[发明专利]纳米木质纤维素组合物以及用于生产这些组合物的方法

说明书

一些变型提供了一种新型纳米木质纤维素组合物，其在干透、不含灰分并且不含乙酰基的基础上，包含：35wt％至80wt％的纤维素纳米原纤维、纤维素微原纤维或其组合；15wt％至45wt％的木质素；以及5wt％至20wt％的半纤维素。半纤维素可以含有木聚糖或甘露聚糖作为主要组分。由半纤维素含量介于原料生物质的高半纤维素含量和常规纳米纤维素的低半纤维素含量之间而产生新颖的性质。由于木质素的存在，纳米木质纤维素组合物是疏水性的。还描述了用于制造和使用纳米木质纤维素组合物的方法。

优先权资料

本国际专利申请要求于2017年6月22日提交的美国临时专利申请No.62/523,293以及于2018年6月21日提交的美国专利申请No.16/014,589的优先权，所述专利申请各自通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体涉及通过将木质纤维素生物质分馏并进一步加工纤维素级分而产生的纳米纤维素和相关材料。

背景技术

生物质精制(或生物精制)在工业中变得越来越普遍。纤维素纤维和糖、半纤维素糖、木质素、合成气、以及这些中间体的衍生物被用于生产化学品和燃料。实际上，我们现在观察到能够加工来料生物质的综合性生物精制厂的商业化与现在加工原油的炼油厂差不多相同。未充分利用的木质纤维素生物质原料的潜力在于，基于碳比石油便宜得多、以及从环境生命周期的观点来看要好得多。

木质纤维素生物质是星球上最丰富的可再生材料并且已长期被认为是用于生产化学品、燃料和材料的潜在原料。木质纤维素生物质正常主要包含纤维素、半纤维素和木质素。纤维素和半纤维素是糖的天然聚合物，并且木质素是增强整个生物质网络的芳族/脂族烃聚合物。一些形式的生物质(例如再循环材料)不含半纤维素。

尽管是地球上最可用的天然聚合物，但最近纤维素才以纳米晶体纤维素(NCC)、纳米原纤维纤维素(NFC)和细菌纤维素(BC)的形式作为纳米结构材料而兴起。纳米纤维素正被开发用于种类广泛的应用，例如聚合物增强、抗微生物膜、可生物降解的食品包装、印刷纸、颜料和油墨、纸和纸板包装、阻隔膜、粘合剂、生物复合材料、伤口愈合、药物和药品递送、纺织品、水溶性聚合物、建筑材料、运输行业的可再循环内部和结构部件、流变改性剂、低热量食品添加剂、化妆品增稠剂、药物片剂粘结剂、生物活性纸、乳液和粒子稳定泡沫的pickering稳定剂、涂料制剂、用于光学切换的膜、和洗涤剂。

生物质来源的浆料可以通过机械加工转化为纳米纤维素。虽然该方法可能是简单的，但缺点包括能耗高、由于强力机械处理而损害纤维和粒子、以及原纤维直径和长度的分布宽。

本领域中需要以降低的能量成本从生物质生产纳米纤维素的改进方法。还有，本领域中需要改良的起始材料(即生物质来源的浆料)来生产纳米纤维素。对于一些应用，希望生产具有高疏水性的纳米纤维素。

本领域中还需要增加弱纤维素纤维的强度、以及改善纸、瓦楞芯纸浆和浆料产品的某些性质。

发明内容

一些变型提供了一种纳米木质纤维素组合物，其在干透、不含灰分并且不含乙酰基的基础上，包含：约35wt％至约80wt％的纤维素纳米原纤维、纤维素微原纤维或其组合；约15wt％至约45wt％的木质素；以及约5wt％至约20wt％的半纤维素。半纤维素可以含有木聚糖或甘露聚糖作为主要组分。

在某些实施方式中，所述组合物在干透、不含灰分并且不含乙酰基的基础上，包含约40wt％至约70wt％的纤维素纳米原纤维、纤维素微原纤维或其组合。

在某些实施方式中，所述组合物在干透、不含灰分并且不含乙酰基的基础上，包含约45wt％至约60wt％的纤维素纳米原纤维、纤维素微原纤维或其组合。

在某些实施方式中，所述组合物在干透、不含灰分并且不含乙酰基的基础上，包含约20wt％至约40wt％的木质素。