[发明专利]得自天然纤维素的包含纳米原纤化纤维素的纤维素基材料

说明书

技术领域

本发明涉及包含纳米原纤化纤维素(NFC)的纤维素基材料，例如膜、纳米多孔固体、气凝胶和纳米纸，用于制备所述纤维素基材料的方法，以及所述纤维素基材料的各种应用。

技术背景

对于许多工业用途，例如，在纸张和纺织工业中，而且在各种类型的分离方法中，以及在聚合物和涂料、制药和生物医学工业中，许多生物聚合物表现出吸引人的特性。纤维素是一种非常丰富的并已被详细表征的非常重要的生物聚合物，不但作为对于纸张和纺织制造业而言的基础，而且纤维素基材料日益用于以下方面中的用途：燃料电池技术、液体纯化和过滤、组织工程、蛋白质固定化和分离、防护工作服、渗透和吸附、绝热和隔声、电极、光学用途、用于催化或药物递送／释放的载体、或复合材料。

纤维素基材料的大部分技术用途需要将纤维素再生，即将它从它的天然状态物理地改变。纤维素的再生包括：使用各种类型的含有离子的有机溶剂(如DMAC／LiCl、N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)、氢氧化钠(NaOH)／脲、NaOH／硫脲)将多糖溶解，随后在水溶液中沉淀。因此，除了是耗时且昂贵的，对于纤维素再生的需要还意味着，从环境的观点看来，在其他方面“绿色的”备选方案变得不那么有利，而且，进一步地，天然纤维素(I型纤维素)向再生纤维素(II型纤维素)的转化的基本不可逆的性质意味着失去了天然纤维素的有用的性质。

纤维素基材料的效用，无论是在燃料电池中、是作为纳米纸、或是用于渗透和吸附的目的，都视如机械强度、化学惰性、多孔率、孔径和大的比表面积的参数而定。因此，在制备像这样的材料的过程中成功地对这些参数进行控制的能力非常重要。

现有技术包括一些公开物，它们描述了再生纤维素的应用，用于例如具有可能的作为吸附剂、热／声隔绝体、过滤器或催化剂支持体的有用性的纤维素气凝胶、纳米纸和膜的制备。Cai和其合作者(ChemSusChem，2008，1，149-154)已经例如公开了通过包含以下步骤的方法制备纤维素气凝胶：将纤维素(使用酸、醇或丙酮)再生为II型纤维素，随后溶剂交换成乙醇，最后常规冷冻干燥或超临界CO₂(sc-CO₂)干燥。

对于不同的纤维素基材料，已经报道了比表面积(SSA)。基于冷冻干燥的NFC的气凝胶和泡沫材料分别具有20-66m²／g和10-40m²／g的数据。当通过sc-CO₂制备时，得自(溶解并沉淀的)再生纤维素的气凝胶可以具有500m²／g的比表面积(Cai，等)，但是气凝胶的结构不是纤维网络。

发明概述

因此，本发明的目的在于克服在涉及需要对纤维素进行再生的技术中的缺点。而且，通过在制备纤维素基材料的方法中第一次使得能够使用天然纤维素(I型纤维素)，本发明提供了对这种材料的简化的、快速的且更加环保的制备方法，以及本身包含I型纤维素的纤维素基材料。此外，部分地作为对制备方法的改良的控制的结果，且部分地作为可以使用I型纤维素这一有利事实的推论，本发明允许纤维素基材料的增强的效用。

更具体地，本发明涉及包含作为I型纤维素存在的纳米原纤化纤维素(NFC)的纤维素基材料，例如膜、纳米多孔固体、气凝胶和／或纳米纸，用于制备所述优良纤维素基材料的方法，以及所述纤维素基材料在以下方面中的各种应用：燃料电池、液体纯化和过滤、组织工程、蛋白质固定化和分离、防护工作服、渗透和吸附、绝热和隔声、电极、光学用途、用于催化或药物递送／释放的载体、或复合材料。按照本发明的方法能够迅速地、规模可变地并且鲁棒地制备具有增强的机械和物理性质等的纤维素基材料。

本发明的一个目的涉及得自天然纤维素的包含NFC的纤维素基材料，其中，所述纤维素基材料包含处于I型纤维素形式的NFC。本发明的另一个目的是可以通过按照本发明的方法获得的纤维素基材料。

本发明的另一个目的是制备得自天然纤维素的纤维素基材料的方法。该纤维素基材料包含处于I型纤维素(即结晶纤维素)形式的纳米原纤化纤维素(NFC)，并且该方法包括以下步骤：(a)获得包含处于I型纤维素形式的NFC的水凝胶，(b)以至少一种第二溶剂充分地交换NFC分散体的溶剂至少一次，和(c)通过(i)液体蒸发和(ii)超临界干燥中的至少一种，除去所述至少一种第二溶剂。