CN112482070B - 一种低结晶度纳米纤维素的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低结晶度纳米纤维素的制备方法，属于天然高分子应用领域。本发明所述的制备方法，包括如下步骤：(1)用有机试剂溶胀纳米纤维素；(2)将纳米纤维素悬浮液和混合溶剂混合在室温下进行处理；加过量不良溶剂终止处理过程，结束之后离心、纯化，经干燥后得到低结晶度纳米纤维素(粉末)；其中所述的有机试剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜中的一种或几种；所述的混合溶剂为四丁基氢氧化铵TBAH的水溶液；TBAH/有机试剂/H2O的体积比为3～10︰110︰4.5～15。本发明得到的纳米纤维素结晶度可控、流变性能优良、稳定性好，可以在食品乳化剂等领域广泛应用；而且本发明的方法简单可行，易于操作。

Description

一种低结晶度纳米纤维素的制备方法
技术领域
本发明涉及一种低结晶度纳米纤维素的制备方法，属于天然高分子应用领域。
背景技术
纳米纤维素由于具有质轻、可降解、优异的机械性能、大的比表面积、生物相容和可再生等特性，因而被广泛应用于造纸、包装、食品、化妆品以及医学等领域。近年来，随着新的溶剂体系的开发和应用，按需求制备可控的具有不同机械性能、热稳定性、阻隔性能、流变性能和光学特性的纳米纤维素成为可能。
目前纳米纤维素的制备方法主要有化学降解法(酸解)、生物降解法(酶解)、机械降解法(采用球磨和高压均质分散等)，或是上述制备方法的组合；而市售的纳米纤维素主要有纤维素纳米微晶(CNC)和纳米微纤纤维素(NFC)两种，两者主要的区别在于长径比不同。但尽管制备方法和种类有所差别，得到的纳米纤维素的典型特征均是高结晶度。
众所周知，纳米纤维素的高结晶度赋予了其许多优良性能如高强、高模量和耐热性等，但任何事物均有两面性。纳米纤维素表面羟基的存在，使得其具有一定的极性，这样其与非极性材料(聚烯烃)等相容性较差；但由于氢键作用和高结晶的束缚作用，使得羟基的反应可及度不高，其与中等极性材料(PMMA)的相容性也是有限的，所以采用纳米纤维素作为高分子材料的增强剂时，往往需要改性，以提高其与基体的相容性。此外纤维素的高结晶度还使得其阻止酶和小分子的渗透，限制了其酶和化学反应活性。
近年来，采用溶解再生法制备非晶纤维素的研究和应用逐渐增多，主要是利用纤维素溶解再生的过程中，通过控制温度、时间等因素，使得纤维素来不及重新结晶而得到非晶纤维素。这种非晶纤维素的羟基反应可及度高；其无定形区域很容易穿透，可以与各种反应物相互作用；这些无定形区域也可引起各种不规则现象，如扭曲或空隙，可增加纤维素纤维的总表面积。目前其主要应用领域为提高纤维素酶解制备葡萄糖的产率；用作Pickering乳液的高效稳定剂；以及与PMMA有良好相容性的增强剂等。但目前文献中关于纳米尺寸的非晶或低结晶度纤维素的制备与应用尚未见到。
发明内容
为了解决上述至少一个问题，本发明提供了一种低结晶度纳米纤维素的制备方法，通过调整溶剂的种类、溶剂用量、溶解与再生的时间和温度等因素，得到了不同结晶度的纳米纤维素，进而可以调整其羟基反应可及度等特性，为进一步拓宽纳米纤维素的应用领域提供了可能性。本发明得到的纳米纤维素结晶度可控、流变性能优良、稳定性好，可以在食品、增强剂、乳化剂等领域广泛应用；而且本发明的方法简单可行，易于操作。
本发明的第一个目的是提供一种制备低结晶度纳米纤维素的方法，包括如下步骤:
(1)用有机试剂溶胀纳米纤维素，得到纳米纤维素/有机试剂悬浮液；
(2)将步骤(1)中的纳米纤维素/有机试剂悬浮液和混合溶剂混合进行处理；加过量不良溶剂终止处理过程，结束之后离心、纯化、干燥，得到低结晶度纳米纤维素(粉末)。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的有机试剂为二甲基甲酰胺DMF、二甲基乙酰胺DMAc、二甲基亚砜DMSO中的一种或几种。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的纳米纤维素为植物、细菌、动物纤维素或微晶纤维素中的一种或几种通过酸水解、纤维素酶酶解或机械降解法制备得到的纳米纤维素。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的纳米纤维素与有机试剂的质量比为1︰(100～150)，溶胀温度为室温(20～30℃)，溶胀时间为1～4h。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的混合溶剂为四丁基氢氧化铵TBAH的水溶液。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中TBAH/有机试剂/H2O的体积比为(3～10)︰110︰(4.5～15)，进一步优选为5︰110︰7.5。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的处理条件为室温20～30℃，搅拌速度为300～800r/min，处理时间为1～6h。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的干燥包括冷冻干燥、喷雾干燥和超临界干燥。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)所述的不良溶剂是甲醇、丙酮中的一种或两种。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)经过纯化的低结晶度纳米纤维素经过超声分散在水中形成低结晶度纳米纤维素水悬浮液；之后经过干燥得到低结晶度纳米纤维素粉末。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中的溶胀是将得到的酸解纳米纤维素悬浮液进行溶剂置换，得到纳米纤维素/有机试剂悬浮液。
本发明的第二个目的是本发明所述的方法制备得到的低结晶度纳米纤维素粉末。
本发明的第三个目的是本发明所述的低结晶度纳米纤维素在造纸、材料、包装、食品、化妆品以及医学领域中的应用。
在本发明的一种实施方式中，所述的应用是将本发明所述的低结晶度纳米纤维素作为天然乳化剂应用在食品领域。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用的方法操作简单，通过简单的溶剂共混，在室温下即可进行。
(2)本发明经预处理制备出的低结晶度纳米纤维素产率高，不发生降解，几乎无质量损失。
(3)本发明利用TBAH/DMSO(DMAc或DMF)/H2O混合溶剂对纳米纤维素进行预处理，通过溶剂的溶解作用破坏纤维素链间的氢键，使得更多活性基团暴露在纤维素表面，提高了纳米纤维素的可及度和反应活性。较预处理前，预处理后的低结晶度纳米纤维素在水中仍保持稳定的分散性(Zeta绝对值大于30mV)，流变性能大大提升，黏度从0.3Pa·s提高到2500Pa·s(悬浮液固含为2wt％，剪切速率为0.01s-1)，为后期应用于食品乳化剂等方面提供了很好的技术支持。
附图说明
图1为对照例1中纳米纤维素和实施例1、2中低结晶度纳米纤维素的傅立叶红外光谱(FT-IR)图。
图2为对照例1中纳米纤维素和实施例1、2中低结晶度纳米纤维素的X衍射图谱。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。
测试方法
1、结晶度测试：X射线衍射分析：在德国Bruker AXS公司的D8 Advance型X-射线衍射仪上进行，结晶度CI由公式(1)计算。
CI＝[(I200-Iam)/I200]×100％ (1)
其中I200是2θ＝22.5°处的衍射峰强度，它反映了纤维素的结晶部分；Iam是2θ＝18°处的衍射峰强度，它反映了纤维素的无定型区。
2、流变性能测试：采用美国TA仪器公司的Discovery DHR-2型旋转流变仪测定纳米纤维素悬浮液的流变学行为，选用d＝25mm平板，设定Gap值为0.25mm。黏度测量：剪切速率为0.01-100s-1。
3、稳定性能测试：将悬浮液稀释至0.25％，使用Brookhaven公司(USA)的ZetaPALS型粒度及电位分析仪对纳米纤维素悬浮液进行测试，每组试样重复3次，温度为25℃。
4、红外性能测试：将样品放入真空烘箱中进行干燥处理，随后采用KBr压片法，将样品研磨成粉末压片，用FTLA2000型傅里叶红外光谱仪测试，扫描参数设置波长为650～4000cm-1，分辨率为4cm-1。
实施例1
一种制备低结晶度纳米纤维素的方法，包括如下步骤:
(1)将4g微晶纤维素加入100g的64％硫酸溶液中，在油浴锅45℃下反应45min，搅拌速度为400r/min，反应结束后使用高速离心机通过水交换/离心循环除去大量的酸，再将得到的悬浮液用去离子水进行透析，直到pH为6～7，得到纳米纤维素悬浮液(固含量为1～3wt％)；将得到的纳米纤维素悬浮液进行溶剂置换，得到纳米纤维素DMSO悬浮液；其中纳米纤维素与DMSO的质量比为1︰110，在室温下溶胀4h，搅拌速度为400r/min；
(2)将步骤(1)得到的纳米纤维素DMSO悬浮液和质量分数为40％的TBAH水溶液混合进行处理；其中TBAH/DMSO/H2O的体积比为5︰110︰7.5，在室温下处理4h，搅拌速度为400r/min；之后加过量甲醇终止处理过程，结束之后离心、纯化，经超声分散后得到低结晶度纳米纤维素水悬浮液；
(3)将步骤(2)得到的低结晶度纳米纤维素水悬浮液经过冷冻干燥(零下30～40℃干燥3天)，得到低结晶度纳米纤维素粉末。
实施例2
调整实施例1中TBAH/DMSO/H2O的体积比如表1，其他和实施例1保持一致，得到低结晶度纳米纤维素水悬浮液和低结晶度纳米纤维素粉末。
将得到的低结晶度纳米纤维素水悬浮液和低结晶度纳米纤维素粉末进行性能测试，测试结果如下表1：
表1实施例2的测试结果
TBAH/DMSO/H<sub>2</sub>O的体积比 结晶度(％) 表观黏度(Pa·s) Zeta电位(mV)
3︰110︰4.5 70 50 -45
4︰110︰6 50 800 -40
5︰110︰7.5(实施例1) 20 2500 -38
注：表观黏度是悬浮液固含为2wt％，剪切速率0.01s-1下的表观黏度。
实施例3
调整实施例1中有机试剂为DMSO为DMF、DMAc，其他和实施例1保持一致，得到低结晶度纳米纤维素。
将得到的低结晶度纳米纤维素水悬浮液和低结晶度纳米纤维素粉末进行性能测试，测试结果如下表2:
表2实施例3的测试数据
混合溶剂 结晶度(％) 表观黏度(Pa·s) Zeta电位(mV)
TBAH/DMF/H<sub>2</sub>O 50 800 -40
TBAH/DMAc/H<sub>2</sub>O 40 1500 -38
TBAH/DMSO/H<sub>2</sub>O(实施例1) 20 2500 -38
注：表观黏度是悬浮液固含为2wt％，剪切速率0.01s-1下的表观黏度。
实施例4
一种制备低结晶度纳米纤维素的方法，包括如下步骤:
(1)将4g微晶纤维素加入100mL 8mol/L盐酸溶液中，在油浴锅110℃下反应4h，搅拌速度为400r/min，反应结束后使用高速离心机通过水交换/离心循环除去大量的酸，再将得到的悬浮液用去离子水进行透析，直到pH为6～7，得到纳米纤维素悬浮液(固含量为1～3wt％)，将得到的纳米纤维素悬浮液进行溶剂置换，得到纳米纤维素DMSO悬浮液；其中纳米纤维素与DMSO的质量比为1︰110，在室温下溶胀4h，搅拌速度为400r/min；
(2)将步骤(1)得到的纳米纤维素DMSO悬浮液和质量分数为40％的TBAH水溶液混合进行处理，TBAH/DMSO/H2O的体积比为5︰110︰7.5，在室温下处理4h，搅拌速度为400r/min；之后加过量甲醇终止处理过程，结束之后离心、纯化，超声分散后得到低结晶度纳米纤维素水悬浮液；
(3)将步骤(2)得到的低结晶度纳米纤维素水悬浮液经过冷冻干燥(零下30-40℃干燥3天)，得到低结晶度纳米纤维素粉末。
实施例5
一种制备低结晶度纳米纤维素的方法，包括如下步骤:
(1)将4g微晶纤维素加入100mL盐酸/硝酸的混合溶液(盐酸溶液和硝酸溶液的体积比为3︰2，盐酸和硝酸溶液的浓度均为4mol/L)中，在油浴锅110℃下反应4h，搅拌速度为400r/min，反应结束后使用高速离心机通过水交换/离心循环除去大量的酸，再将得到的悬浮液用去离子水进行透析，直到pH为6～7，得到羧基化纳米纤维素悬浮液(固含量为1～3wt％)，将得到的羧基化纳米纤维素悬浮液进行溶剂置换，得到羧基化纳米纤维素DMSO悬浮液；其中羧基化纳米纤维素与DMSO的质量比为1︰110，在室温下溶胀4h，搅拌速度为400r/min；
(2)将步骤(1)的得到的羧基化纳米纤维素DMSO悬浮液和质量分数为40％的TBAH水溶液混合(TBAH/DMSO/H2O的体积比为5︰110︰7.5，羧基化纳米纤维素与DMSO的质量比为1︰110)，在室温下处理4h，搅拌速度为400r/min；之后加过量甲醇终止处理过程，结束之后离心、纯化，得到低结晶度纳米纤维素水悬浮液；
(3)将步骤(2)得到的低结晶度纳米纤维素水悬浮液经过冷冻干燥(零下30～40℃干燥3天)，得到低结晶度纳米纤维素粉末。
将实施例4、5得到的低结晶度纳米纤维素水悬浮液和低结晶度纳米纤维素粉末进行性能测试，测试结果如下表3：
表3实施例4和实施例5的测试结果
例 结晶度(％) 表观黏度(Pa·s) Zeta电位(mV)
实施例4 21 2500 -10
实施例5 22 2600 -39
注：表观黏度是悬浮液固含为2wt％，剪切速率0.01s-1下的表观黏度。
对照例1
将4g微晶纤维素加入100g的64％硫酸溶液中，在油浴锅45℃下反应45min，搅拌速度为400r/min，反应结束后使用高速离心机通过水交换/离心循环除去大量的酸，再将得到的悬浮液用去离子水进行透析，直到pH为6～7，得到纳米纤维素水悬浮液；之后纳米纤维素水悬浮液经过冷冻干燥(零下30～40℃干燥3天)，得到纳米纤维素粉末。
对照例2
将4g微晶纤维素加入100mL8mol/L盐酸溶液中，在油浴锅110℃下反应4h，搅拌速度为400r/min，反应结束后使用高速离心机通过水交换/离心循环除去大量的酸，再将得到的悬浮液用去离子水进行透析，直到pH为6～7，得到纳米纤维素水悬浮液；之后纳米纤维素水悬浮液经过冷冻干燥(零下30-40℃干燥3天)，得到纳米纤维素粉末。
对照例3
将4g微晶纤维素加入100mL盐酸/硝酸的混合溶液(盐酸溶液和硝酸溶液的体积比为3:2，盐酸和硝酸溶液的浓度均为4mol/L)中，在油浴锅110℃下反应4h，搅拌速度为400r/min，反应结束后使用高速离心机通过水交换/离心循环除去大量的酸，再将得到的悬浮液用去离子水进行透析，直到pH为6～7，得到羧基化纳米纤维素水悬浮液；之后羧基化纳米纤维素水悬浮液经过冷冻干燥(零下30～40℃干燥3天)，得到羧基化纳米纤维素粉末。
将得到的(羧基化)纳米纤维素水悬浮液和(羧基化)纳米纤维素粉末进行性能测试，测试结果如下表4：
表4对照例1～3的测试结果
例 结晶度(％) 表观黏度(pa·s) Zeta电位(mV)
对照例1 90 0.5 -54
对照例2 91 3 -20
对照例3 90 1 -55
注：表观黏度是悬浮液固含为2wt％，剪切速率0.01s-1下的表观黏度。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (5)

1.一种制备低结晶度纳米纤维素的方法，其特征在于，包括如下步骤:
(1)用有机试剂溶胀纳米纤维素，得到纳米纤维素悬浮液；
(2)将步骤(1)中的纳米纤维素悬浮液和混合溶剂混合进行处理；加过量不良溶剂终止处理过程，结束之后离心、纯化、干燥，得到低结晶度纳米纤维素；
其中，步骤(1)所述的有机试剂为二甲基亚砜DMSO；
步骤(1)所述的溶胀温度为20～30℃，溶胀时间为1～4h；
步骤(2)所述的混合溶剂为四丁基氢氧化铵TBAH的水溶液；
步骤(2)中TBAH/有机试剂/H2O的体积比为5︰110︰7.5；
步骤(2)所述的处理条件为20～30℃，搅拌速度为300～800r/min，处理时间为1～6h。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述的纳米纤维素与有机试剂的质量比为1︰(100～150)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述的不良溶剂是甲醇、丙酮中的一种或两种。
4.权利要求1～3任一项所述的方法制备得到的低结晶度纳米纤维素。
5.权利要求4所述的低结晶度纳米纤维素在造纸、包装、食品、材料、化妆品以及医学领域中的应用。
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