CN115538220B - 一种双醛纤维素纳米纤丝的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双醛纤维素纳米纤丝的制备方法及应用。本发明以ZnCl2溶液作为反应介质，在温和条件下，用NaIO4选择性氧化CNF得到双醛纤维素纳米纤丝，其醛基含量为2.5~6 mmol/g，得率可以达到97%以上；通过将双醛纤维素纳米纤丝添加进入混合废纸浆料，经过抄片、压榨、烘干得到育果套袋纸。本发明制备方法独特，工艺较为简单，反应条件较为温和，速度快，ZnCl2溶液作为反应介质成本低廉，易于回收；双醛纤维素纳米纤丝应用于育果套袋纸，可提高纸页内部三维网络结构强度，能较大地提升育果套袋纸的干湿抗张指数，具有较大的实际应用潜力。

Description

一种双醛纤维素纳米纤丝的制备方法及应用
技术领域
本发明属于育果袋纸领域，具体涉及一种双醛纤维素纳米纤丝的制备方法及应用。
背景技术
纤维素纳米纤丝(CNF)是一种生物质基纳米材料，具有机械强度高、比表面积大、长径比大、阻隔性好、可生物降解等优点。高碘酸盐氧化是一种高度选择性的立体特异性反应，它可打破纤维素葡萄糖重复单元中的C2-C3键，促使这两个位点形成两个相邻的醛基。CNF经高碘酸盐氧化后得到具有高表面反应活性的双醛纤维素纳米纤丝，其在各种大分子功能材料上有着广阔的应用前景，可用于生物、医药、纺织、造纸、环境保护等领域。双醛纤维素纳米纤丝添加进纸浆中，可以在纸张成形过程中增加氢键结合的同时与纤维上的羟基反应形成半缩醛或者缩醛，提高纸张机械性能，双醛纤维素纳米纤丝也可以提高其他造纸助剂的留着。
纤维素分子之间存在的大量氢键限制了其在所有常见溶剂中的溶解性，反应性低，特别是具有高结晶度的CNF，由于其本身的致密结构，反应物对CNF的可及度较为有限，改性的难度较大。高碘酸盐氧化通常在水中进行，由于CNF的反应性较低，必须使用大量高碘酸盐和较长的氧化时间才能获得高醛含量的双醛纤维素纳米纤丝，然而这会降低氧化效率，并产生大量含碘副产物。现有的CNF高碘酸钠(NaIO4)氧化方法效率低、能耗大，所得双醛纤维素纳米纤丝醛基含量较低，应用范围有限。
育果套袋纸是在水果生产过程中对其实施保护的一种高附加值农业技术用纸。优良的干湿抗张强度，特别是较强的湿抗张强度能够有效提高育果套袋纸在下雨或潮湿环境中的使用稳定性，有效延长育果套袋纸的使用寿命，能够更有效地对水果起到保护作用。湿抗张强度依赖湿强剂的使用，但传统湿强剂在使用过程中可能存在一些问题，例如，脲醛树脂和三聚氰胺甲醛树脂可能释放游离甲醛，聚酰胺环氧氯丙烷树脂可能释放可吸收有机卤素。国内许多厂家为追求高湿强度，在生产中使用大量传统湿强剂，易产生污染物质，且育果套袋纸难以回收利用。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种双醛纤维素纳米纤丝的制备方法及其在育果套袋纸中的应用，以解决纤维素纳米纤丝双醛氧化改性的技术问题、育果套袋纸的强度问题以及使用过程中污染物质释放问题。
本发明通过如下技术方案实现：
本发明的一方面提供一种双醛纤维素纳米纤丝的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)：将ZnCl2加入去离子水中充分溶解，再将CNF充分分散于ZnCl2溶液中得到混合悬浮液。
步骤(2)：将步骤(1)所得混合悬浮液加热至40～60℃，并用稀盐酸调节pH为4～5，再加入一定量NaIO4，用铝箔纸进行包覆遮光处理，维持悬浮液温度不变，在200r/min的转速下反应，得到双醛纤维素纳米纤丝悬浮液。
步骤(3)：将步骤(2)所得悬浮液通过砂芯漏斗，以孔径为0.45μm的滤膜进行固液分离，并用去离子水充分洗涤以除去残留的ZnCl2和NaIO4，经冷冻干燥后粉碎得到双醛纤维素纳米纤丝。
本发明的另一方面提供了上述制备所得的双醛纤维素纳米纤丝在育果套袋纸中的应用，具体是：
将混合废纸均匀分散并打浆，依次加入硫酸铝、阳离子中性松香分散胶、蜡乳液、双醛纤维素纳米纤维，加料过程维持搅拌速度800r/min，加料间隔搅拌2min，得到育果套袋纸浆料。
育果套袋纸浆料经纸页成形器成形，在5bar的压力下压榨10min，在80℃下烘干10min，得到育果套袋纸。
进一步的，步骤(1)中的CNF为MCC通过机械法高压均质得到，长度为0.9～1.3μm，CNF以1wt％悬浮液形式添加，混合悬浮液中绝干CNF与去离子水的质量比为1∶250，ZnCl2的浓度为0.10～0.30mol/L，优选为0.22mol/L。
进一步的，步骤(2)CNF与NaIO4的质量比为1∶(1.5～3)，反应时间为1.5～2h。
进一步的，所述混合废纸浆为牛卡纸、印花纸和报纸的混合物，打浆度为60～65°SR，浆浓为0.2wt％。混合废纸浆、硫酸铝、阳离子中性松香分散胶、蜡乳液的质量比为100:4:1.5:3；所述双醛纤维素纳米纤维占混合废纸浆含量的1～5wt％。
本发明的有益效果：
本发明的氧化反应在ZnCl2水溶液中发生，ZnCl2可以有效打开CNF分子内的氢键，提高反应速度和氧化效率，使CNF分子链上获得更多的醛基，降低反应对NaIO4浓度的要求；且ZnCl2成本低廉，易于回收再利用，整个制备过程工艺简单，反应条件温和，速度快，所得双醛纤维素纳米纤丝醛基含量为2.5～6mmol/g，得率在97％以上，添加ZnCl2的氧化反应相比于未添加的，醛基含量可以提高310％。
本发明的双醛纤维素纳米纤丝应用于育果套袋纸中，可以增加纸页结构中的网络交联，有效提高育果套袋纸的干湿抗张强度，提升育果套袋纸的抗水性能，相比于未添加双醛纤维素纳米纤丝的育果套袋纸，其干抗张指数可提高12％，湿抗张指数可提高190％，通过双醛纤维素纳米纤丝增加湿强的育果套袋纸在使用后更易于废纸回收利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明中实施例3条件下，不同金属盐条件下双醛纤维素纳米纤丝醛基含量图，NaCl、LiCl、MgCl2、CaCl2的添加量与ZnCl2的摩尔数相同，ZnCl2组醛基含量显著高于未添加金属盐和其他金属盐组，说明ZnCl2对于提升CNF的氧化效果具有其他金属盐所不具备的明显作用；
图2为本发明中CNF、实施例3条件下未添加ZnCl2氧化得到的双醛纤维素纳米纤丝以及添加ZnCl2氧化得到的双醛纤维素纳米纤丝的红外光谱图；
图3为本发明中实施例3～7以及对比例1所制得的育果套袋纸的干抗张指数和湿抗张指数趋势图，图中用来检测的育果袋纸定量均为48g/m2。
具体实施方式
实施例1
将ZnCl2加入去离子水中充分溶解，再将含1份绝干CNF的1wt％悬浮液充分分散于ZnCl2溶液中得到混合悬浮液。混合悬浮液中绝干CNF与去离子水的质量比为1∶250，ZnCl2的浓度为0.22mol/L。将混合悬浮液加热至45℃，并用稀盐酸调节pH为4。加入2份NaIO4，用铝箔纸进行包覆遮光处理，维持悬浮液温度不变，在200r/min的转速下反应2h，得到双醛纤维素纳米纤丝悬浮液。将所得悬浮液通过砂芯漏斗，以孔径为0.45μm的滤膜进行固液分离，并用去离子水充分洗涤以除去残留的ZnCl2和NaIO4，经冷冻干燥后粉碎得到醛基含量为5.890mmol/g的双醛纤维素纳米纤丝。
将100份混合废纸均匀分散，并打浆到60°SR，控制浆浓为0.2wt％，依次加入4份硫酸铝、1.5份阳离子中性松香分散胶、3份蜡乳液、1份双醛纤维素纳米纤丝，加料过程维持搅拌速度800r/min，加料间隔搅拌2min，得到育果套袋纸浆料。育果套袋纸浆料经湿部成形，在5bar的压力下压榨10min，在80℃下烘干10min，得到育果套袋纸。
实施例2
将ZnCl2加入去离子水中充分溶解，再将含1份绝干CNF的1wt％悬浮液充分分散于ZnCl2溶液中得到混合悬浮液。混合悬浮液中绝干CNF与去离子水的质量比为1∶250，ZnCl2的浓度为0.30mol/L。将混合悬浮液加热至60℃，并用稀盐酸调节pH为4.5。加入3份NaIO4，用铝箔纸进行包覆遮光处理，维持悬浮液温度不变，在200r/min的转速下反应1.8h，得到双醛纤维素纳米纤丝悬浮液。将所得悬浮液通过砂芯漏斗，以孔径为0.45μm的滤膜进行固液分离，并用去离子水充分洗涤，经冷冻干燥后粉碎得到醛基含量为4.093mmol/g的双醛纤维素纳米纤丝。
将100份混合废纸均匀分散，并打浆到62°SR，控制浆浓为0.2wt％，依次加入4份硫酸铝、1.5份阳离子中性松香分散胶、3份蜡乳液、1份双醛纤维素纳米纤丝，加料过程维持搅拌速度800r/min，加料间隔搅拌2min，得到育果套袋纸浆料。育果套袋纸浆料经湿部成形，在5bar的压力下压榨10min，在80℃下烘干10min，得到育果套袋纸。
实施例3
将ZnCl2加入去离子水中充分溶解，再将含1份绝干CNF的1wt％悬浮液充分分散于ZnCl2溶液中得到混合悬浮液。混合悬浮液中绝干CNF与去离子水的质量比为1∶250，ZnCl2的浓度为0.10mol/L。将混合悬浮液加热至40℃，并用稀盐酸调节pH为5。加入1.5份NaIO4，用铝箔纸进行包覆遮光处理，维持悬浮液温度不变，在200r/min的转速下反应1.5h，得到双醛纤维素纳米纤丝悬浮液。将所得悬浮液通过砂芯漏斗，以孔径为0.45μm的滤膜进行固液分离，并用去离子水充分洗涤，经冷冻干燥后粉碎得到醛基含量为2.561mmol/g的双醛纤维素纳米纤丝。本实施例条件下，使用不同金属盐制得的双醛纤维素纳米纤丝醛基含量如图1所示；CNF、本实施例条件下未添加ZnCl2氧化得到的双醛纤维素纳米纤丝以及本实施例所制得的双醛纤维素纳米纤丝的红外光谱图如图2所示。
将100份混合废纸均匀分散，并打浆到65°SR，控制浆浓为0.2wt％，依次加入4份硫酸铝、1.5份阳离子中性松香分散胶、3份蜡乳液、1份双醛纤维素纳米纤丝，加料过程维持搅拌速度800r/min，加料间隔搅拌2min，得到育果套袋纸浆料。育果套袋纸浆料经湿部成形，在5bar的压力下压榨10min，在80℃下烘干10min，得到育果套袋纸。所制得的育果套袋纸的干湿抗张指数如图3所示，干抗张指数为50.75N·m/g，湿抗张指数为7.13N·m/g。
实施例4
本实施例将实施例3所制备的双醛纤维素纳米纤丝应用于育果套袋纸中：
将100份混合废纸均匀分散，并打浆到60°SR，控制浆浓为0.2wt％，依次加入4份硫酸铝、1.5份阳离子中性松香分散胶、3份蜡乳液、2份双醛纤维素纳米纤丝，加料过程维持搅拌速度800r/min，加料间隔搅拌2min，得到育果套袋纸浆料。育果套袋纸浆料经湿部成形，在5bar的压榨压力下压榨10min，在80℃下烘干10min，得到育果套袋纸。所制得的育果套袋纸的干湿抗张指数如图3所示，干抗张指数为51.52N·m/g，湿抗张指数为7.75N·m/g。
实施例5
本实施例将实施例3所制备的双醛纤维素纳米纤丝应用于育果套袋纸中：
将100份混合废纸均匀分散，并打浆到60°SR，控制浆浓为0.2wt％，依次加入4份硫酸铝、1.5份阳离子中性松香分散胶、3份蜡乳液、3份双醛纤维素纳米纤丝，加料过程维持搅拌速度800r/min，加料间隔搅拌2min，得到育果套袋纸浆料。育果套袋纸浆料经湿部成形，在5bar的压力下压榨10min，在80℃下烘干10min，得到育果套袋纸。所制得的育果套袋纸的干湿抗张指数如图3所示，干抗张指数为52.38N·m/g，湿抗张指数为8.23N·m/g。
实施例6
本实施例将实施例3所制备的双醛纤维素纳米纤丝应用于育果套袋纸中：
将100份混合废纸均匀分散，并打浆到60°SR，控制浆浓为0.2wt％，依次加入4份硫酸铝、1.5份阳离子中性松香分散胶、3份蜡乳液、4份双醛纤维素纳米纤丝，加料过程维持搅拌速度800r/min，加料间隔搅拌2min，得到育果套袋纸浆料。育果套袋纸浆料经湿部成形，在5bar的压力下压榨10min，在80℃下烘干10min，得到育果套袋纸。所制得的育果套袋纸的干湿抗张指数如图3所示，干抗张指数为52.56N·m/g，湿抗张指数为8.64N·m/g。
实施例7
本实施例将实施例3所制备的双醛纤维素纳米纤丝应用于育果套袋纸中：
将100份混合废纸均匀分散，并打浆到60°SR，控制浆浓为0.2wt％，依次加入4份硫酸铝、1.5份阳离子中性松香分散胶、3份蜡乳液、5份双醛纤维素纳米纤丝，加料过程维持搅拌速度800r/min，加料间隔搅拌2min，得到育果套袋纸浆料。育果套袋纸浆料经湿部成形，在5bar的压力下压榨10min，在80℃下烘干10min，得到育果套袋纸。所制得的育果套袋纸的干湿抗张指数如图3所示，干抗张指数为53.24N·m/g，湿抗张指数为8.96N·m/g。
对比例1
将100份混合废纸均匀分散，并打浆到60°SR，控制浆浓为0.2wt％，依次加入4份硫酸铝、1.5份阳离子中性松香分散胶、3份蜡乳液，加料过程维持搅拌速度800r/min，加料间隔搅拌2min，得到育果套袋纸浆料。育果套袋纸浆料经湿部成形，在5bar的压力下压榨10min，在80℃下烘干10min，得到育果套袋纸。所制得的育果套袋纸的干湿抗张指数如图3所示，干抗张指数为47.50N·m/g，湿抗张指数为3.08N·m/g。
实施例1～3中所制得的双醛纤维素纳米纤丝的醛基含量通过盐酸羟胺-酸碱滴定法测定，具体实验步骤如下：
称取一定质量(绝干0.02g左右)的本例制备的双醛纤维素纳米纤丝(冻干固体或者悬浮液)于烧杯中，盐酸羟胺加入25mL去离子水，用0.1mol/L HCl调节pH在3左右，浸泡至pH不再发生变化(常温3h以上，冻干样品需充分分散，直到出现无明显大颗粒)，用0.1mol/LHCl或0.1mol/L NaOH准确调节pH＝3.5。加入5mL的盐酸羟胺溶液(0.05mol/L)于40℃下反应4h。最后用0.1mol/L NaOH将溶液滴定至pH＝3.5，记录消耗的NaOH溶液的体积。醛基含量计算公式为：
其中W为醛基含量(mmol/g)，C为NaOH溶液的准确浓度(mol/L)，V为最后一步所消耗的NaOH溶液体积(μL)，M为样品绝干质量(g)。
另外，以上实施例不以任何形式限制本发明。本领域技术人员可在本发明的基础上对其作各种修改和改进。因此，凡在不偏离本发明精神的基础上所做的任何修改或改进，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种双醛纤维素纳米纤丝的制备方法，其特征包括以下步骤：
步骤（1）：将ZnCl2加入去离子水中充分溶解，再将CNF充分分散于ZnCl2溶液中得到混合悬浮液；
步骤（2）：将步骤（1）所得的悬浮液加热至40~60℃，并用稀盐酸调节pH为4~5，再加入一定量的NaIO4，用铝箔纸进行包覆遮光处理，维持悬浮液温度不变，在搅拌条件下反应，得到双醛纤维素纳米纤丝悬浮液；
步骤（3）：将步骤（2）所得悬浮液通过砂芯漏斗进行固液分离，并用去离子水充分洗涤以除去残留的ZnCl2和NaIO4，经冷冻干燥后粉碎得到双醛纤维素纳米纤丝；
步骤（1）中的CNF为MCC通过机械法高压均质得到，长度为0.9~1.3 μm，CNF以1wt%悬浮液形式添加，混合悬浮液中绝干CNF与去离子水的质量比为1∶250， ZnCl2的浓度为0.10~0.30 mol/L。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）绝干CNF与NaIO4的质量比为1∶(1.5~3)，反应时间为1.5~2 h。
3.一种权利要求1至2中任一项所述方法制备得到的双醛纤维素纳米纤丝在育果套袋纸中的应用。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：
将混合废纸均匀分散并打浆，按照顺序分别加入硫酸铝、阳离子中性松香分散胶、蜡乳液、双醛纤维素纳米纤丝，加料过程维持搅拌速度800 r/min，加料间隔搅拌2 min，得到育果套袋纸浆料；
将育果套袋纸浆料经纸页成形器成形，在5 bar的压力下压榨10 min，在80℃下烘干10min，得到育果套袋纸。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：混合废纸浆为牛卡纸、印花纸和报纸的混合物，打浆度为60~65 SR°，浆浓为0.2 wt%；混合废纸浆、硫酸铝、阳离子中性松香分散胶、蜡乳液的质量比为100∶4∶1.5∶3，双醛纤维素纳米纤丝占混合废纸浆含量的1~5 wt%。
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Dialdehyde cellulose microfibers generated from wood pulp by milling-induced periodate oxidation;Juho Sirvio et al.;;carbohydrate polymers(第86期);260-265 *
Ultrafast improvement of cellulose accessibility via non-dissoving pretreatment with LiBr·3H2O under room temperature;Zhonglei Huang et al.,;carbohydrate polymers(第284期);119180 *

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CN115538220A (zh) 2022-12-30

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