CN108084278A - 一种小尺寸纤维素纳米晶的制备方法 - Google Patents

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丛海林
谷传涛
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Abstract

本发明提供了一种以纤维素为原料制备小尺寸纤维素纳米晶的方法，其特征在于，采用纤维素原料经过酸化水解，得到较大分子的纤维素纳米晶，再用叔丁醇盐对其处理，获得粒径小于50nm的纤维素纳米晶。本发明所采用的方法反应条件温和，易于控制，反应所需原料简单易得，是一种高效的制备小尺寸纤维素纳米晶的方法。

Description

一种小尺寸纤维素纳米晶的制备方法
技术领域
本发明涉及一种小尺寸纤维素纳米晶的制备方法。
背景技术
纤维素纳米晶具有优越的性能和表面易修饰的特点，被广泛于废水处理、能源和电子领域。近些年来，纤维素纳米晶不断的被报道用于生物医学领域，例如通过对纤维素纳米晶表面基团修饰，已经开发出基于纤维素纳米晶材料的组织工程支架、基因载体、抗菌抗肿瘤药物载体和催化剂等。纤维素纳米晶具有较低的细胞毒性，已经被证明是一种很有前途的癌症治疗载体(Czaja WK,Young DJ,Kawecki M,Brown RM.The futureprospects ofmicrobial cellulose inbiomedical applications[J].Biomacromolecules,2007；8(1):1-12)。
纤维素纳米晶来源不一样，尺寸不也不一样。纤维素纳米晶的来源决定了纤维素纳米晶的尺寸。来自木头的纤维素纳米晶长度和直径分别为100-300nm和3-5nm(Elazzouzi-Hafraoui S,Nishiyama Y,Putaux J-L,Heux L,Dubreuil F,Rochas C.Theshapeand size distribution of crystalline nanoparticles prepared by acidhydrolysis of nativecellulose[J].Biomacromolecules 2008；9:57–65)。从动物被囊中提取纤维素纳米晶长度和直径分别为1000-1500nm和15-30nm(Peng BL,Dhar N,Liu HL,Tam KC.Chemistry and applications of nanocrystallinecellulose and itsderivatives:a nanotechnology perspective[J].Can J ChemEng 2011；89:1191–206)。
目前，纤维素纳米晶的制备方法主要有物理机械处理法、酶解法、酸解法等。物理机械处理法对设备要求较高，能耗高；酶解法耗时长，成本高。酸解法是当前最常采用的方法。采用浓硫酸酸解法所得到的纤维素纳米晶尺寸较大，且不稳定，严重限制了其在药物载体领域中的应用(Grishkewich N,Mohammed N,Tang J,et al.Recent advances in theapplication of cellulose nanocrystals[J].Current Opinion in Colloid&InterfaceScience,2017,29:32-45.)。纤维素纳米晶作为药物载体时，尺寸较小的纤维素纳米晶更有利于癌细胞内吞作用，提高了药物进入癌细胞的效率，从而提高治疗效率。
在专利CN105777913A中，采用碱溶液对植物纤维素原料进行预处理，然后采用酸解法制备了纤维素纳米晶，其粒径为150-350nm，此方法得到的纤维素纳米晶不能满足纤维素纳米晶作为药物载体时的粒径要求。采用酸解法制备纤维素纳米晶的案例还有很多，但未见到制备出的纤维素纳米晶粒径小于50nm的案例。因此开发小尺寸、粒径分布窄纤维素纳米晶的制备方法，对于拓宽和改进其在癌症治疗中的应用具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题为针对现有的酸解法从纤维素原料中制备小尺寸纤维素纳米晶技术的不足，提供了一个有效的制备小尺寸纤维素纳米晶的方法，得到粒径小于50nm的纤维素纳米晶。
本发明通过首先对纤维素原料进行酸化水解，得到较大尺寸纤维素纳米晶，再对其用叔丁醇类强碱进行处理，降低了纤维素纳米晶粒径，实现发明目的。
本发明提供的一种小尺寸纤维素纳米晶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纤维素原料加入到浓硫酸溶液中，加热搅拌，得纤维素水解液；
(2)将步骤(1)中所得纤维素水解液分散在水中，取上层悬浮液离心，离心后取下层固体；固体水洗后，将其分散在水中，进行透析过滤，得纤维素纳米晶悬浮液，冷冻干燥，得较大尺寸的纤维素纳米晶；
(3)将步骤(2)中所得较大尺寸的纤维素纳米晶溶于DMSO或DMF中，然后加入纤维素纳米晶质量2-8倍的叔丁醇盐，加热、搅拌反应；
(4)将步骤(3)所得反应液倒入水中，离心分离，分离出下层固体，水洗，离心；
(5)将步骤(4)离心之后得到的固体分散在水中，超声，过膜处理，得到的是含有纤维素纳米晶的悬浮液，冷冻干燥，得到的小尺寸纤维素纳米晶，其粒径小于50nm。
如上述的一种小尺寸纤维素纳米晶的制备方法，所述步骤(1)中对反应前的纤维素原料进行预处理，将纤维素剪成长和直径约为5-7mm和1.5-2mm的细小棒状。所述步骤(1)中浓硫酸浓度为60％-70％，用量为纤维素纳米晶质量的60-70倍。所述步骤(1)中加热反应温度为45-55℃，反应时间为40-60min。所述步骤(2)中，离心的温度为5-10℃。所述步骤(3)中，叔丁醇盐为叔丁醇钠、叔丁醇钾、叔丁醇锂、叔丁醇镁、叔丁醇铝，叔丁醇钛之一或其混合物。所述步骤(3)中，加热温度为45-55℃，反应时间为60-80min。所述步骤(4)中，水洗下层固体，洗涤至水洗的洗涤液为中性，此步操作温度为5-10℃。所述步骤(4)中，离心温度为5-10℃，离心机转速为8000-10000rpm。所述步骤(5)中，水的纤维素纳米晶质量的20-40倍。所述步骤(5)中，所述滤膜规格为：无机滤膜，孔径为0.2-0.22μm。
本发明所提供的上述小尺寸纤维素纳米晶的制备方法，具有以下优点：
(1)本发明方法原料为纤维素，来源广泛，如棉花、亚麻、秸秆、玉米苞叶等富含纤维素的物质；
(2)纤维素纳米晶粒径减小有两个途径，第一：纤维素中晶态和非晶态共存，传统的办法是破坏其非晶态，本技术采用将纤维素原料剪成细小棒状，同时破坏了晶态和非晶态；第二：采用具有强碱性的叔丁醇纳、叔丁醇钾、叔丁醇镁、叔丁醇锂、叔丁醇铝或叔丁醇钛之类物质，本技术不仅能剪切破坏纤维素的非晶区域；并且所采用的盐类含有不同数量的氢键受体，溶液中形成的阳离子和阴离子与纤维素上羟基形成氢键，高效的破坏了纤维素纳米晶分子链之间的氢键网络，从而有效的降低纤维素纳米晶尺寸，实现得到了小尺寸纤维素纳米晶产品的目的。
(3)本发明方法具有原料易得，反应条件温和，易于操作，产率高的特点。
附图说明
图1为实施例1制备的小尺寸纤维素纳米晶TEM电镜图。
具体实施方式
实施例1
将4.6g棉花剪成长和直径约为5-7nm和1.5-2nm的棒状，加入到200mL浓度为64％的硫酸溶液中，温度45℃，反应40min，将所得产物用200mL温度为5℃的水稀释。取上层悬浮液在10℃条件下10000rpm的转速离心20min，离心得到白色固体，将此白色固超声分散于40mL水中，用上述条件离心(反复操作3次)，最终白色固体分散于40mL水中，进行透析处理(截留分子量Da:MW:3500)，透析处理后的样品冷冻干燥得较大尺寸纤维素纳米晶。称取0.25g较大尺寸的纤维素纳米晶溶于10mL的DMSO中，加入0.5g叔丁醇钠溶于10mL的DMSO溶液，温度45℃，反应72h，所得产物分散于150mL、温度为10℃的水中，分散液在10℃条件下10000rpm的转速离心20min，将离心所得固体分散于40mL水中，用上述条件水洗离心(重复3次)。所得固体分散于10mL水中，过滤膜(滤膜规格为：无机滤膜，孔径为0.2-0.22μm)处理，然后将样品冷冻，样品成冰后移入冷冻干燥机中，干燥得小尺寸纤维素纳米晶，产率86％。从图1该小尺寸纤维素纳米晶样品的TEM电镜图可以看出，其粒径平均尺寸小于50nm。
实施例2
所用原料种类、用量及工艺流程同实施案例1,不同的是在含有0.25g较大尺寸的纤维素纳米晶的DMSO溶液中加入，0.5g叔丁醇钾溶于10mL DMSO的溶液，产率79％。经测量所得纤维素纳米晶平均尺寸小于50nm。
实施例3
所用原料种类、用量及工艺流程同实施案例1,不同的是在含有0.3g较大尺寸的纤维素纳米晶的DMSO溶液中加入，0.6g叔丁醇锂溶于10mL DMSO的溶液，产率81％。经测量所得纤维素纳米晶平均尺寸小于50nm。
实施例4
所用原料种类、用量及工艺流程同实施案例1,不同的是在含有0.25g较大尺寸的纤维素纳米晶的DMSO溶液中加入，0.5g叔丁醇镁溶于10mL DMSO的溶液。产率88％。经测量所得纤维素纳米晶平均尺寸小于50nm。
实施例5
所用原料种类、用量及工艺流程同实施案例1,不同的是在含有0.25g较大尺寸的纤维素纳米晶的DMSO溶液中加入，0.5g叔丁醇铝溶于10mL DMSO的溶液。产率83％。经测量所得纤维素纳米晶平均尺寸小于50nm。
实施例6
所用原料种类、用量及工艺流程同实施案例1,不同的是在含有0.3g较大尺寸的纤维素纳米晶的DMF溶液中加入，0.7g叔丁醇钛溶于10mL DMF的溶液。产率85％。经测量所得纤维素纳米晶平均尺寸小于50nm。
对比例1
对棉花纤维素重复实施例1中的配比和操作，但不使用叔丁醇类强碱处理，所得纤维素纳米晶尺寸为220nm。

Claims (10)

1.一种小尺寸纤维素纳米晶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纤维素原料加入到浓硫酸溶液中，加热搅拌，得纤维素水解液；
(2)将步骤(1)中所得纤维素水解液分散在水中，取上层悬浮液离心，离心后取下层固体；固体水洗后，将其分散在水中，进行透析过滤，得纤维素纳米晶悬浮液，冷冻干燥，得较大尺寸的纤维素纳米晶；
(3)将步骤(2)中所得较大尺寸的纤维素纳米晶溶于DMSO或DMF中，然后加入纤维素纳米晶质量2-8倍的叔丁醇盐，加热、搅拌反应；
(4)将步骤(3)所得反应液倒入水中，离心分离，分离出下层固体，水洗，离心；
(5)将步骤(4)离心之后得到的固体分散在水中，超声，过滤膜处理，得到的是含有纤维素纳米晶的悬浮液，冷冻干燥，得到的小尺寸纤维素纳米晶，其粒径小于50nm。
2.根据权利要求1所述一种小尺寸纤维素纳米晶的制备方法，其特征在于：步骤(1)对反应前的纤维素原料进行预处理，将纤维素剪成长和直径约为5-7mm和1.5-2mm的细小棒状。
3.根据权利要求1所述的一种小尺寸纤维素纳米晶的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，浓硫酸的浓度为60％-70％，用量为纤维素纳米晶质量的60-70倍；加热温度为45-55℃，反应时间为40-60min。
4.根据权利要求1所述一种小尺寸纤维素纳米晶的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述离心温度为5-10℃。
5.根据权利要求1所述一种小尺寸纤维素纳米晶的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述叔丁醇盐为叔丁醇钠、叔丁醇钾、叔丁醇锂、叔丁醇镁之一或其混合物。
6.根据权利要求1所述一种小尺寸纤维素纳米晶的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述加热温度为45-55℃，反应时间为60-80min。
7.根据权利要求1所述一种小尺寸纤维素纳米晶的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述水洗至水洗的洗涤液为中性，操作温度为5-10℃，离心机转速为8000-10000rpm。
8.根据权利要求1所述一种小尺寸纤维素纳米晶的制备方法，其特征在于：步骤(5)中，水的用量为纤维素纳米晶质量的20-40倍。
9.根据权利要求1所述一种小尺寸纤维素纳米晶的制备方法，其特征在于：步骤(5)所述滤膜规格为：无机滤膜，孔径为0.2-0.22μm。
10.根据权利要求1所述一种小尺寸纤维素纳米晶的制备方法，其特征在于：所述纤维素原料为棉花。
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