室温条件下，用1L蒸馏水浸泡原料纸浆，浸泡10小时。
(3)将润胀后的纸浆过滤，加入到锥形瓶中，并加入250g缓冲溶液，缓冲溶液pH值为4.8，加入纤维素绿色木酶复合酶60ECU/g，放置于50℃摇床中恒温反应6小时，摇床震荡频率为150转/分。
(4)反应结束后将酶解纸浆过滤并洗涤至中性，再加入一定量的蒸馏水置于80℃摇床中恒温震荡反应30min，摇床震荡频率为150转/分，中止酶反应。
(5)将酶解后的纸浆配制成体积为1L的水悬浊液，然后进行研磨处理，研磨转速为1500rpm，研磨5次定。
(6)得到纳米纤维素溶液置于4℃冰箱储存，防止纤维素溶液过热团聚。
实施例2
(1)准确称取10g竹纤纸浆，撕剪成小碎块；
(2)在室温条件下，用1L蒸馏水浸泡原料纸浆，浸泡24小时。
(3)将润胀后的纸浆过滤，加入到锥形瓶中，并加入250g缓冲溶液，缓冲溶液pH值为5.0，加入纤维素复合酶100ECU/g，放置于50℃摇床中恒温反应8小时，摇床震荡频率为150转/分。
(4)反应结束后将酶解纸浆过滤并洗涤至中性，再加入一定量的蒸馏水置于80℃摇床中恒温震荡反应30min，摇床震荡频率为150转/分，中止酶反应。
(5)将酶解后的纸浆配制成体积为1L的水悬浊液，然后进行研磨处理，研磨转速为1500rpm，研磨4次定。
(6)得到纳米纤维素溶液置于4℃冰箱储存，防止纤维素溶液过热团聚。
实施例3
(1)准确称取10g桉木纸浆，撕剪成小碎块；
(2)在室温条件下，用1L蒸馏水浸泡原料纸浆，浸泡15小时。
(3)将润胀后的纸浆过滤，加入到锥形瓶中，并加入250g缓冲溶液，缓冲溶液pH值为5.0，加入纤维素复合酶120ECU/g，放置于50℃摇床中恒温反应12小时，摇床震荡频率为180转/分。
(4)反应结束后将酶解纸浆过滤并洗涤至中性，再加入一定量的蒸馏水置于80℃摇床中恒温震荡反应30min，摇床震荡频率为180转/分，中止酶反应。
(5)将酶解后的纸浆配制成体积为1L的水悬浊液，然后进行研磨处理，研磨转速为1500rpm，研磨3次定。
(6)得到纳米纤维素溶液置于4℃冰箱储存，防止纤维素溶液过热团聚。
实施例4
(1)准确称取10g桉木纸浆，撕剪成小碎块；
(2)在室温条件下，用1L蒸馏水浸泡原料纸浆，浸泡24小时。
(3)将润胀后的纸浆过滤，加入到锥形瓶中，并加入250g缓冲溶液，缓冲溶液pH值为5.0，加入纤维素复合酶120ECU/g，放置于50℃摇床中恒温反应15小时，摇床震荡频率为180转/分。
(4)反应结束后将酶解纸浆过滤并洗涤至中性，再加入一定量的蒸馏水置于80℃摇床中恒温震荡反应30min，摇床震荡频率为180转/分，中止酶反应。
(5)将酶解后的纸浆配制成体积为2L的水悬浊液，然后进行研磨处理，研磨转速为1500rpm，研磨2次定。
(6)得到纳米纤维素溶液置于4℃冰箱储存，防止纤维素溶液过热团聚。
实施例5
(1)准确称取5g竹纤纸浆，撕剪成小碎块；
(2)在室温条件下，用300mL蒸馏水浸泡原料纸浆，浸泡18小时。
(3)将润胀后的纸浆过滤，加入到锥形瓶中，并加入125g缓冲溶液，缓冲溶液pH值为5.0，加入纤维素复合酶80ECU/g，放置于50℃摇床中恒温反应20小时，摇床震荡频率为170转/分。
(4)反应结束后将酶解纸浆过滤并洗涤至中性，再加入一定量的蒸馏水置于80℃摇床中恒温震荡反应30min，摇床震荡频率为170转/分，中止酶反应。
(5)将酶解后的纸浆配制成体积为1.5L的水悬浊液，然后进行研磨处理，研磨转速为1500rpm，研磨2次定。
得到纳米纤维素溶液置于4℃冰箱储存，防止纤维素溶液过热团聚。

Claims (3)

1.一种酶预处理结合机械研磨制备纳米纤维素的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)预处理：将纸浆撕剪成小块，在室温条件下，用50-100倍原纸浆质量的蒸馏水浸泡原料纸浆10-24小时，使其充分润胀；
所述纸浆中纤维素所占比例大于90％；
(2)酶预处理：将润胀后的纸浆过滤，加入纸浆质量25倍的缓冲溶液，缓冲溶液pH值为4.8～5.5，加入纤维素复合酶60-120ECU/g，放入50℃摇床中恒温反应6-20小时，反应结束后将酶解纸浆洗涤至中性，再加入一定量的蒸馏水置于80℃摇床中恒温震荡反应30min，中止酶反应；
(3)将酶解后的纸浆配制成体积1-2L的水悬浊液，然后进行研磨处理，研磨转速为1500rpm，研磨过程中溶液浓度不高于2％，研磨2-5次，视具体情况而定，得到纳米纤维素溶液，将该溶液置于4℃冰箱储存，防止纤维素溶液过热团聚。
2.如权利要求1所述的一种酶预处理结合机械研磨制备纳米纤维素的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的纤维素复合酶的加入量根据具体测定纤维素的酶活计算。
3.如权利要求1所述的一种酶预处理结合机械研磨制备纳米纤维素的方法，其特征在于：步骤(3)所述的研磨机为石臼研磨机，利用上下两块石臼磨盘之间的紧密结合和相互摩擦使得步骤(2)中酶剪切处理后的纤维束进一步分离，为了保证研磨质量，上下磨盘之间用水的作用使其紧密接触，同时不会使磨盘碎裂。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109868667B (zh) * 2017-12-05 2022-06-03 中国林业科学研究院木材工业研究所 一种含木质素纳米纤维素纤丝的制备方法
CN108221438A (zh) * 2017-12-07 2018-06-29 华南理工大学 一种漂白桉木浆纳米纤维素的制备方法
CN109123257A (zh) * 2018-07-27 2019-01-04 华南理工大学 一种提高果汁饮料稳定性的方法
CN109811569B (zh) * 2019-03-08 2021-07-20 广西大学 一种利用酶辅助机械研磨低能耗制备高得率纤维素纳米微纤丝的方法
CN110452402A (zh) * 2019-08-07 2019-11-15 广西大学 一种机械法制备疏水高透气纤维膜的方法
CN111646763B (zh) * 2020-07-02 2022-03-11 肇庆三乐集成房屋制造有限公司 一种植物纤维增强硅酸钙板及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103061174A (zh) * 2013-01-18 2013-04-24 中南林业科技大学 一种强酸预处理辅助制备纤维素纳米纤丝的方法
CN103103847A (zh) * 2013-01-18 2013-05-15 中南林业科技大学 一种生物酶解与机械剪切联合制备纤维素纳米晶体的方法
CN103334327A (zh) * 2013-07-10 2013-10-02 南京林业大学 一种制备纳米纤维素的简易方法
WO2013188657A1 (en) * 2012-06-13 2013-12-19 University Of Maine System Board Of Trustees Energy efficient process for preparing nanocellulose fibers

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013188657A1 (en) * 2012-06-13 2013-12-19 University Of Maine System Board Of Trustees Energy efficient process for preparing nanocellulose fibers
CN103061174A (zh) * 2013-01-18 2013-04-24 中南林业科技大学 一种强酸预处理辅助制备纤维素纳米纤丝的方法
CN103103847A (zh) * 2013-01-18 2013-05-15 中南林业科技大学 一种生物酶解与机械剪切联合制备纤维素纳米晶体的方法
CN103334327A (zh) * 2013-07-10 2013-10-02 南京林业大学 一种制备纳米纤维素的简易方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Enzymatic Hydrolysis Combined with Mechanical Shearing and High-Pressure Homogenization for Nanoscale Cellulose Fibrils and Strong Gels;M.Pääkkö et al.;《Biomacromolecules》;20070503;第8卷(第6期);摘要，第1935页图1、右栏倒数第二段 *

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