[发明专利]一种尺寸可控的羧基化纤维素纳米晶的制备方法

说明书

本发明涉及纳米功能材料技术领域，特别涉及一种尺寸可控的羧基化纤维素纳米晶的制备方法，以木材、竹材加工剩余物或农作物秸秆等废物为原料，使用机械干粉法粉碎，经高能电子束辐照，再机械湿法超声预活化，然后使用TEMPO法进行化学催化氧化，得到尺寸稳定可控的羧基化纤维素纳米晶悬浮液。一种尺寸可控的羧基化纤维素纳米晶的制备方法，包含以下步骤：(1)将富含纤维素材料进行干法粉碎，经高能电子束辐照，加入水磨粉碎设备中进行超声分散和预活化，除去水分；(2)将预活化的纤维素材料置于TEMPO氧化体系中催化氧化，机械处理得到尺寸可控的羧基化纤维素纳米晶悬浮液。

技术领域

本发明涉及纳米功能材料技术领域，特别涉及一种尺寸可控的羧基化纤维素纳米晶的制备方法。

背景技术

纤维素是自然界中含量最丰富，分布最广泛的天然高分子。通过去除纤维素材料中的无定型区，保留结晶区的结构完整性，可以制得直径低于100nm，结晶度高的纤维素纳米晶。纤维素纳米晶具有生物可降解性、高强度、高模量、高比表面积、良好的尺寸稳定性、热稳定性、低热膨胀系数等优点，是一类新型的生物基纳米材料(Klemm D,Kramer F,Moritz S,et al.Nanocelluloses:a new family of nature-based materials[J].Angewandte Chemie International Edition,2011,50(24):5438-5466.)。然而，纤维素纳米晶的胶体性能，物理化学性能和应用性能很大程度上依赖于纤维素纳米晶的尺寸(Beck-Candanedo S,Roman M,Gray D G.Effect of reaction conditions on theproperties and behavior of wood cellulose nanocrystal suspensions[J].Biomacromolecules,2005,6(2):1048-1054.)，因此制备尺寸可控的纤维素纳米晶成为现在研究的重点。

现有技术中，纤维素纳米晶尺寸调控的方法主要采用酸解法和机械法。酸解法制备的纤维素纳米晶大多采用高浓度的强酸，例如硫酸、盐酸、磷酸、硝酸等一种或者几种强酸的混合酸，利用其氧化性，通过控制强酸的浓度和反应条件，制备不同尺寸的纤维素纳米晶(Beck-Candanedo S,Roman M,Gray D G.Effect of reaction conditions on theproperties and behavior of wood cellulose nanocrystal suspensions[J].Biomacromolecules,2005,6(2):1048-1054.)。由此法制备的纤维素纳米晶存在耗酸量大、对环境造成严重污染、浓酸回收困难等问题。机械法是利用不同机械设备对纤维素原料的物理作用力，通过调节物理作用力的强度，制备不同尺寸的纤维素纳米晶。然而机械法存在能耗高，噪音污染严重等问题(陈文帅.生物质纳米纤维素及其自聚集气凝胶的制备与结构性能研究[D].哈尔滨:东北林业大学,2013.)。因此，需要研究一种新的方法实现纤维素纳米晶尺寸的可控。

高能电子束辐照技术是指利用电子加速器产生的高能电子束，对目标对象进行扫描辐照，破坏物料分子结构或组成的一种新技术。高能电子束作为一种新技术具有很多优势，即在辐照过程中无物理损伤，有效防止被辐照物料温度升高而产生变性、质量降低等现象的发生，操作简单，具有稳定的运行状态，适用范围广，仪器故障发生率低。在经济方面，高能电子束的优势非常突出：利用高能电子束辐照能降低能量散失，机器运行稳定，工作效率高，被辐照物料吸收剂量较均匀(吸收不均匀度在5％以下)，高能电子束射线呈直线型，辐照定向集中，射线利用率较钴源高且无放射性废物，避免污染环境，更加环保安全，同时，在相同工作量下，高能电子束的建源费和运行成本仅为钴源的一半；高能电子束辐照简单可操作，穿透力强，可对包装完成的物料进行辐照，辐照过程中能量的大小有无可通过开关或旋钮控制调节，不存在辐射泄漏，不会对操作人员身体造成伤害，可实现规模化生产(杨俊丽.高能电子束辐照对草莓贮藏品质的影响[D].山东农业大学,2010)。