[发明专利]一种玉米秸穰纤维素速成膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用农业固体废弃物---玉米秸穰快速制备纤维素膜材料的方法，属于天然高分子改性材料技术领域。

背景技术

进入21世纪，随着高分子材料科学的飞速发展，层出不穷的高分子材料产品开始走进人们生活的各个方面，如以聚丙烯、聚乙烯和聚氯乙烯等为原料的高分子塑料薄膜，但合成这些膜材料的高分子聚合物大都来源于石油的加工炼制，其废弃物难以降解，不仅给自然界、人类及其他生物的生存造成了巨大威胁，也给不可再生的石油资源带来了严重的压力。纤维素因其具有来源丰富、可生物降解以及性能稳定等优点，一直被认为是理想的高分子材料。

纤维素是地球上最为丰富的有机化合物，植物中约含33-90％左右的纤维素。自然界中的植物通过光合作用每年可以合成出质量约亿万吨的纤维素，这些纤维素是世界纤维素化工工业的主要来源。天然纤维素主要来源于森林木质纤维素类材料，木材是最主要的来源。其他含有纤维素的物质有农业残余物、水生植物、草和其他一些植物类物质。

在我国稻麦秆、甘蔗渣、玉米秸秆等，都是纤维素的丰富来源。我国是玉米种植大国，玉米秸秆产量可达2.2亿吨，这一巨大的生物资源在农村除被用作生活能源外，大部分弃之于地，或就地焚烧。如何使用这类农业废弃物发挥自身价值造福人类已成为当今研究的重要课题。目前，玉米秸皮已经作为纤维原料在制浆造纸工业中得到了应用，缓解了我国造纸资源短缺的严峻形势。然而，玉米秸穰（又称玉米秆芯）由于组成细胞多为短小、壁薄、易碎的非纤维细胞（或称为杂细胞），在纤维工业中的应用受到了严重的限制，大幅度降低了玉米秸秆的应用价值。虽然少部分秸穰已被开发用作饲料加工或酒精发酵工业，但受到自身特点和转化技术的制约，现今还没有大规模化工业应用。但不可否认的是，玉米秸穰中含有丰富的多糖高分子，且木素含量较低，从原料组分上证明玉米秸穰可作为纤维素功能材料的初始原料。另外，玉米秸穰的细胞壁结构疏松，比表面积较纤维细胞大，导致了其多糖大分子，尤其是纤维素分子链能够最大限度地暴露出游离的羟基，提高溶解反应的速度，增加后续成膜的均匀性和重现性。因而，对于制备纤维素膜而言，玉米秸穰原料其独特的优势。

制备纤维素膜通常需要通过特定的溶剂全部或部分溶解植物纤维素来获得。纤维素的溶解方法可分为两类，其中衍生化法是在溶解过程中通过化学反应将某些官能团接到纤维素分子链上，使其变成可溶性的纤维素衍生物而溶解，包括NaOH/CS₂体系、氨基甲酸酯及质子酸等；而直接溶解法则是通过溶剂分子直接破坏纤维素分子间和分子内氢键作用而实现溶解，包括铜氨溶液、氯化锂/N,N-二甲基乙酰胺、碱/尿素体系等。作为Luwis酸的一种，ZnCl₂溶液在溶解纤维素时无需活化，操作简单，条件温和，这使其成为纤维素溶剂的长久研究对象。再则，利用ZnCl₂溶液溶解纤维素成本低廉，溶剂易回收，在今天看来仍不失为一种绿色溶剂。

在膜材料领域中，新型的可降解的天然高分子膜材料的研究工作已迫在眉睫。近年来，纤维素膜开始走向多功能化，掀起了针对纤维素膜的研究热潮。本申请从农业废弃物的玉米秸穰中高效提取纤维素，并提出了在ZnCl₂极低用量条件下纤维素快速成膜的技术方法，这不仅为膜材料的开发利用工作指明了一个新方向，也开创了一个崭新的研究领域。

发明内容

对于氯化锌溶解植物类纤维素，并将其再生成膜的研究已有一定报道，但氯化锌用量较高，且再生和成膜分段进行，耗时较长，因此大大阻碍了氯化锌协同纤维素成膜技术的规模化产业利用和开发。本发明提供了一种溶解/成膜复合式高效纤维素膜的制备方法，该方法利用资源丰富但开发深度尚浅的玉米秸穰为原料，提取纤维素组分，继而与氯化锌混合，注入模具，加热成膜，清洗、干燥，即得玉米秸穰纤维素膜，这不仅进一步拓展玉米秸穰的应用领域，提升其附加值，而且大幅度提高了效率。

实现本发明目的采取的工艺技术方案如下：

①玉米秸秆经风干后进行去皮，秸穰部分研磨和筛分，得合格原料；

②利用微波辐射技术，对筛分后的秸穰进行氢氧化钠／过氧化氢／甲醇的脱木素和脱半纤维素处理，处理后的浆料浸泡清洗至中性，脱水、密封，制得玉米秸穰纤维素，备用；

③在控制体系水量的前提下，将纤维素与氯化锌混合均匀，放入模具加热成型，待形成均质半透明状后，停止加热，冷却至室温，揭膜，去离子水清洗，直至清洗液中滴加碱液后无沉淀，干燥，得到玉米秸穰纤维素膜。

本发明全天然高分子玉米秸穰纤维素膜的制备方法，具体操作如下：