CN111122429B - 纳米纤维素纤化程度的快速检测方法 - Google Patents

纳米纤维素纤化程度的快速检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于纳米纤维素的技术领域，公开了纳米纤维素纤化程度的快速检测方法。所述快速检测方法：1)将已知纳米纤维素采用水配成悬浮液，作为标样；然后将待检测的纳米纤维素采用水配成待测悬浮液，作为待测样，待测样的浓度与标样相同；2)将待测样和标样以相同的体积分别装入两只半透明或透明的容器中，然后将该容器置于离心装置中进行离心沉降，离心后，将标样和待测样的上清液分别收集于透明容器中，比较待测样与标样发生二次沉降所需时间，在沉降相同的距离下，沉降的时间越短，待检测的纳米纤维素的纤化程度越小。本发明的方法简单，快速，成本低。

Description

纳米纤维素纤化程度的快速检测方法
技术领域
本发明属于纳米纤维素的技术领域，具体涉及一种纳米纤维素纤维化程度的快速检测方法。
背景技术
纳米纤维素是指直径尺寸在纳米级别的纤维素，一般在几十纳米，通常包括纳米纤丝纤维素以及纤维素纳米晶体，其具有长径比大，比表面积高，质量小，机械强度以及光学性能优良等优点，广泛应用于纸张性能增强以及制备气凝胶等新兴材料等领域，是当前科研人员研究的焦点与热点，目前许多研究聚焦于纳米纤维素制备的机械或化学方法。制备效果优良的纳米纤维素尺寸分布均匀，均一性好，形成的悬浮液稳定，不容易发生絮聚或沉降。
对于表征所制备的纳米纤维素的尺寸和形貌等参数，判别纳米纤维素的制备效果，可以采用扫描电镜，原子力显微镜等传统的方法进行。但是，这些方法普遍存在一些测量的局限性，包括：检测步骤繁琐，检测所需时间较长，仪器昂贵并且容易损坏，单次测量的试样有限等，所以仅仅适用于在实验室进行有关的研究。为了简化对纳米纤维素纤化程度的测量，实现对纳米纤维素纤化程度的快速检测，一种对于纳米纤维素纤化程度快速检测的方法应运而生。
发明内容
本发明的目的在于改变纳米纤维素纤化程度检测需要使用精密仪器，步骤较为繁琐，检测用时较长的现状，提供一种纳米纤维素纤化程度的快速检测方法。
为了达到以上目的，本发明采用下列技术方案：
一种纳米纤维素纤化程度的快速检测方法，包括以下步骤：
1)将已知纳米纤维素采用水配成悬浮液，作为标样；然后将待检测的纳米纤维素采用水配成待测悬浮液，作为待测样，待测样的浓度与标样相同；
2)将待测样和标样以相同的体积分别装入两只半透明或透明的容器中，然后将该容器置于离心装置中进行离心沉降，离心后，将标样和待测样的上清液分别收集于透明容器中，比较待测样与标样发生二次沉降所需时间，在沉降相同的距离下，沉降的时间越短，待检测的纳米纤维素的纤化程度越小，当待测样二次沉降的时间小于标样的沉降时间，待检测的纳米纤维素的纤化程度小于已知纳米纤维素，当待测样二次沉降时间大于标样的时间，待测样的纤化程度高于已知纳米纤维素。
所述已知纳米纤维素是指纳米纤维素的尺寸，形貌已知；已知纳米纤维素的直径≤200nm，优选≤50nm，长径比≥200，优选≥400。
纳米纤维素纤化程度是指纤维素尺寸分布是否均匀，均一性是否好，纤维素的直径是否小，长径比是否大，尺寸分布越均匀，均一性越好，直径越小，长径比越大，纤维素的纤化程度越高，反之，越低。
所述标样的浓度≤1wt％，优选为0.05wt％～0.5wt％。
所述离心沉降的转速为500～1000rpm，离心沉降的时间为8～12min。
标样与检测样离心沉降的转速相同，离心沉降的时间相同。
所述两只半透明或透明的容器优选为两只相同体积和形状的半透明或透明的容器。
所述标准样，是指通过扫描电镜，原子力显微镜等检测方法，已经获知具体尺寸和形貌，并进行了水分含量测量，已知纤化程度的纳米纤维素，制备效果良好的纳米纤维素标准样经离心后得到的上清液呈澄清透明状，颜色白中泛蓝。
所述待测样，是指经过水分含量测量，并加入去离子水稀释到与标准样同样的浓度，需要检测纤化程度的纳米纤维素。
所述离心装置为电动离心机，是指离心工作时转速在500至1000rpm之间，能够有效将尺寸较大的纳米纤维素絮状物与含有分散均匀的纳米纤维素的上清液有效分离的离心机。
所述二次沉降为标样和待测样的上清液进行自然沉降。在进行二次沉降时，所采用的透明容器为有刻度的容器。二次沉降所需时间是指，上清液中纳米纤维素沉降相同距离所花的时间。
所述沉降相同距离≥1cm。
所述二次沉降是指离心得到的纳米纤维素上清液在重力作用下发生自然沉降，其时间是指从上清液被收集到透明容器中至纳米纤维素上清液发生一定量沉降所经历的时长。
步骤2)中所述透明容器为体积和形状相同的透明容器。
本发明与现有技术相比较，具有以下优势：
1、所述纳米纤维素纤化程度快速检测方法，提供了一种在宏观角度检测纳米纤维素纤化程度的方法，有别于传统的扫描电镜，原子力显微镜等检测方法，只能在微观上检测纳米纤维素的纤化程度。
2、对于传统的扫描电镜、原子力显微镜等检测纳米纤维素纤化程度的方法而言，需要提供一个良好的实验室环境，排除噪音、粉尘等外来因素的影响。但是对于所述的纳米纤维素纤化程度的快速检测方法而言，对于实验所处的环境要求相对较低，可以广泛应用于工程实践中。
3、对于离心法而言，仅仅需要使用小型电动离心机这个机械设备，转速相对较低，在500至1000rpm之间(一般小型电动离心机的最高转速可达到10000rpm)。在实验仪器方面，也只需要离心管、透明或半透明的容器等最为基础的物品，可操作性强，使用便利，极大地减少了测量过程中所需要的能源消耗，高效而环保。
4、在纳米纤维素的纤化程度的测量过程中，引入了标准样的概念，所使用的标准样是指经过扫描电镜、原子力显微镜等传统方法观察、测量并拍摄，已知具体尺寸和形貌以及纤化程度的纳米纤维素。通过令测试样与标准样比较二次沉降所需时间，可以直观、清晰地观察纳米纤维素的制备效果。与此同时，由于标准样的存在，测试样有了一个可以比较的参照物，减少测试样之间的横向对比，实验的精准度也得到了提高。
5、对于普通的纳米纤维素制备效果的检测方法，诸如电子显微镜检测，原子力检测等检测方法，需要经过预约、备样、镀金、仪器调试、检测等步骤，复杂且耗费时间较长。另外上述仪器价格昂贵，对样品的导电能力要求较高，并且容易损坏，如原子力显微镜容易出现断针等现象，使用以及维修成本高，使用时需要倍加珍惜。使用离心法抑或自然沉降法可以大大地简化检测所需要的步骤，减少检测所需要的时间，降低检测所需要的金钱成本，达到对纤化程度快速高效检测的目的，提高检测的效率。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细地描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
将纳米纤维素标样(直径为11～18nm，长径比为445～887)进行浓度测量，为0.5％；分别取8g标样于2个试管(试管相同)中，加纯水至每个离心管内液体体积为40mL，将标样稀释为0.1％的浓度，其后将离心管对称放入小型电动离心机中。另外将针叶木纸浆经过5％柠檬酸缓冲液预处理(缓冲液浓度为绝干纤维5％)，其后经过超微粒粉碎机(masukosangyo公司提供)处理(以-10磨盘间隙磨20次)，并经过高压微射流机器(西门子公司提供)以型号为Z8的喷头，20000Pa的压力均质处理10次，得到纳米纤维素悬浮液，测定其浓度，为0.76wt％。分别取1.75g的测试样品于2个离心管中，并加纯水至每个离心管内悬浮液体积为40mL，将样品稀释为0.1wt％的浓度。将样品对称放入小型离心机中，以1000rpm的转速同时将标样与测试样离心10min。离心结束，将上清液，收集于透明容器中，观察并记录上清液发生二次沉降所需时间，上清液在8分钟后完成二次沉降，因此其纤化程度较高。测试样二次沉降的时间是8分钟，沉降的距离为2cm；标样沉降的距离为3cm，沉降时间为半小时，标样沉降的距离为2cm时，沉降的时间大概为20分钟左右。
实施例2
将纳米纤维素标样(直径为11～18nm，长径比为445～887)进行浓度测量，为0.5％。分别取8g标样于2个试管中，加纯水至每个离心管内液体体积为40mL，将标样稀释为0.1％的浓度，其后将离心管对称放入小型电动离心机中。另外将针叶木纸浆经过5％柠檬酸缓冲液预处理(缓冲液浓度为绝干纤维5％)，其后经过超微粒粉碎机(masuko sangyo公司提供)处理(以-10磨盘间隙磨20次)，并经过高压微射流机器(西门子公司提供)以型号为Z8的喷头，20000Pa的压力均质处理5次，得到纳米纤维素悬浮液，测定其浓度，为0.48％。分别取8.33g的测试样品于2个离心管中，并加纯水至每个离心管内悬浮液体积为40mL，将样品稀释为0.1％的浓度。将样品对称放入小型离心机中，以800rpm的转速同时将标样与测试样离心12min。离心结束，将上清液收集于透明容器中，观察并记录上清液发生二次沉降所需时间，上清液在5分钟后完成二次沉降(自然沉降)，因此其纤化程度相对实施案例一而言较低。测试样二次沉降的时间是5分钟，沉降的距离为2cm；标样沉降的时间为30min，沉降的距离为3cm，标样沉降的距离为2cm时，沉降的时间大概为20分钟左右。
实施例3
对比自然沉降法：将纳米纤维素标样(直径为11～18nm，长径比为445～887)进行浓度测量，浓度为0.5％，取20g标样于100mL量筒中，加入纯水至量筒的最大量程，将标样稀释为0.1％的浓度；同时，将针叶木纸浆经过5％柠檬酸缓冲液预处理(缓冲液浓度为绝干纤维5％)，其后经过超微粒粉碎机(masuko sangyo公司提供)处理(以-10磨盘间隙磨20次)，并经过高压微射流机器(西门子公司提供)以型号为D8的喷头，10000Pa的压力均质处理8次，得到纳米纤维素悬浮液，测定其浓度，为0.8％。取12.5g测试样品于100mL量筒中，加入纯水至量筒的最大量程，稀释为0.1％的浓度。同时将标样与测试样自然静置24h，观察其受重力作用沉降情况，即上清液体积占据溶液总体积的百分比，测试样中上清液占溶液总体积的38％，标样中上清液占溶液总体积的2％，因此其纤化程度相对较低。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种纳米纤维素纤化程度的快速检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）将已知纳米纤维素采用水配成悬浮液，作为标样；然后将待检测的纳米纤维素采用水配成待测悬浮液，作为待测样，待测样的浓度与标样相同；
2）将待测样和标样以相同的体积分别装入两只半透明或透明的容器中，然后将该容器置于离心装置中进行离心沉降，离心后，将标样和待测样的上清液分别收集于透明容器中，比较待测样与标样发生二次沉降所需时间，在沉降相同的距离下，沉降的时间越短，待检测的纳米纤维素的纤化程度越小，当待测样二次沉降的时间小于标样的沉降时间，待检测的纳米纤维素的纤化程度小于已知纳米纤维素，当待测样二次沉降时间大于标样的时间，待测样的纤化程度高于已知纳米纤维素；所述已知纳米纤维素是指纳米纤维素的尺寸，形貌已知；已知纳米纤维素的直径≤200nm，长径比≥200；所述标样的浓度≤1wt%；所述离心沉降的转速为500~1000rpm，离心沉降的时间为8~12min；所述二次沉降为标样和待测样的上清液进行自然沉降；
二次沉降所需时间是指，上清液中纳米纤维素沉降相同距离所花的时间；
所述沉降相同距离≥1cm；
在进行二次沉降时，所采用的透明容器为有刻度的容器；
所述两只半透明或透明的容器为两只相同体积和形状的半透明或透明的容器。
2.根据权利要求1所述纳米纤维素纤化程度的快速检测方法，其特征在于：已知纳米纤维素的直径≤50nm，长径比≥400。
3.根据权利要求1所述纳米纤维素纤化程度的快速检测方法，其特征在于：所述标样的浓度为0.05wt%~0.5wt%。
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