[发明专利]一种基于生物质原料制备纤维素纳米纤维的方法

说明书

本发明披露了一种基于生物质原料制备纤维素纳米纤维的方法，包括：将生物质原料进行干燥及细化处理，然后将生成的生物质材料与有机酸溶剂混合加热回流分离生物质纤维素，再将分离出的生物质纤维素采用物理方法进行纳米纤维化处理，得到高纯度高长径比的纤维素纳米纤维。本发明有效地提高了制备的效能，能制备出高纯度高长径比的纤维素纳米纤维，且减少了化学污染废弃物的产生，同时避免了传统纯化方法中氯的使用而导致的一系列环境问题。

技术领域

本发明涉及纤维素纳米纤维的制备方法，尤其涉及以生物质为原料制备纤维素纳米纤维的方法。

背景技术

纤维素是世界上蕴藏量最丰富的天然高分子化合物，经过机械粉碎、酸处理或酶水解等处理可得到纤维素纳米纤维(CNF，Cellulose Nanofiber)。纤维素纳米纤维是一种超细纤维，每根纤维的直径仅为3～4nm，大约相当于头发丝的二万分之一。纤维素纳米纤维具有诸多优异的性能，如其聚合度高、结晶度高、杨氏模量高以及硬度高等等，使其在增强聚合物纳米复合材料领域得到了应用；其可降解、亲水性好、透明性、质量轻及良好的生物相容性等优点使其在人造生物组织、生物传感器、柔性电子器件等材料中展现了良好的应用前景；其表面含有大量的羟基，使其表面易于进行化学改性，从而赋予表面不同的特性，更进一步扩大了其应用范围。利用CNF能制成非常强韧的材料。与钢材相比，这种材料的重量只有其1/5，强度却是其5倍以上，它对于提高分子聚合物、复合功能材料、高电子机械以及汽车部件的强度并实现设备轻量化无疑是一种优异的选择。

目前将纤维素纳米化的方法主要有强酸水解法、高强度机械法及酶水解法等。其中，强酸水解法得到的产物为短棒状纳米晶体，并且这几种方法都只能处理造纸浆料或经过分离纯化得到的纤维素浆料等，而对来源广泛、纤维素含量丰富的天然生物质资源却不适用。

要利用生物质原料制备纤维素纳米纤维，首先要对生物质中的纤维素进行分离和纯化。现有的处理方法主要是利用酸水解的方法对生物质中的纤维素进行分离，然后用酸化的亚氯酸钠溶液对其进行漂白处理。而这种分离方法所产生的酸废液难以回收，含氯废液也有害于生态环境安全；同时，以该方法分离得到的纤维素的纯度也不很理想。因此，探索一种对环境更加友好且高纯度的分离纯化方法是以生物质为原料制备纤维素纳米纤维的重要问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于生物质原料制备纤维素纳米纤维的方法，能够在以生物质为原料的制备中获得对环境友好且高纯度高长径比的纤维素纳米纤维。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于生物质原料制备纤维素纳米纤维的方法，包括：将生物质原料进行干燥及细化处理，然后将生成的生物质材料与有机酸溶剂混合加热回流分离生物质纤维素，再将分离出的生物质纤维素采用物理方法进行纳米纤维化处理，得到高纯度高长径比的纤维素纳米纤维。

优选地，将生成的生物质材料与有机酸溶剂混合加热回流分离生物质纤维素，具体包括：将生物质材料与甲酸水溶液或甲酸乙酸水混合溶液中的一种试剂以1∶5～1∶70进行混合，其中甲酸的体积含量为5～95％，乙酸的体积含量为0～95％，水的体积含量为5～80％。

优选地，干燥及细化包括：将生物质原料在自然状态下风干或者在30～65℃条件下烘干，然后将风干或烘干的生物质原料粉碎过筛得到粉末状的生物质材料；或者用物理方法将风干或烘干的生物质原料揉搓成绒状的生物质材料。

优选地，在将生物质原料进行干燥及细化处理后以及将生成的生物质材料与有机酸溶剂混合加热回流分离生物质纤维素之前，还包括对生物质材料进行蒸汽爆破预处理之步骤，即：将经过粉碎过筛生成的粉末状的生物质材料10～5000g或经过揉搓成生成的绒状生物质材料10～5000g装入反应容器内，在0.5～10.0MPa压力条件下进行蒸汽爆破，然后将爆破后的产物离心分离去除爆破过程中产生的水解液，并用蒸馏水将分离去除水解液后的产物洗涤至中性，再将洗涤至中性的产物进行冷冻干燥或超临界干燥处理，得到含有生物质纤维素的生物质材料。