[发明专利]一种制备高浓度纳米纤维素胶体的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备领域，特别涉及一种制备高浓度纳米纤维素胶体的方法。

背景技术

为了缓解和解决当今世界温室气体，能源与资源枯竭，环境污染严重等重大问题，发展可再生循环，绿色环保，可降解的材料已成为热点话题，期望其在某些方面能代替以化石能源为基础的材料的使用。

纳米纤维素是天然植物纤维通过机械法[A.N.Nakagaito,et al.Appl.Phys.A 78,547-552(2004)]，化学法[Robert J.Moon,et al.Chem.Soc.Rev.,2011,40,3941- 3994],力化学法[Yong Huang, ChemSus Chem 2012, 5, 2319-2322]等手段获得的具有高长径比，高比表面积，高强度（杨氏模量约为110~220 Gpa)，具有比凯芙拉纤维高的杨氏模量和比一般陶瓷低的热膨胀系数的纳米材料[王铈汶等. 科学通报,2013,24:2385-2392.]，同时兼具生物相容，可持续，可降解，绿色环保等优点。

通过酸水解法[Q. Q. Wang et al.Cellulose (2012) 19:2033-2047]，TEMPO氧化[Akira Isogai,et al. Biomacromolecules,2006,7 (6):1687-1691],接枝氯乙酸法[Lars W?gberg,et al.Langmuir2008,24,784-795],高碘酸氧化法[Henrikki Liimatainen,et al.Cellulose (2013) 20:741-749]等方法制备的纳米纤维素胶体后处理过程中因需要通过离心等方法从反应物中分离出来，再经过透析去离子等纯化处理，得到中性的杂质含量少的纳米纤维素胶体的固含量较低。纳米纤维素在经过常规方法干燥后，由于分子间易形成氢键和缠结等作用，所以就很难将其再分散于水中，所以目前只能以胶体的形式保存。但较低固含量的纳米纤维素在远程的运输和配送过程中势必会增加纳米纤维素的成本，限制其应用。中国发明专利申请[申请号 201310236 188.5]公开了一种高浓度纳米纤维素胶体的制备方法，其将低浓度的纳米纤维素胶体通过控制旋转蒸发工艺条件，温度(30-50℃)，转速(2-6rpm)来浓缩制备高浓度(质量分数40%及以上浓度)的纳米纤维素胶体。但此方法浓缩前纳米纤维素胶体必须将溶液中的离子透析掉，才能进行浓缩。透析过程耗时长，增加纳米纤维素的生产成本。

发明内容

本发明的目的是克服现有纳米纤维素浓缩技术的不足，提供一种制备高浓度纳米纤维素胶体的方法。

具体步骤为：

(1)通过机械法、化学法、生物法或力化学法制备出纳米纤维素，所得纳米纤维素通过离心或微孔滤布过滤，使其与沉淀物相分离，制得纳米纤维素胶体。

(2)将步骤(1)制得的纳米纤维素胶体低温冷冻结冰，使纳米纤维素之间在冷冻结冰过程中形成聚集和缠结；接着，将冷冻结冰的纳米纤维素胶体放置在0℃以上进行解冻，使聚集和缠结的纳米纤维素沉淀下来；然后，将沉淀物通过过滤、压滤和洗涤处理，所得产物在机械剪切作用下分散于溶剂中，即制得高浓度纳米纤维素胶体。 

所述微孔滤布的孔径为0.001~1微米。

所述机械剪切作用包括高速机械搅拌法、高压均质机均化法、球磨法、盘磨法和超声分散法。

所述溶剂为水、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、丙酮、乙腈、四氢呋喃、甲基丙烯酸、二氧六环和苯胺中的一种。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)本发明方法能达到同时纯化和浓缩纳米纤维素胶体的效果，而不需要使用透析来除去纳米纤维素胶体制备过程中产生的酸、碱或其他化学试剂，简化操作步骤，大大降低纳米纤维素的生产周期和成本。

(2)本发明方法所需的纳米纤维素胶体的制备方法多样化，易于推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例1制得纳米纤维素胶体的冷冻浓缩过程照片，其中：a为离心分离后的纳米纤维素分散液(冷冻前)；b为冷冻-解冻后的纳米纤维素沉淀(冷冻后)；c为冷冻浓缩后的纳米纤维素胶体(质量分数2.13wt%)；d为冷冻浓缩后的纳米纤维素胶体(质量分数3.77wt%)。

图2为本发明实施2制得纳米纤维素胶体的冷冻浓缩过程照片，其中A为离心分离后的纳米纤维素分散液(冷冻前)；B为冷冻-解冻后的纳米纤维素沉淀(冷冻后)；C为冷冻浓缩后的纳米纤维素胶体(质量分数0.49wt%)。