[发明专利]高长径比生物质纤维素纳米纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米纤维素纤维的制备方法。

背景技术

纤维素是自然界中储量极其丰富的一种天然有机高分子材料，广泛存在于木材、竹材、麦秸纤维、麻等生物质材料的细胞壁中。随着纳米技术在纤维素资源开发利用领域的兴起，从不同的生物质材料中提取出纳米纤维素，利用其制备聚合物增强纳米复合材料、组织工程材料、药物缓释材料等功能制品，已逐渐成为纤维素科学领域的研究热点。

传统的纳米纤维素制备方法主要包括强酸水解、高强度机械剪切处理以及利用微生物发酵制备细菌纤维素三大类。利用强酸水解生物质纤维素，水解掉生物质纤维素分子链中的无定形区，保留结晶区的完整结构，可以制得纳米微晶纤维素。这种晶体的直径约为5nm～20nm，但是长度仅为10nm～1μm，长径比仅为1～100，使其对聚合物的增韧效果受到抑制；利用高强度机械剪切处理生物质纤维可制得长度较高的纳米纤维，但是由于纤维素分子链间存在较高的氢键作用力，使得制备的纳米纤维间容易相互聚集成直径高于100nm的纤维聚集体，这部分纤维在使用时不易均匀分散，影响了增强效果；利用微生物发酵制备细菌纤维素，可制备出直径尺寸分布均匀、网状缠结的高长径比纳米纤维，但是这一材料的制备成本较高，对制备条件和制备过程的要求也比较苛刻，影响了纳米纤维的生产效率和经济效益。

发明内容

本发明为了解决强酸水解生物质纤维素法制得的纳米纤维素纤维的长度低、长径比小、机械剪切法制得的纳米纤维素纤维易相互聚集以及微生物发酵法成本高的问题，而提供高长径比生物质纤维素纳米纤维的制备方法。

本发明高长径比生物质纤维素纳米纤维的制备方法按照以下步骤进行：一、按质量比为１：50～100称取生物质纤维和苯醇溶液，并将生物质纤维置于苯醇溶液中，在温度为85℃～95℃的条件下抽提5h～7h；二、配制浓度为1%~2%(质量)的亚氯酸钠溶液，并调节其pH值为4～5，然后将经步骤一处理的生物质纤维加入到亚氯酸钠溶液中保持4h～6h，期间每隔0.9～1.1h继续向亚氯酸钠溶液中补加亚氯酸钠和冰醋酸，以保持亚氯酸钠溶液中亚氯酸钠的浓度为1%~2%(质量)，亚氯酸钠溶液的pH值为4～5；三、将经步骤二处理的生物质纤维加入到质量浓度为1.5%～2.5%的KOH溶液中，混合均匀，在温度为80℃～100℃条件下保持1.5h～2.5h；四、按63mL～67mL蒸馏水加入0.4mL～0.6mL冰醋酸和0.5g～0.7g亚氯酸钠的比例，将冰醋酸和亚氯酸钠加入到蒸馏水中制成溶液，并将经步骤三处理的生物质纤维加入到溶液中，密封后置于72℃～77℃的水浴锅中加热处理0.8h～1.2h；五、将经步骤四处理后的生物质纤维加入到质量浓度为4.5%～5.5%的KOH溶液中，混合均匀，在温度为80℃～100℃条件下保持1.5h～2.5h；六、将经步骤五处理后的生物质纤维加入到浓度为0.8%～1.2%（质量）的盐酸中，密封后置于75℃～85℃的水浴锅中加热1.8h～2.2h；七、将经步骤六处理后的生物质纤维加入到水中，然后进行超声波处理，超声功率为400W～2000W，超声时间为5min～30min，得到纳米纤维悬浊液；八、将经步骤七得到的纳米纤维悬浊液进行冷冻干燥、超临界干燥或者临界点干燥，即得到高长径比的生物质纤维素纳米纤维；步骤一中所述的苯醇溶液是按体积份数比由1份苯和0.5份乙醇配制的或者是由或1份甲苯和0.5份乙醇配制的。

步骤一中所述的生物质纤维为50目~70目的木纤维、50目~70目的竹纤维、50目~70目的棉纤维、50目~70目的麻纤维或50目~70目的农作物秸秆纤维。

步骤八中所述的冷冻干燥是：将纳米纤维悬浊液置于-5℃~-20℃的条件下冷冻处理20h~24h后，将其放置于冷冻干燥机中进行冷冻干燥处理，冷冻干燥机的冷阱温度为-55℃~-60℃、真空度为15Pa~1Pa，冷冻时间为20h~24h。

步骤八中所述的超临界干燥为现有的常规方法。

步骤八中所述的临界点干燥为现有的常规方法。