[发明专利]纳米纤维素及其衍生物的环境友好的制备方法

说明书

本发明的公开内容涉及纳米纤维素及其衍生物的环境友好的制备方法。本发明进一步涉及纤维素衍生物的制备方法。

技术领域

本发明的公开内容涉及纳米纤维素及其衍生物的环境友好的制备方法。本发明进一步涉及纤维素衍生物的制备方法。

背景技术

纤维素是行星地球上最丰富的可再生和可持续材料。除了它相对丰富以外，它还便宜，无毒，可生物降解，可再生，可再利用，环境友好，可持续，具有优良的机械材料性能(高强度和高模量)和低密度。由于森林纳米技术的出现和可持续性的增长的兴趣以及石油-衍生的材料的更多局限性，极度需要开发新的生产方法和成本合算的解决方案，以便设计制造(engineer)新的纤维素纳米材料。

在研究项目和中试活动中，纤维素是森林产品工业中广泛使用的，且当今对商业化的纳米纤维素存在强烈的驱动。基本上存在两类由木材衍生的纳米纤维素：纤维素纳米原纤维(CNF)和纤维素纳米晶体(CNC)。CNF在结构上是意大利面条状的，长且具有挠性，宽度小于100nm和长度为数微米，具有完整的结晶和无定形这两个区域。CNC具有“大米-状”结构，短，棒-状且硬质，长度从100nm到数微米；纤维素链内的无定形部分在加工过程中被消化，因此高度结晶。CNF和CNC的潜在应用包括：纸张和纸板中的功能和阻挡涂层，在纸张和纸板中的强度添加剂，膜，乳液，泡沫体，光学器件，粘合剂，复合材料，水泥(cement)，包装，油和气(钻探)，非织造织物，纺织品，和绿色化学品[1-3]。

已经使用了数种方法破坏纤维素的生物质，以便生产纳米纤维素，和这些包括常规的机械方法以及化学与酶、磷酸，氢溴酸和马来酸方法。

公知纤维素常规的硫酸水解中使用64％H₂SO₄，45-60℃，120-150min，以选择性消化纤维素的无定形结构，从而留下结晶部分，然后将其称为纤维素纳米晶体(CNC)。通过在纤维素链上形成硫酸酯基，促进这一方法的原纤化效率。然而，值得注意的是，这一水解工艺非常昂贵且耗时，因为水解需要纯化步骤，这使得分散，离心，透析，超声处理和离子交换成为必要。

纳米纤维素的常规加工方法仅仅包括使用设备，例如高压均化器，微型流化器，粉碎机和精炼机的机械方法。然而，最近研究者包括化学或酶预处理结合机械方法来加工纳米纤维素。这些化学或酶辅助的原纤化技术显著降低纳米纤维素的总能耗量。公知合适的高化学或酶剂量和较长的机械处理时间会改进原纤化效率。

从工业角度看，纳米纤维素的理想方法应当是成本有效的，即在没有如此大地牺牲其材料性能，例如高强度和劲度，高长径比，轻质，可再生和可生物降解情况下要求的能量较少。要求极端高的能量量来生产纳米纤维素，若人们仅仅使用机械处理方法的话。这一工作的另一动机是模拟TEMPO方法的降能方法[2]。关于加工纳米纤维素的主要缺点之一是在该工艺中它非常高的能量要求。通过引入化学预处理策略结合机械剪切，可减少显著量的能量。最有利润的方法之一是TEMPO-介导的氧化方法，它在相当最小量能量下生产充分分立(well-individualised)的纳米原纤维。

当今更加关心TEMPO化学体系(NaBr/NaClO/TEMPO)的毒性，因为在纳米纤维素的加工期间存在氯气化学和使用NaBr这一有害化学品的毒性导致它具有环境不友好的效果。因此，需要纳米纤维素的环境友好的制备方法。

而且，由于由甲酸水解和TEMPO-介导的氧化方法二者制造的典型的纳米纤维素对湿气和水高度敏感，因此，明显需要且最重要的是通过表面官能化使所述纳米材料疏水[3]，即衍生化，以便它们的水敏感性得到改进。

发明内容

本发明的目的是提供纳米纤维素及其衍生物的更加环境友好的制备方法。这一目的通过包括下述步骤的方法来实现：

i.提供纤维素材料，

ii.混合该纤维素材料与甲酸，