CN116535528A - 一种阳离子纳米纤维素及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种阳离子纳米纤维素及其制备方法和应用。其中，该阳离子纳米纤维素的制备方法，包括如下步骤：在碱性溶液存在的条件下，将纤维素原料与阳离子醚化剂于室温下共同研磨。本制备方法的制备过程简单，不需要使用危险化学品进行苛刻的制浆和漂白过程，且能大量保留木质素，赋予纳米纤维素新的性能，例如降低亲水性和提供额外的热稳定性。直接由天然植物而不是纯化后的植物纤维生产的纳米纤维素，可以提高纳米纤维的材料特性。
Description
技术领域
本发明涉及纳米纤维素材料领域。更具体地，涉及一种阳离子纳米纤维素及其制备方法和应用。
背景技术
随着人们环保意识的提高，使用可降解材料或天然材料来替代石油基材料得到了学术界和工业界的广泛的重视和研究。纤维素，作为地球上储量最丰富的天然高分子材料，具有可再生、可持续、可降解、生物相容性及无毒等优点，成为了研究的焦点。纳米纤维素，包括纤维素纳米纤维，纤维素纳米晶和纤维素纳米片是具有高价值应用前景的纤维素材料。其具有高比表面积、丰富的可功能化基团、优异的机械性能、阻隔性能等优点，得到了广泛的应用，如化妆品、食品、药品、包装、纸张及复合材料等。
近几年，阳离子化纳米纤维素得到了研究，其被用作抗菌剂、生物絮凝剂、纸张增强剂和乳液稳定剂等。目前阳离子纳米纤维素的制备主要依赖于两步法，即先将木浆在碱性条件下与阳离子剂反应，将反应产物再进行机械处理得到阳离子化纳米纤维素；或先制备纳米纤维素，然后再与阳离子剂进行反应。但是，两步法制备阳离子纳米纤维素不仅耗时而且对温度的要求较高，过程繁琐。此外，以上反应所使用的原料均为纯的纤维素产品，然而，目前工业中大多数纳米纤维素原料是来源于自然界中的生物质资源，包括各种木材、草、韧皮纤维、玉米芯、农业秸秆等，在制备过程中通常需要三组分(纤维素、半纤维素、木质素)分离分别利用，不仅增加制备难度，也增大了产品成本，同时过程中所使用的各种化学物质还会带来环境污染。
发明内容
基于以上事实，本发明的目的在于提供一种阳离子纳米纤维素及其制备方法和应用，以解决现有的阳离子纳米纤维素制备中存在的问题。
一方面，本发明提供一种阳离子纳米纤维素的制备方法，包括如下步骤：
在碱性溶液存在的条件下，将纤维素原料与阳离子醚化剂于室温下共同球磨。
本制备方法的制备过程简单，不需要使用危险化学品进行苛刻的制浆和漂白过程，且能大量保留木质素，赋予纳米纤维素新的性能，例如降低亲水性和提供额外的热稳定性。直接由纤维素原料(木质纤维素)而不是纯化后的植物纤维生产的纳米纤维素，可以提高纳米纤维的材料特性。
进一步地，所述碱性溶液中的碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、乙二胺、三乙胺、二乙醇胺中的一种或几种。
进一步地，所述纤维素原料选自天然植物。
进一步地，所述天然植物是天然草本植物或天然木本植物。
进一步地，选自木材、棉花、竹子、草、玉米芯、甘蔗、海鞘纤维素或植物秸秆中的一种或几种。所述天然纤维素中含有木质素或半纤维素。本发明技术方案中，纤维素原料无需经过前处理即可使用。
进一步地，所述阳离子醚化剂选自3-氯-2-羟基-丙基十二烷基二甲基铵、3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵、2,3-环氧丙基三甲基氯化铵、2-氯乙基三甲基氯化铵中的一种或几种。
进一步地，所述纤维素原料为20-100目的纤维素粉末。
进一步地，所述碱性溶液为碱的水溶液。
进一步地，所述碱性溶液的用量为纤维素原料干重的5-100wt％。
进一步地，所述碱性溶液的浓度为0.15-9wt％。
进一步地，所述阳离子醚化剂与纤维素原料的质量比为0.5:1-10:1。
进一步地，所述研磨是在球磨机或研磨仪中进行的。
进一步地，所述研磨仪器为行星式球磨机、振动式球磨机、臼式研磨仪等。
进一步地，所述研磨的方法为每研磨20-40min休息1-5min，总的球磨时间为1h-12h。通过该方法，使得改性的效果更好。
进一步地，所述研磨的转速为100-540rpm，优选为200-500rpm。
又一个方面，本发明提供一种阳离子纳米纤维素，该阳离子纳米纤维素由如上所述的制备方法制备得到的阳离子纳米纤维素。
进一步地，所述阳离子纳米纤维素的直径为2-200nm，长度为0.5-10个微米，优选为直径2-20nm，长度1-5微米。所制备的阳离子纳米纤维素具有优异的分散稳定性及再分散性。
又一个方面，本发明提供所述的阳离子纳米纤维素在制备抗菌材料、吸附材料、纸张、疏水防油涂层中的应用。
本发明的有益效果如下：
本申请中提供的阳离子纳米纤维素的制备方法简单、高效、绿色，其能够一步实现对天然纤维素原料的阳离子化改性和纳米化，操作简便，易实现工业化。此外，本制备过程均在水性环境下进行，无需任何有机溶剂，绿色环保、对温度要求低。目前还没有使用一步法制备阳离子化木质纳米纤维素的报道。该制备的阳离子木质纳米纤维素可以用于增强纸张性能，实现纸张的轻量化；制备疏水防油涂层；抗菌涂层；阴离子吸附剂等。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出实施例3所得阳离子纳米纤维素的原子力显微镜图。
图2示出实施例3所得阳离子纳米纤维素再分散后的原子力显微镜图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
阳离子纳米纤维素的制备方法，包括如下步骤：
将秸秆类纤维素原料(以芦苇秸秆为例)粉碎后，得到40目的粉末，取0.5g秸秆粉末，15mL去离子水，2.5g阳离子醚化剂2,3-环氧丙基三甲基氯化铵和0.35g氢氧化钠加入到研磨罐里，在200rpm下，每研磨30min休息2min条件下，如此重复，共球磨6h后，使用稀盐酸中和，离心洗涤即得到阳离子化木质纳米纤维素，其平均直径5nm，长4μm。将其进行干燥后再分散后，发现具有优异的再分散性。
实施例2
阳离子纳米纤维素的制备方法，包括如下步骤：
将0.5g竹粉10mL去离子水，1.5g阳离子醚化剂2,3-环氧丙基三甲基氯化铵和0.5g氢氧化钠加入到研磨罐中，在300rpm下，每研磨20min休息1min，共研磨4h后，使用稀盐酸中和，离心洗涤即得到阳离子化木质纳米纤维素，其平均直径3nm，长4μm。将其进行干燥后再分散后，发现具有优异的再分散性。
实施例3
阳离子纳米纤维素的制备方法，包括如下步骤：
将0.5g木屑，10mL去离子水，5g阳离子醚化剂3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵和0.5g氢氧化钠加入到研磨罐中，在500rpm下，每研磨30min休息5min，共研磨3h后，使用稀盐酸中和，离心洗涤即得到阳离子化木质纳米纤维素，其平均直径3nm，长3μm(如图1所示)。将其进行干燥后再分散后其形貌如图2所示，具有优异的再分散性。
实施例4
阳离子纳米纤维素的制备方法，包括如下步骤：
将0.5g甘蔗渣，5mL去离子水，0.5g阳离子醚化剂2,3-环氧丙基三甲基氯化铵和0.2g氢氧化钠加入到研磨罐中，在300rpm下每研磨40min休息3min，共研磨8h后，使用稀盐酸中和，离心洗涤即得到阳离子化木质纳米纤维素，其平均直径5nm，长2μm。将其进行干燥后再分散后，发现具有优异的再分散性。
实施例5
阳离子纳米纤维素的制备方法，包括如下步骤：
将0.5g玉米芯纤维素，5mL去离子水，0.25g阳离子醚化剂3-氯-2-羟基-丙基十二烷基二甲基铵和0.025g氢氧化钠加入到研磨罐中，在300rpm下每研磨30min休息2min，共研磨12h后，使用稀盐酸中和，离心洗涤即得到阳离子化木质纳米纤维素，其平均直径10nm，长4μm。将其进行干燥后再分散后，发现具有优异的再分散性。
对比例1
重复实施例1，区别在于，将球磨改为采用高压均质机在处理压力为30MP～90MPa下均质处理12～32pass，无法得到如本申请所述的阳离子化木质纳米纤维素。
应用：
1.将上述各实施例所制备的阳离子纳米纤维素涂覆到纸张表面，使其涂覆量在2g/m2以上，可以得到疏水防油纸张。
将实施例1所制备的木质纳米纤维素涂覆到纸张表面后，当涂覆量为大于等于4g/m2时，防油等级达到最大kit值为12，其水接触角为95°，且当将其制备成容器时，油能够长时间在容器中保存且不发生泄露。
将实施例2所制备的木质纳米纤维素涂覆到纸张表面后，当涂覆量为大于等于5g/m2时，防油等级达到最大(kit值为12)，其水接触角为98°，且当将其制备成容器时，油能够长时间在容器中保存且不发生泄露。
将实施例3所制备的木质纳米纤维素涂覆到纸张表面后，当涂覆量为大于等于4.5g/m2时，防油等级达到最大kit值为12，其水接触角为92°，且当将其制备成容器时，油能够长时间在容器中保存且不发生泄露。
将实施例4所制备的木质纳米纤维素涂覆到纸张表面后，当涂覆量为大于等于3.5g/m2时，防油等级达到最大kit值为12，其水接触角为94°，且当将其制备成容器时，油能够长时间在容器中保存且不发生泄露。
将实施例5所制备的木质纳米纤维素涂覆到纸张表面后，当涂覆量为大于等于5g/m2时，防油等级达到最大kit值为12，其水接触角为100°，且当将其制备成容器时，油能够长时间在容器中保存且不发生泄露。
2.将上述各实施例制备得到的阳离子纳米纤维素进行浆内添加，用以提高纸浆的机械强度。
将实施例1中所制备的阳离子木质纳米纤维素涂覆到纸张表面后，当涂覆量为8g/m2时，其水接触角为100°，防油等级kit值为12，纸张的拉伸强度提高了120％，杨氏模量提高了110％。
将实施例2中所制备的阳离子木质纳米纤维素涂覆到纸张表面后，当涂覆量为7g/m2时，其水接触角为101°，防油等级kit值为12，纸张的拉伸强度提高了126％，杨氏模量提高了118％。
将实施例3中所制备的阳离子木质纳米纤维素涂覆到纸张表面后，当涂覆量为6g/m2时，其水接触角为95°，防油等级kit值为12，纸张的拉伸强度提高了115％，杨氏模量提高了108％。
将实施例4中所制备的阳离子木质纳米纤维素涂覆到纸张表面后，当涂覆量为8g/m2时，其水接触角为101°，防油等级kit值为12，纸张的拉伸强度提高了134％，杨氏模量提高了126％。
将实施例5中所制备的阳离子木质纳米纤维素涂覆到纸张表面后，当涂覆量为9g/m2时，其水接触角为106°，防油等级kit值为12，纸张的拉伸强度提高了131％，杨氏模量提高了119％。
3.将所制备的高取代度阳离子纳米纤维素涂覆到纸张表面，可以得到抗菌纸张。
将实施例1制备的木质纳米纤维素涂覆到纸张表面后，当涂覆量为8g/m2时，其水接触角100°，防油等级达到最大kit值为12，其对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的抑菌率达99％。
将实施例2制备的木质纳米纤维素涂覆到纸张表面后，当涂覆量为7g/m2时，其水接触角101°，防油等级达到最大kit值为12，其对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的抑菌率达99％。
将实施例3制备的木质纳米纤维素涂覆到纸张表面后，当涂覆量为6g/m2时，其水接触角95°，防油等级达到最大kit值为12，其对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的抑菌率达98.5％。
将实施例4制备的木质纳米纤维素涂覆到纸张表面后，当涂覆量为7g/m2时，其水接触角99°，防油等级达到最大kit值为12，其对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的抑菌率达99％。
将实施例5制备的木质纳米纤维素涂覆到纸张表面后，当涂覆量为9g/m2时，其水接触角106°，防油等级达到最大kit值为12，其对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的抑菌率达99％。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种阳离子纳米纤维素的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在碱性溶液存在的条件下，将纤维素原料与阳离子醚化剂于室温下共同研磨。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碱性溶液中的碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、乙二胺、三乙胺、二乙醇胺中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纤维素原料选自天然植物；
优选地，所述天然植物选自天然草本植物或天然木本植物；
优选地，所述天然植物选自木材、棉花、竹子、草、玉米芯、甘蔗、海鞘纤维素或植物秸秆中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述阳离子醚化剂选自3-氯-2-羟基-丙基十二烷基二甲基铵、3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵、2,3-环氧丙基三甲基氯化铵、2-氯乙基三甲基氯化铵中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纤维素原料为20-100目的纤维素粉末；
所述碱性溶液的用量为纤维素原料干重的5-100wt％；
所述碱性溶液的浓度为0.15-9wt％；
所述阳离子醚化剂与纤维素原料的质量比为0.5:1-10:1。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述研磨的方法为每研磨20-40min休息1-5min，总的研磨时间为1h-12h。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述研磨的速度为100-540rpm，优选为200-500rpm。
8.如权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到的阳离子纳米纤维素。
9.根据权利要求8所述的阳离子纳米纤维素，其特征在于，所述阳离子纳米纤维素的直径为2-10nm，长度为0.5-10个微米。
10.如权利要求8-9任一项所述的阳离子纳米纤维素在制备抗菌材料、纸张、疏水防油涂层中的应用。
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| CN103132169A (zh) * | 2011-11-30 | 2013-06-05 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种能稳定分散的纤维素纳米纤维的制备方法 |
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| Title |
|---|
| YANHONG GAO 等: "International Journal of Polymer Science", PREPARATION AND APPLICATION OF CATIONIC MODIFIED CELLULOSE FIBRILS AS A PAPERMAKING ADDITIVE, vol. 2016, 15 June 2016 (2016-06-15), pages 1 - 8 * |
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