CN108359016A - 一种环境友好型的纳米微晶纤维素制备方法 - Google Patents

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毛江淳
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    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
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    • C08B15/02—Oxycellulose; Hydrocellulose; Cellulosehydrate, e.g. microcrystalline cellulose
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
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Abstract

本发明公开了一种环境友好型的纳米微晶纤维素制备方法。本发明是以微晶纤维素为原料、以水为反应介质、基于低温水热法对微晶纤维进行预处理，通过调控低温水热预处理参数实现纤维素的充分润涨；随后，基于高压均质处理对水热预处理的纤维素进行有效解离；最后，对高压均质处理后的悬浮液体系进行高速离心分离，得到纳米微晶纤维素胶体。制得的纳米微晶纤维素呈棒状或针状，长度约200‑500nm，直径约20‑80nm，水相分散均匀稳定，平均粒径约300nm。本发明生产周期短，操作简单，不使用任何化学药剂，环境友好。

Description

一种环境友好型的纳米微晶纤维素制备方法
技术领域
本发明涉及一种环境友好型的纳米微晶纤维素制备方法。
背景技术
纳米微晶纤维素（Nanocrystalline cellulose, NCC）具有优异的力学性能、巨大的比表面积（~70）、高结晶度（>70%）、高杨氏模量、高强度(7500MPa)、超精细结构和高透明性，良好的生物可降解性与生物相容性以及稳定的化学性能。鉴于其独特的物理化学性能，纳米微晶纤维素在精细化工、医药、食品、超微复合材料、热交换材料和新能源等领域具备强大应用潜力。因此，纳米微晶纤维素的研究与开发具有重要的科学意义与应用价值。
目前，纳米微晶纤维素最常见的制备方法为酸水解法。通过硫酸水解或盐酸水解即可获得纳米微晶纤维素。但是，强酸水解会导致大量酸性基团附于纤维素表面，使得纳米微晶纤维素具有较差的热稳定性，这严重制约了纳米微晶纤维素的高值化应用。另外，强酸水解会产生大量的废液，不利于环境保护，从而成为制约纳米微晶纤维素工业化生产的瓶颈问题。因而，研究开发一种环境友好型、高效可控的纳米微晶纤维素制备方法显得非常迫切。
专利文献公布号为CN105175557A公开了一种纳米化处理制备纳米纤维素，该纳米化步骤使用的设备是高压均质机、超声波乳化机或高压细胞破碎仪。其中该方法预处理过程复杂，时间长，使用化学试剂种类多，不利于生产。
专利文献公布号为CN103492637A公开了一种机械的方法制备纳米纤维素，其中该方法需经过多次精磨、分离，操作比较复杂，不利于生产。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种环境友好型的纳米微晶纤维素制备方法：
本发明以微晶纤维素为原料、以水为反应介质、基于低温水热法对微晶纤维进行预处理，通过调控低温水热预处理实现纤维素的充分润涨；随后基于高压均质处理对水热预处理的纤维素进行有效解离；最后对高压均质处理后的悬浮液体系进行高速离心分离，得到纳米微晶纤维素胶体。具体是：
步骤（1）：首先将微晶纤维素加入到去离子水中，混合均匀后在一定温度压力下水热规定时间。
步骤（2）：将水热预处理后的混合物转入高压均质处理。
步骤（3）：对高压均质处理后的悬浮液体系进行高速离心分离，得到纳米微晶纤维素胶体。
进一步说，所述的微晶纤维素为针叶木硫酸盐浆纤维酸水解产品，长度为10~20微米，直径为1~2微米。
进一步说，所述的低温水热预处理中反应温度70～100℃，时间60~180min，微晶纤维素体系浓度0.5～5%。
进一步说，所述的高压均质处理中反应压力650~1000bar，时间2~5分钟，循环次数5~9次，高压均质机设备型号为HomoLab，最大压力1500bar，可自动实现内循环。
进一步说，所述的高速离心分离，离心速度为12000转/分，悬浮液固含量为0.5~1.5%。
进一步说，所述的纳米微晶纤维素胶体，平均粒径在300nm，Brookfiled粘度在300-600mPa・s。
本发明的有益效果：
其一、以去离子水为反应介质，完全绿色溶剂体系，符合可持续发展战略需求，的确为面向工业化生产纳米微晶纤维素的设计思路；
其二，基于低温水热法对微晶纤维进行预处理，通过调控低温水热预处理参数实现纤维素的充分润涨，工艺流程简单，且易操作和控制；
三、与传统强酸水解方法比较，过程用水量大大减少及不使用任何化学药品，环境友好。
附图说明
图1 纳米微晶纤维素胶体的TEM图像。
具体实施方式
本发明是以微晶纤维素为原料、以水为反应介质、基于低温水热法对微晶纤维进行预处理，通过调控低温水热预处理参数实现纤维素的充分润涨；随后，基于高压均质处理对水热预处理的纤维素进行有效解离；最后，对高压均质处理后的悬浮液体系进行高速离心分离，得到纳米微晶纤维素胶体，见图1。
实施例1：
首先将5g微晶纤维素原料加入到500mL去离子水中，混合均匀后在温度为70℃、搅拌速度300rpm下持续水热90min；然后将混合物转入高压均质机，在反应压力700bar下处理3.5min；最后对悬浮液体系进行高速离心分离，得到纳米微晶纤维素胶体。
实施例2：
首先将5g微晶纤维素原料加入到400mL去离子水中，混合均匀后在温度为80℃、搅拌速度400rpm下持续水热120min；然后将混合物转入高压均质机，在反应压力800bar下处理4min；最后对悬浮液体系进行高速离心分离，得到纳米微晶纤维素胶体。
实施例3：
首先将5g微晶纤维素原料加入到300mL去离子水中，混合均匀后在温度为90℃、搅拌速度450rpm下持续水热150min；然后将混合物转入高压均质机，在反应压力900bar下处理5min；最后对悬浮液体系进行高速离心分离，得到纳米微晶纤维素胶体。
综上，本发明区别于传统制备技术，基于低温水热法对微晶纤维进行预处理，通过调控低温水热预处理参数实现纤维素的充分润涨，利用高压均质的强剪切力去除大多数无定形区及部分弱结晶区，得到纳米微晶纤维素。依据本发明方法制得的纳米微晶纤维素呈棒状或针状，长度约200-500nm，直径约20-80nm，水相分散均匀稳定，平均粒径约300nm。

Claims (7)

1.一种环境友好型的纳米微晶纤维素制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤（1）：以微晶纤维素为原料、以水为反应介质、基于低温水热法对微晶纤维素进行预处理，通过调控低温水热预处理实现纤维素的充分润涨；
步骤（2）：基于高压均质处理对水热预处理的纤维素进行有效解离；
步骤（3）：对高压均质处理后的悬浮液体系进行高速离心分离，得到纳米微晶纤维素胶体。
2.根据权利要求1所述的一种环境友好型的纳米微晶纤维素制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的微晶纤维素为针叶木硫酸盐浆纤维酸水解产品，长度为10~20微米，直径为1~2微米。
3.根据权利要求1所述的一种环境友好型的纳米微晶纤维素制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的低温水热预处理中反应温度70～100℃，时间60~180min，微晶纤维素体系浓度0.5～5%。
4.根据权利要求1所述的一种环境友好型的纳米微晶纤维素制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的高压均质处理中反应压力650~1000bar，时间2~5分钟，循环次数5~9次。
5.根据权利要求1所述的一种环境友好型的纳米微晶纤维素制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的高压均质处理中使用的高压均质机设备型号为HomoLab，最大压力1500bar，可自动实现内循环。
6.根据权利要求1所述的一种环境友好型的纳米微晶纤维素制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的高速离心分离，离心速度为12000转/分，悬浮液固含量为0.1~1.5%。
7.根据权利要求1所述的一种环境友好型的纳米微晶纤维素制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的纳米微晶纤维素胶体，平均粒径约300nm，Brookfiled粘度在300-600mPa・s。
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