[发明专利]一种纤维素纳米晶悬浮液及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纤维素纳米晶悬浮液及其制备方法，属于高分子领域，也属于纳米材料领域。

背景技术

    纤维素是地球上最丰富的有机化合物，它是高等植物和绿藻的细胞壁结构的主要组成部分，同时细菌，某些真菌，和被囊动物（无脊椎海洋动物）也可以形成纤维素。因其低成本，自更新能力和可回收性，及其化学反应性，使纤维素晶须可用于各种应用，对其进行加工利用势必会带来较高的经济价值。纤维素纳米晶已经成为当前高分子研究领域的一个热点，但是关于纤维素纳米晶的制备和研究却鲜有报道。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种纤维素纳米晶悬浮液及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种纤维素纳米晶悬浮液，包括水和分散在水中的纤维素纳米晶，纤维素纳米晶为长宽比为1到100的棒状纳米粒子。该棒状纤维素纳米晶优选长90±50nm，宽10±4nm。

本发明还提供了上述纤维素纳米晶悬浮液的制备方法，包括以下步骤：

（1）   预处理：对纤维素原料进行预处理；预处理为湿磨、球磨或超声；

（2）   氧化剂水解：向预处理过的纤维素原料中加入0.1-30倍重的氧化剂，20-80℃下水解1-24小时，得到水解液；向水解液中加入1-10倍重蒸馏水稀释，除去氧化剂，得到的溶液pH为5-9； 

（3）将步骤（2）中得到的溶液通过机械方法进一步减小颗粒尺寸后，即得纤维素纳米晶悬浮液；所述机械方法为超声或高压均质化。

 其中，步骤（1）中纤维素原料选自微晶纤维素粉末、纤维素纸浆、漂白木浆或其混合物。

当步骤（1）中的预处理为湿磨时，预处理方法如下：向纤维素原料中加入去离子水，得到纤维素质量百分浓度为1-20%的溶液，纤维素在溶液中浸泡0.5-24小时后，倒入湿磨机内碾磨1-10次，每次1-15分钟；所述湿磨机的齿轮间距为0.5-50μm；

当步骤（1）中的预处理为球磨时，预处理方法如下：向纤维素原料中加入去离子水，得到纤维素质量百分浓度为1-20%的溶液，纤维素在溶液中浸泡0.5-24小时后，倒入球磨机内碾磨1-10次，每次1-15分钟；

当步骤（1）中的预处理为超声时，预处理方法如下：向纤维素原料中加入去离子水，得到纤维素质量百分浓度为1-20%的溶液，纤维素在溶液中浸泡0.5-24小时后，超声1-10次，超声频率为50-2000Hz，每次1-30分钟。

氧化剂为硫酸、盐酸、磷酸、双氧水溶液或摩尔比为1：10：0-10的2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基-次氯酸钠-溴化钠的混合氧化体系；所述硫酸、盐酸、磷酸和双氧水的浓度为20-80%。

步骤（2）中除去氧化剂的方法包括离心分离和透析，两者先后顺序不限；离心分离步骤如下：将经蒸馏水稀释后的溶液转移到离心管中，离心分离1-10次，每次3-15分钟，离心的转速为500-24000rpm；透析步骤如下：将离心分离后的溶液转移到截留分子量为10000-12000的透析袋中，透析48小时直到溶液pH为5-9。或将经蒸馏水稀释后的溶液转移到透析袋中先进行透析后，再转移到离心管中进行离心分离。

步骤（3）中的机械方法为超声时，步骤如下：将步骤（2）得到的溶液超声1-10次，每次1-30分钟，超声频率为50-2000Hz；步骤（3）中的机械方法为高压均质化时，步骤如下：将步骤（2）得到的溶液在150-300MPa下，以50-200ml/min的速率通过高压均质化器1-30次。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明利用氧化剂水解和机械解纤的手段得到了长度90±50nm，宽度10±4nm的棒状纤维素纳米晶的悬浮液，且纤维素纳米晶在悬浮液中分散良好，尺寸均一。

本发明利用可再生资源制备纳米材料，成本低廉，合成工艺简单，合成过程绿色无污染，所得的产品绿色环保。

由于其化学作用不活泼和结构内部黏合的性质，纤维素纳米晶在药厂可作为一种药片黏合剂，在食品应用中可作为一种结构剂和脂肪替换剂，并可作为在纸中和合成物中的一种添加剂等。酸水解条件优化后，纤维素纳米晶的胶体悬浮物表现出液晶向列呈直线排列，对纳米复合材料的性能有着巨大的改善。

传统制备纤维素纳米晶的方法取得的悬浮液若处在高温或潮湿的环境中，产品结构会还原到初始结构。本发明中运用的方法制得纤维素纳米晶悬浮液在结构稳定性上有较好的改进。

附图说明