CN109468871A - 一种植物秸秆制备的木质纳米纤维素及其方法与应用 - Google Patents

一种植物秸秆制备的木质纳米纤维素及其方法与应用 Download PDF

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黄勇
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Abstract

本发明涉及一种植物秸秆制备的木质纳米纤维素及其方法与应用。所述方法具体为：将植物秸秆粉碎后，置于稀酸溶液中，在球磨条件下进行反应，反应结束后，将反应产物洗涤至中性；然后再将洗涤后的产物超声处理，即得。本发明所述的方法操作简便、快捷，可实现植物秸秆的全利用化。所获得的木质纳米纤维素最大程度的保留了纤维中的木质素，且热稳定性高，纤维素直径可达15nm～26nm。

Description

一种植物秸秆制备的木质纳米纤维素及其方法与应用
技术领域
本发明属于生物可再生技术领域，具体涉及一种植物秸制备的木质纳米纤维素及其方法与应用。
背景技术
能源短缺和环境问题是困扰人类可持续发展的两大难题，可再生生物质资源的利用，因为其来源广泛，价格低廉，环境友好，生物相容性好等特点受到越来越多人的关注。在植物秸秆中主要含有木质素、半纤维素和纤维素，纤维素的纳米化可以得到纳米纤维素，以其低密度，高强度，生物相容性好，热膨胀系数低等优点应用于太阳能电池、传感器、复合材料增强剂等领域。目前，由植物秸秆制备纳米纤维素主要采用将纤维素提取出来，其操作过程复杂，所用试剂对环境造成了污染，并且将纤维素提取出来的方法，植物秸秆的利用率低。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种高效、快捷又简便的木质纳米纤维素的制备方法。本发明以废弃的植物秸秆为原料，仅采用两步即可获木质素含量丰富、热稳定性显著提升，且直径较长的木质纳米纤维。
在现有技术中，通常获得热稳定性高、且直接较长的木质纳米纤维素，都需要采用复杂的制备过程；该制备过程中，所添加的试剂较多，且工艺步骤繁多，从而易造成纤维中木质素的大量损失；此外，复杂的制备工艺，同时也会带来高昂的成本。
本发明通过研究发现，采用本发明选择特定的固液比(秸秆原料与稀酸溶液的比例)，在特别浓度下的稀酸溶液中进行球磨，再进行超声，即可快捷获得高性能的木质纳米纤维，且该方法最大程度的保留了纤维素中木质素的含量，实现植物秸秆的全利用化。
本发明提供的一种植物秸秆制备木质纳米纤维素的方法，具体为：将植物秸秆经粉碎后，置于稀酸溶液中，在球磨条件下进行反应，反应结束后，将反应产物洗涤至中性；然后再将洗涤后的产物超声处理，即得。
本发明相对于传统工艺，大大缩减了制备工艺；不仅无需添加任何有机改性剂；且仅需在特定的稀酸环境中进行球磨，然后再进行超声处理这两个步骤，即可获得高质量的木质纳米纤维素。
本发明为了实现所获得木质纳米纤维具有木质素含量高、热稳定性好、纤维直径长等优良性能；在上述工艺的基础上，通过进一步限定其各条件参数，使其效果更为显著。
其中，所述植物秸秆为常规的秸秆类，如向日癸秸秆。
其中，所述稀酸溶液为稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸或稀磷酸溶液中的一种或多种。优选采用稀硫酸。所述稀酸溶液中采用的溶剂为常规可适用溶剂，如水。
优选的，采用质量百分比(质量浓度)为1％～3％的稀酸溶液；
更优选的，所述稀酸为质量百分比为1～2％的酸溶液，最优选为1～1.2％的酸溶液
本发明优选，将所述植物秸秆按1:15～25的固液比(g/mL)加入稀酸溶液中，优选为1:18～22。
本发明最优选，将所述植物秸秆按1:18～22的固液比加入质量百分比为1～1.2％的稀硫酸溶液中进行球磨。
其中，所述球磨的速度为100～500rpm，时间为1～3小时；优选的，所述球磨的速度为200～400rpm，时间为1.8～2.2小时。
其中，所述超声处理的功率为300～600W，时间为1～3小时；优选的，所述超声处理的功率为400～500W，时间为2.5～3.5小时。
本发明提供一种优选方案，所述方法包括如下步骤：
1)将植物秸秆经粉碎后，按1:18～22的固液比加入质量浓度为1～1.2％的稀硫酸溶液中，以200～400rpm的速度，球磨1.8～2.2h后，洗涤至中性；
2)将洗涤后的产物以400～500W的功率超声处理2.5～3.5h，即得。
本发明所述的木质纳米纤维素具有优良的性能，可广泛用于在制备膜。所述的木质纳米纤维素在大棚地膜，食品工业包装膜上的应用。
本发明至少具有以下有益效果。
1、本发明所述的方法操作简单，环境友好，效率高，产率高。
2、本发明制得的木质纳米纤维素中木质素保留量非常大(相比于原料，木质素的保留量可达93％)，实现可植物秸秆的全利用化。
3、本发明所制得的木质素纳米纤维素直径在15nm～26nm，其的热力学性能显著提高，最佳为255.6的起始分解温度发生5％的热降解，疏水性能提高，最高疏水角为84.3°。
附图说明
图1为实施例1制得的木质纳米纤维素的原子力显微镜(AFM)扫描图；
图2为实施例2制得的木质纳米纤维素的原子力显微镜(AFM)扫描图；
图3为实施例3制得的木质纳米纤维素的原子力显微镜(AFM)扫描图；
图4为实施例4制得的木质纳米纤维素的原子力显微镜(AFM)扫描图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供一种植物秸秆制备木质纳米纤维素的方法，包括以下步骤：
1)将向日葵秸秆粉碎后，按1：20的固液比加入质量浓度为1％的稀硫酸溶液中，以300rpm的速度，球磨2h后，洗涤至中性；
2)将洗涤后的产物以450W的功率超声1h，即得。
图1为本实施例制得的木质纳米纤维素的原子力显微镜(AFM)扫描图。
实施例2
本实施例提供一种植物秸秆制备木质纳米纤维素的方法，包括以下步骤：
1)将向日葵秸秆粉碎后，按1：20的固液比加入质量浓度为1％的稀硫酸溶液中，以300rpm的速度，球磨2h后，洗涤至中性；
2)将洗涤后的产物以450W的功率超声3h，即得。
图2为本实施例制得的木质纳米纤维素的原子力显微镜(AFM)扫描图。
实施例3
本实施例提供一种植物秸秆制备木质纳米纤维素的方法，包括以下步骤：
1)将向日葵秸秆粉碎后，按1：20的固液比加入质量浓度为3％的稀硫酸溶液中，以300rpm的速度，球磨2h后，洗涤至中性；
2)将洗涤后的产物以450W的功率超声1h，即得。
图3为本实施例制得的木质纳米纤维素的原子力显微镜(AFM)扫描图。
实施例4
本实施例提供一种植物秸秆制备木质纳米纤维素的方法，包括以下步骤：
1)将向日葵秸秆粉碎后，按1：20的固液比加入质量浓度为3％的稀硫酸溶液中，以300rpm的速度，球磨2h后，洗涤至中性；
2)将洗涤后的产物以450W的功率超声3h，即得。
图4为本实施例制得的木质纳米纤维素的原子力显微镜(AFM)扫描图。
由图1～4可知，当选用质量浓度为1％的稀硫酸，球磨2h，超声3h时(实施例2)，纤维直接细、长度长，具有较高的长径比。
实施例5
本实施例提供一种植物秸秆制备木质纳米纤维素的方法，与实施例2的区别仅在于，球磨的时间为1h。
实施例6
本实施例提供一种植物秸秆制备木质纳米纤维素的方法，与实施例2的区别仅在于，球磨的时间为3h。
实施例7
本实施例提供一种植物秸秆制备木质纳米纤维素的方法，与实施例2的区别仅在于，将稀硫酸的质量浓度替换为2％。
实施例8
本实施例提供一种植物秸秆制备木质纳米纤维素的方法，与实施例2的区别仅在于，将固液比“1:20”替换为“1:25”。
实施例9
本实施例提供一种植物秸秆制备木质纳米纤维素的方法，与实施例2的区别仅在于，将固液比“1:20”替换为“1:15”。
对比例1
本对比例提供一种植物秸秆制备木质纳米纤维素的方法，与实施例1的区别，仅在于将“质量浓度为1％的稀硫酸溶液”替换为“质量浓度为1％的氢氧化钠溶液”。
对比例2
本对比例提供一种植物秸秆制备木质纳米纤维素的方法，与实施例1的区别，仅在于将“稀硫酸溶液”替换为“水”。
实验例1
1、检测实施例1～8以及对比例1～2所制得的木质纳米纤维素的起始分解温度、力学强度和接触角如下表所示：
表1
起始分解温度 力学强度 接触角
实施例1 249.0℃ 110.4MPa 74.1°
实施例2 255.6℃ 121.4MPa 84.3°
实施例3 245.3℃ 95.8MPa 67.6°
实施例4 242.1℃ 87.3MPa 62.3°
实施例5 245.0℃ 94.2MPa 66.9°
实施例6 243.4℃ 89.1MPa 64.6°
实施例7 248.5℃ 105.6MPa 71.1°
实施例8 246.1℃ 99.2MPa 68.9°
实施例9 247.3℃ 100.9MPa 70.4°
对比例1 241.3℃ 87.3MPa 65.0°
对比例2 240.9℃ 79.9MPa 42.5°
2、检测实施例1～8中木质素的含量，相比于原料，木质素被保留量在76％～93％。
3、检测实施例1～8中木质纳米纤维素的直径，均在15nm～26nm之间。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种植物秸秆制备木质纳米纤维素的方法，其特征在于，具体为：将植物秸秆经粉碎后，置于稀酸溶液中，在球磨条件下进行反应，反应结束后，将反应产物洗涤至中性；然后再将洗涤后的产物超声处理，即得。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述稀酸选自稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸或稀磷酸中的一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述稀酸为质量百分比为1％～3％的酸溶液；
优选的，所述稀酸为质量百分比为1～2％的酸溶液，更优选为1～1.2％的酸溶液。
4.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，将所述植物秸秆按1:15～25的固液比加入稀酸溶液中；
优选的，所述固液比为1:18～22。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述植物秸秆按1:18～22的固液比加入质量百分比为1～1.2％的稀硫酸溶液中。
6.根据权利要求1～5任一项所述的方法，其特征在于，所述球磨的速度为100～500rpm，时间为1～3h；
优选的，所述球磨的速度为200～400rpm，时间为1.8～2.2h。
7.根据权利要求1～6任一项所述的方法，其特征在于，所述超声处理的功率为300～600W，时间为1～5h；
优选的，所述超声处理的功率为400～500W，时间为2.5～3.5h。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将植物秸秆经粉碎后，按1:18～22的固液比加入质量浓度为1～1.2％的稀硫酸溶液中，以200～400rpm的速度，球磨1.8～2.2h后，洗涤至中性；
2)将洗涤后的产物以400～500W的功率，超声处理2.5～3.5h，即得。
9.权利要求1～8任一项所述的方法制得的木质纳米纤维素。
10.权利要求9所述的木质纳米纤维素在大棚地膜，食品工业包装膜上的应用。
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