[发明专利]一种基于可控溶解制备纤维素纳米晶分散液的工艺方法

说明书

技术领域

本发明属于纤维素纳米晶制品的工艺领域，特别涉及一种基于可控溶解制备纤维素纳米晶分散液的工艺方法。

背景技术

纤维素作为自然界中最丰富的可再生资源，在全球范围内都广泛分布并且总量巨大。近年来，随着石油等不可再生化石资源总量的日趋减少，纤维素等可再生资源的重要性日益显著。其具有许多优良的特性，例如优良的力学性能、生物相容性好、可生物降解、高比表面积及丰富的活性位点等。从天然纤维素中加工得到纤维素纳米晶是一种高值化的纤维素利用形式，现已广泛应用于食品、医药、化妆品及复合材料等领域中，并也已在诸如超级电容器(Adv Mater,2015.27(40):6104-9；ACS Nano,2013.7(7):6037-6046；Journal of Materials Chemistry A,2014.2:19268-19274)等高端领域开展了广泛的研究。

目前，可用来制备纤维素纳米晶的工艺方法主要有酸水解法(如CN1141321C；CN102040663B、CN102947345A、CN103124744A)、TEMPO氧化法(如US20100233481A1、CN102675475B、CN102690358B)、物理机械法(如CN1086189C、CN101481424B)及微生物发酵法(如CN1464047A)等。酸水解法通常能够得到直径在10-30nm，长度在100-300nm的纤维素纳米晶，但是其需要消耗大量的酸碱试剂，生产效率较低，并且制备及后处理工艺较为复杂繁琐，对设备的耐腐蚀性也提出了较高的要求。TEMPO氧化法通常能够得到直径约5-10nm且长径比较大的纤维素纳米晶，但是其同样存在制备及后处理工艺繁琐的问题，且所制备的纤维素纳米晶为一种衍生化的纤维素。物理机械法虽然工艺流程较为简单，但是对机械设备提出较高的要求，且通常只能得到纤维素微纤，尺度要大于纤维素纳米晶。而微生物发酵法虽然可以制备出纳米级直径且高长径比的纳米纤维素纤维，但是通常这些纤维由于大量纠缠而不易分散，而且制备条件苛刻，周期也较长。因此开发一种简单高效的纤维素纳米晶的制备工艺方法具有积极的意义。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明基于调控纤维素溶剂的双亲特性并诱导其对纤维素不同结晶程度区域产生差异化溶解性的原理，提出了纤维素的可控选择性溶解技术，通过纤维素溶剂对纤维素材料中非结晶及半结晶区域的可控选择性溶解获得纤维素纳米晶分散液，可进一步制备纤维素纳米晶。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于可控溶解制备纤维素纳米晶分散液的工艺方法，将纤维素与纤维素溶剂相混合，通过溶剂对纤维素进行可控溶解从而制得含有纤维素纳米晶的目标分散液；包含如下步骤：1)纤维素溶剂配置，采用如下组成：有机碱占溶剂总重量30～45wt％，尿素占溶剂总重量1～24wt％，其余为水；2)纤维素纳米晶分散液制备：将纤维素按占总溶液总重量0.1～35.0wt％浓度混合到1)所得纤维素溶剂中，经控温搅拌处理后，得到目标纤维素纳米晶分散液。

所述步骤2)控温在以下范围之一：20～30℃或40～50℃。

进一步地，所述有机碱为烷基季铵碱或烷基季磷碱。所述的有机碱优选为烷基季铵碱或烷基季磷碱为以下物质之一或其混合物：四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵、三乙基苄基氢氧化铵、甲基三辛基氢氧化铵、四甲基氢氧化磷、四乙基氢氧化磷、四丙基氢氧化磷、四丁基氢氧化磷或所述有机碱任意形式混合物。

进一步地，可优化所述有机碱/尿素/水混合体系，有机碱浓度为33～39wt％，尿素浓度为5～13wt％。纤维素的浓度可优化为2.0～6.0wt％。

参与生产纤维素可以是任何工艺获取的植物性纤维素：微晶纤维素、秸秆纤维素、棉浆纤维素、木浆纤维素、竹浆纤维素、细菌纤维素、醋酸纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素及来自纸张的纤维素。