CN112095358B - 一种纤维素剥离及其功能化的方法 - Google Patents

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Abstract

一种纤维素剥离及其功能化的方法，属于生物质资源利用与转化技术领域。本发明将生物质材料于含碱金属的有机盐溶剂中进行超声处理，将超声剥离后的混合物离心处理，去除未剥离的底物，收集悬浮液，得到功能化的纤维素分散液。本发明加入的含碱金属有机盐对多种溶剂（包括高沸点和低沸点的溶剂）剥离纤维素都具有广效且明显的辅助增强效应，可原位制备不同溶剂体系下的纤维素分散液；有机盐消耗极少，且可反复使用，且超声剥离时间短，耗能低，制备步骤简单；制备的纤维素富含胺基及羟基等官能团，且所得纤维素分散液相当稳定。

Description

一种纤维素剥离及其功能化的方法
技术领域
本发明属于生物质资源利用与转化技术领域，具体涉及纤维素的提取与功能化制备方法。
背景技术
以农作物秸秆和林业剩余物中的纤维素为代表，其资源化、商品化程度低的关键原因在于提取与后加工技术的欠缺，限制了纤维素在能源、高分子、复合功能材料等领域中的应用。
到目前为止，纤维素的提取及后续功能化改性等用途的方法较为统一。通常其基本过程为经过有机溶剂提取后在酸性亚氯酸钠中脱木质素，再在碱性溶液中水解去除半纤维素即得纤维素产物。虽然上述方法技术路线成熟，但存在工艺方法复杂和水处理代价庞大等缺点。因此，如何能高效提取植物纤维素，并对其进行功能化是本领域需要解决的一个关键问题。
发明内容
本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种纤维素剥离及其功能化的方法。将含纤维素结构的生物质材料与碱金属在含有机盐的溶剂中进行超声处理，然后离心收集悬浮液即得到功能化的纤维素剥离液。本发明方法选择金属-有机盐体系实现纤维素剥离与功能化，方法简单易行，富有推广性。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的一种纤维素剥离及其功能化的方法，其特征在于，将生物质材料于含碱金属的有机盐溶剂中进行超声处理，将超声剥离后的混合物离心处理，去除未剥离的底物，收集悬浮液，即得到功能化的纤维素分散液。
所述的生物质材料为任何含纤维素结构、且经过破碎和过筛可用于剥离与功能化的材料。
所述的碱金属为钠和/或钾元素。
所述的有机盐为乙二胺四乙酸二钠、酒石酸钾钠、酒石酸钾、柠檬酸钠或柠檬酸钾中的一种或两种以上的混合物。
所述的溶剂为三乙醇胺、磷酸、硝酸或硫酸中的一种或者几种与四甲基哌啶氮氧化物、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种的混合溶剂。
所述剥离的纤维素含氨基、羟基等官能团。
所述超声的超声频率为28-45KHz，功率为460-500W，时间为0.5～3小时。优选超声频率40KHz，功率480W。
所述的离心处理，其离心转速为5000 rpm，离心时间为45 min。
本发明的纤维素剥离及其功能化的制备方法，溶剂中加入含碱金属的有机盐，在温和超声和溶剂作用下将含纤维素结构的物质直接剥离成纤维素，形成稳定的纤维素分散液并实现功能化。本发明方法与现有技术中制备纤维素的方法相比，至少具有以下优点。
（1）本发明方法加入的含碱金属有机盐对多种溶剂（包括高沸点和低沸点的溶剂）剥离纤维素都具有广效且明显的辅助增强效应，可原位制备不同溶剂体系下的纤维素分散液；有机盐消耗极少，且可反复使用。
（2）本发明方法超声剥离时间短，耗能低，制备步骤简单。
（3）本发明方法制备的纤维素富含胺基及羟基等官能团，且所得纤维素分散液相当稳定。
本发明制备的功能化的纤维素分散液在金属离子富集与分离具有潜在的利用价值，比如回收电极材料中的金属离子（镍钴锰钒等）。
附图说明
图1为本发明的实施例1剥离的纤维素的扫描电镜图。
图2为本发明的实施例2剥离的纤维素的扫描电镜图。
图3为本发明的实施例1剥离的纤维素的傅里叶转换红外光谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。
实施例1。
在体积比为1∶1的三乙醇胺与四甲基哌啶氮氧化物的混合溶剂中加入质量比为2∶1的乙二胺四乙酸二钠和200目过筛的槟榔渣的混合物，混合溶剂与混合物的质量比为2∶1，槟榔渣初始浓度为30 mg mL-1，40KHz、480W超声剥离2小时后，5000 rpm，45 min离心处理，去除未剥离开的槟榔渣，收集悬浮液即得功能化纤维素分散液。得直径约为5～10 μm的线状纤维（图1），在3333 cm-1出现羟基和功能化的胺基，在1239 cm-1处半纤维素的C-O振动减弱，而1036 cm-1处纤维素的C-O振动增强（图3），说明从槟榔渣中得到了高纯度的功能化纤维素。
实施例2。
在体积比为1∶1的磷酸与四甲基哌啶氮氧化物的混合溶剂中加入质量比为2∶1的酒石酸钠和200目过筛的槟榔渣的混合物，混合溶剂与混合物的质量比为2∶1，槟榔渣初始浓度为30 mg mL-1，40KHz、480W超声剥离2.5小时后，5000 rpm，45 min离心处理，去除未剥离开的槟榔渣，收集悬浮液即得功能化纤维素分散液。相关性能参数见表1。
实施例3。
在体积比为1∶1的硝酸与四甲基哌啶氮氧化物的混合溶剂中加入质量比为2∶1的酒石酸钾钠和200目过筛的槟榔渣的混合物，混合溶剂与混合物的质量比为2∶1，槟榔渣初始浓度为30 mg mL-1，40KHz、480W超声剥离2小时后，5000 rpm，45 min离心处理，去除未剥离开的槟榔渣，收集悬浮液即得功能化纤维素分散液。相关性能参数见表1。
实施例4。
在体积比为1∶1的硫酸与四甲基哌啶氮氧化物的混合溶剂中加入质量比为2∶1的酒石酸钾和200目过筛的槟榔渣的混合物，混合溶剂与混合物的质量比为2∶1，槟榔渣初始浓度为30 mg mL-1， 40KHz、480W超声剥离2小时后，5000 rpm、45 min离心处理，去除未剥离开的槟榔渣，收集悬浮液即得功能化纤维素分散液。相关性能参数见表1。
实施例5。
在体积比为1∶1的三乙醇胺与四甲基哌啶氮氧化物的混合溶剂中加入质量比为2∶1的柠檬酸钾和200目过筛的槟榔渣的混合物，混合溶剂与混合物的质量比为2∶1，槟榔渣初始浓度为30 mg mL-1，40KHz、480W超声剥离2小时后，5000 rpm，45 min离心处理，去除未剥离开的槟榔渣，收集悬浮液即得功能化纤维素分散液。相关性能参数见表1。
实施例6。
在体积比为1∶1的三乙醇胺与N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂中加入质量比为2∶1的乙二胺四乙酸二钠和200目过筛的槟榔渣的混合物，混合溶剂与混合物的质量比为2∶1，槟榔渣初始浓度为30 mg mL-1， 40KHz、480W超声剥离2小时后，5000 rpm、45 min离心处理，去除未剥离开的槟榔渣，收集悬浮液即得功能化纤维素分散液。相关性能参数见表1。
实施例7。
在体积比为1∶1的三乙醇胺与四甲基哌啶氮氧化物的混合溶剂中加入质量比为2∶1的乙二胺四乙酸二钠和200目过筛的芒草叶的混合物，混合溶剂与混合物的质量比为2∶1，芒草叶初始浓度为30 mg mL-1，40KHz、480W超声剥离2小时后，5000 rpm、45 min离心处理，去除未剥离开的芒草叶，收集悬浮液即得功能化纤维素分散液，富含胺基和羟基基团（图3）。相关性能参数见表1。
实施例8。
在体积比为1∶1的三乙醇胺与四甲基哌啶氮氧化物的混合溶剂中加入质量比为2∶1的乙二胺四乙酸二钠和200目过筛的南荻叶的混合物，混合溶剂与混合物的质量比为2∶1，南荻叶初始浓度为30 mg mL-1， 40KHz、480W超声剥离2.5小时后，5000 rpm，45 min离心处理，去除未剥离开的南荻叶，收集悬浮液即得功能化纤维素分散液，富含胺基和羟基基团（图3）。相关性能参数见表1。
实施例9。
在体积比为1∶1的三乙醇胺与四甲基哌啶氮氧化物的混合溶剂中加入质量比为2∶1的乙二胺四乙酸二钠和200目过筛的玉米苞叶的混合物，混合溶剂与混合物的质量比为2∶1，玉米苞叶初始浓度为30 mg mL-1， 40KHz、480W超声剥离1小时后，5000 rpm，45 min离心处理，去除未剥离开的玉米苞叶，收集悬浮液即得功能化纤维素分散液，富含胺基和羟基基团（图3）。相关性能参数见表1。
表1. 所得剥离纤维素的相关性能参数。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求或等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (2)

1.一种纤维素剥离及其功能化的方法，其特征在于，将生物质材料于含碱金属的有机盐溶剂中进行超声处理，将超声剥离后的混合物离心处理，去除未剥离的底物，收集悬浮液，得到功能化的纤维素分散液；
所述的生物质材料为任何含纤维素结构、且经过破碎和过筛可用于剥离与功能化的材料；
所述的碱金属为钠和/或钾元素；
所述的有机盐为乙二胺四乙酸二钠、酒石酸钾钠、酒石酸钾、柠檬酸钠或柠檬酸钾中的一种或两种以上的混合物；
所述的溶剂为三乙醇胺、磷酸、硝酸或硫酸中的一种或者几种与四甲基哌啶氮氧化物、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种的混合溶剂；
所述超声的超声频率为28-45KHz，功率为460-500W，时间为0.5～3小时；
所述的离心处理，其离心转速为5000 rpm，离心时间为45 min。
2.根据权利要求1所述的一种纤维素剥离及其功能化的方法，其特征在于，所述超声的超声频率40KHz，功率480W。
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