CN111777790A - 一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的制备 - Google Patents

一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的制备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素‑甲壳素纳米纤维气凝胶的制备，利用化学预处理和高频超声的方法对纳米木质纤维素以及废弃的海生虾蟹壳进行纤丝化处理与分离，制备了纳米纤丝化纤维素‑甲壳素纳米纤维气凝胶。本发明原料来源广、方法简单易行，高效开发利用海洋生物质能源，绿色环保低能耗，且最突出的是具有高结晶度，高长径比，高比表面积和纳米尺寸。本发明提供一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素‑甲壳素纳米纤维气凝胶的制备，是一种具有较大应用潜力的新型纳米纤维材料，同时也为海洋生物质能源提供一定的研究思路。

Description

一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维 气凝胶的制备
技术领域
本发明属于气凝胶材料技术领域，具体涉及一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的制备。
背景技术
仿棉花“轻柔飘逸”的特性，可将其用于生物质废弃料的高值化利用，其中制备气凝胶就是一个典型的应用。气凝胶由于密度低、孔径小和内部结构的高比表面积，有望成为各种先进应用材料的候选材料。其中，第三代气凝胶-纤维素气凝胶作为新生的材料，不仅实现生物质废弃料的利用，达到绿色环保的功能，同时在性能上超越了无机气凝胶和有机气凝胶，及所谓的第一代气凝胶和第二代气凝胶。纤维素气凝胶作为一种良好的天然可再生材料，由于其机械性能差而受到阻碍。因此，寻找可再生原料制备具有较强力学性能的气凝胶是一个问题。此气凝胶不仅具备传统气凝胶的优越特性，同时如何自身的生物相容性与可降解特性，在药业，化妆品以及食物包装等领域具有很大的应用前景。近年来，人们对利用生物可再生原料作为先进材料越来越感兴趣。，同时也成为国内外研究学者关注的热点。Wang等用CNF和官能化的碳纳米管制备了导电气凝胶；Xu等将细菌纤维素用木质素-间二苯酚-甲醛溶液浸渍，高温碳化后得到导电炭气凝胶；李坚等以山麻黄为原料，在1-烯丙基-甲基咪唑氯盐中溶解得到木材全组分气凝胶。
借气凝胶超轻、柔性以及多孔等特性，探究气凝胶的行程工艺及机理，调控空隙结构，为利用可再生纤维素资源获得高新产品提供理论依据。而木质素是仅次于纤维素的第二种最丰富的生物聚合物，它具有超支化的大分子结构。但到目前为止，木质素的大部分应用仍然处于相对较低的水平，原因是木质素与大多数聚合物不相容，甚至在混炼后表现出劣化的力学性能。纤维素是最丰富的可再生天然高分子材料，具有亲水性、生物相容性、羟基反应性、热稳定性和机械稳定性。同时，它有很多羟基链分子，可以作为绿色可再生的胶黏剂。在应用中，溶解纤维素纤维素和木质素需要苛刻的条件和高能耗。本发明提供一种简单高效、绿色环保的方法直观地获得纳米纤丝化纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶。
发明内容
针对现有的技术中存在的问题，本发明提供了一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的制备，可以实现高强度纤维素气凝胶，具体操作简单易行、原料来源广泛、绿色环保、可持续发展等优点。
本发明提出一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的制备，其特征在于：具体包括几个步骤：
（1）将木质纤维素绝干，加入去离子水调整浓度为1%~5%混合悬浮液；机械胶磨一定时间，制备纳米木质纤维素；
（2）将（1）中的纳米木质纤维素和甲壳素生物质材料按1：1~1:9的比例混合；加入去离子水调整浓度为1%~5%混合悬浮液，通过化学预处理和高频超声的方法制备纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶。
（3）将（2）中将混合悬浮液放入95%的乙醇中，采用回流冷凝法进行脱脂，然后放入浓度为0.5%~2.0%的亚氯酸钠溶液中，一定温度下处理一定时间，去离子水洗涤数次；然后将其产物用浓度为1%~10%的碱性和盐酸溶液处理，重复4~5次；
（4）将（3）中的混合悬浮液进行超声波分散处理一定时间；
（5）将（4）中的产物离心分离，收集产物；
（6）将（5）中的上清液与去离子水按1:100~1:500的重量进行混合，再用超声波分散处理；
（7）将（6）中的产物冷冻干燥，得到纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶。
优选的，所述步骤（1）中将杨木木质纤维60°水热1h充分润胀后放入胶体磨中机械热胶磨1-12h。
优选的，所述步骤（2）中的甲壳素生物质为蟹壳、虾壳、昆虫；
优选的，所述步骤（3）中将化学处理中的碱性溶液为用KOH和尿素溶液溶解。
优选的，所述步骤（4）中的超声波分散处理采用超声波细胞破碎机，处理时间为0.5~3h。
优选的，所述步骤（5）所得溶液经800r-min离心10min后，收集上清液。
本发明具有的优点在于：
1.本发明提出一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的制备，制备的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶原料来源广泛，没有产生有毒物质，不会对环境带来影响，大大的减少了对环境的污染。
2.本发明提出一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的制备，具有较高的结晶度，高长径比，高比表面积和纳米尺寸。
2.本发明提出一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的制备，所需原料都具有较好的生物相容性。
3.本发明提出一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的制备，本发明不需要采用特殊的制备仪器，方法简单易行，能高效开发利用海洋生物质能源，实现绿色环保低能耗。
具体实施方案
下面结合附图和实施案例来具体地说明本发明的一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的制备进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚的说明本发明的技术方案，因此只作为实例，而不能以此来限制本发明的保护范围。该技术领域的技术工程师可根据上述发明的内容做出一些非本质性的改进和调整。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规试剂商店购买得到的。
以下实施例中的定量试验，均设置3~5次重复实验，数据为3~5次重复实验的平均值或平均值±标准差。
本发明提出一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的制备，如图1所示，具体包括几个步骤：
（1）将木质纤维素绝干，加入去离子水调整浓度为1%~5%混合悬浮液；机械胶磨一定时间，制备纳米木质纤维素；
（2）将（1）中的纳米木质纤维素和甲壳素生物质材料按1：1~1:9的比例混合；加入去离子水调整浓度为1%~5%混合悬浮液，通过化学预处理和高频超声的方法制备纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶。
（3）将（2）中将混合悬浮液放入95%的乙醇中，采用回流冷凝法进行脱脂，然后放入浓度为0.5%~2.0%的亚氯酸钠溶液中，一定温度下处理一定时间，去离子水洗涤数次；然后将其产物用浓度为1%~10%的碱性和盐酸溶液处理，重复4~5次；
（4）将（3）中的混合悬浮液进行超声波分散处理一定时间；
（5）将（4）中的产物离心分离，收集产物；
（6）将（5）中的上清液与去离子水按1:100~1:500的重量进行混合，再用超声波分散处理；
（7）将（6）中的产物冷冻干燥，得到纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶。
优选的，所述步骤（1）中将杨木木质纤维60°水热1h充分润胀后放入胶体磨中机械热胶磨1-12h。
优选的，所述步骤（2）中的甲壳素生物质为蟹壳，木质纤维素与蟹壳粉以1:1混合；
优选的，所述步骤（3）中将化学处理中的碱性溶液为用KOH和尿素溶液溶解。
优选的，所述步骤（4）中的超声波分散处理采用超声波细胞破碎机，处理时间为0.5~3h。
优选的，所述步骤（5）所得溶液经800r-min离心10min后，收集上清液。
实施例1：
本实施例所述的一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的制备，具体是按照以下步骤进行的：
（1）将木质纤维素绝干，加入去离子水调整浓度为3%混合悬浮液；机械胶磨6h，制备纳米木质纤维素；
（2）将（1）中的纳米木质纤维素和蟹壳粉按1：1的比例混合；加入去离子水调整浓度为3%混合悬浮液，通过化学预处理和高频超声的方法制备纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶。
（3）将（2）中将混合悬浮液放入95%的乙醇中，采用回流冷凝法进行脱脂，然后放入浓度为1.5%的亚氯酸钠溶液中，60°处理0.5h，去离子水洗涤数次；然后将其产物用浓度为5%的碱性和盐酸溶液处理，重复4~5次；
（4）将（3）中的混合悬浮液进行超声波分散处理1h；
（5）将（4）中的产物离心分离，收集产物；
（6）将（5）中的上清液与去离子水按1:300的重量进行混合，再用超声波分散处理；
（7）将（6）中的产物冷冻干燥，得到纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶。
实施例2：
本实施例所述的一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的制备，具体是按照以下步骤进行的：
（1）将木质纤维素绝干，加入去离子水调整浓度为3%混合悬浮液；机械胶磨6h，制备纳米木质纤维素；
（2）将（1）中的纳米木质纤维素和虾皮按1：1的比例混合；加入去离子水调整浓度为3%混合悬浮液，通过化学预处理和高频超声的方法制备纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶。
（3）将（2）中将混合悬浮液放入95%的乙醇中，采用回流冷凝法进行脱脂，然后放入浓度为1.5%的亚氯酸钠溶液中，60°处理0.5h，去离子水洗涤数次；然后将其产物用浓度为5%的碱性和盐酸溶液处理，重复4~5次；
（4）将（3）中的混合悬浮液进行超声波分散处理1h；
（5）将（4）中的产物离心分离，收集产物；
（6）将（5）中的上清液与去离子水按1:300的重量进行混合，再用超声波分散处理；
（7）将（6）中的产物冷冻干燥，得到纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶。
实施例3：
本实施例所述的一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的制备，具体是按照以下步骤进行的：
（1）将木质纤维素绝干，加入去离子水调整浓度为3%混合悬浮液；机械胶磨6h，制备纳米木质纤维素；
（2）将（1）中的纳米木质纤维素和蚕蛹按1：1的比例混合；加入去离子水调整浓度为3%混合悬浮液，通过化学预处理和高频超声的方法制备纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶。
（3）将（2）中将混合悬浮液放入95%的乙醇中，采用回流冷凝法进行脱脂，然后放入浓度为1.5%的亚氯酸钠溶液中，60°处理0.5h，去离子水洗涤数次；然后将其产物用浓度为5%的碱性和盐酸溶液处理，重复4~5次；
（4）将（3）中的混合悬浮液进行超声波分散处理1h；
（5）将（4）中的产物离心分离，收集产物；
（6）将（5）中的上清液与去离子水按1:300的重量进行混合，再用超声波分散处理；
（7）将（6）中的产物冷冻干燥，得到纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
1.纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶化学元素分析结果如图1、图2所示
由图可得纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶表面含有Si、Ca元素的存在；
2.纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的宏观构造图2所示
由图可得纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶制备成功；
3.纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶宏观构造图4、图5所示
由图4、图5可得纤维素为纳米木质纤维素，纳米木质纤维素和甲壳素纳米纤维有效的结合在一起。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1是采用本发明中制备的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的EDS谱图；
图2是采用本发明中制备的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的FTIR谱图；
图3是采用本发明中制备的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的宏观照片图；
图4是采用本发明中制备的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的低倍镜SEM图；
图5是采用本发明中制备的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的高倍镜SEM图。

Claims (7)

1.一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的制备，其特征在于：具体包括几个步骤：
（1）将木质纤维素绝干，加入去离子水调整浓度为1%~5%混合悬浮液；机械胶磨一定时间，制备纳米木质纤维素；
（2）将（1）中的纳米木质纤维素和甲壳素生物质材料按1：1~1:9的比例混合；加入去离子水调整浓度为1%~5%混合悬浮液，通过化学预处理和高频超声的方法制备纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶；
（3）将（2）中将混合悬浮液放入95%的乙醇中，采用回流冷凝法进行脱脂，然后放入浓度为0.5%~2.0%的亚氯酸钠溶液中，一定温度下处理一定时间，去离子水洗涤数次；然后将其产物用浓度为1%~10%的碱性和盐酸溶液处理，重复4~5次；
（4）将（3）中的混合悬浮液进行超声波分散处理一定时间；
（5）将（4）中的产物离心分离，收集产物；
（6）将（5）中的上清液与去离子水按1:100~1:500的重量进行混合，再用超声波分散处理；
（7）将（6）中的产物冷冻干燥，得到纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的制备，其特征在于：所述步骤（1）中将杨木木质纤维60°水热1h充分润胀后放入胶体磨中机械热胶磨1-12h。
3.根据权利要求1所述的一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的制备，其特征在于：所述步骤（2）中的甲壳素生物质为蟹壳、虾壳、昆虫。
4.根据权利要求1所述的一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的制备，其特征在于：所述步骤（3）中将化学处理中的碱性溶液为用KOH和尿素溶液溶解。
5.根据权利要求1所述的一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的制备，其特征在于：所述步骤（4）中的超声波分散处理采用超声波细胞破碎机，处理时间为0.5~3h。
6.根据权利要求1所述的一种简单高效绿色环保的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶的制备，其特征在于：所述步骤（5）所得溶液经800r-min离心10min后，收集上清液。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的方法制备得到的纳米木质纤维素-甲壳素纳米纤维气凝胶。
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