[发明专利]含木质素的纤维素纳米纤维、包含所述含木质素的纤维素纳米纤维的纸和膜

说明书

本发明涉及一种含木质素的纤维素纳米纤维，其特征在于，(a)所述含木质素的纤维素纳米纤维具有在0.2‑1.5mmol/g范围内的羧基含量，(b)所述含木质素的纤维素纳米纤维具有在‑100至‑35mV范围内的ζ电位，并且(c)所述含木质素的纤维素纳米纤维具有在3‑30nm范围内的平均直径。另外，本发明还涉及包含所述含木质素的纤维素纳米纤维的纸和膜。本发明还涉及一种用于制备含木质素的纤维素纳米纤维的方法，包括以下步骤：(i)用有机溶剂处理含木质素的纤维素材料，(ii)用N‑氧自由基化合物的衍生物和次氯酸盐化合物处理由步骤(i)处理的纤维素材料，和(iii)机械处理由步骤(ii)处理的纤维素材料。

技术领域

本发明属于涉及含木质素的纤维素纳米纤维、包含所述含木质素的纤维素纳米纤维的纸和膜的化学领域。

背景技术

由木浆生产的纤维素纳米纤维被认为是一种高效的天然增强材料，其用于生产各种产品以提高强度；例如，作为纸张中的添加剂或用于生产膜等。

通常，可以通过使用机械崩解方法从木浆中分离纤维素纳米纤维来制备纤维素纳米纤维，但是这种方法需要高能量，这导致高生产成本。因此，为了减少从木浆中分离纤维素纳米纤维的能量利用，目前正在努力创造和开发新的纤维素纳米纤维制备方法；例如，对木浆进行化学预处理或酶预处理以制备木浆结构，然后将其通过机械崩解方法进行分离。

注意，与通过使用为未漂白浆的起始材料制备纤维素纳米纤维相比，由为漂白浆的起始材料制备纤维素纳米纤维更容易进行。这是因为与诸如漂白浆中残留的网状结构(纤维素和半纤维素)的多糖紧密结合的木质素与未漂白浆相比时显著更少。

现有技术公开了通过使用各种不同的方法制备含木质素的纤维素纳米纤维和包含所述纤维素纳米纤维的产品，如以下实施例。

US 2014/0154756 A1公开了一种纳米纤维素制备方法，包括通过用酸、溶剂和水对生物质进行分级以获得结晶度高达80％的纤维素组合物以及包含彼此结合的半纤维素和木质素的组合物，然后对其进行机械崩解以从木质纤维素生物质制备纤维素纳米纤维。制备的纳米纤维素产品用作复合材料中的增强剂。

US 2015/0368441 A1公开了一种包含木质素涂覆的纤维素纳米纤丝或木质素涂覆的纤维素纳米晶体的亲油性和疏水性纳米纤维素材料，其中所述纳米纤维素材料通过用酸、溶剂和水对生物质进行分级以获得富含纤维素的固体和含木质素的液体，然后在随后的步骤中对所述制备的固体进行机械崩解进行制备。

US 2016/0168272 A1公开了一种通过对起始材料进行机械精制来生产纳米纤维素-木质素复合材料的方法，其中所述纳米纤维素可以与木质素化学或物理结合，并且可以具有按重量计高达60％的木质素含量。

然而，如现有技术的以上实施例中所示，尽管已经努力开发含木质素的纤维素纳米纤维的生产方法，但整个生产方法仍主要使用机械方法，而没有公开使用化学处理对木浆进行预处理以获得适用于用这种机械方法处理的浆。那些方法在纤维分离中需要相对较高的能量利用。另外，现有技术没有公开含木质素的纤维素纳米纤维，其中木质素在纤维内部和纤维表面区域处均具有合适的分散。

发明内容

本发明涉及一种含木质素的纤维素纳米纤维，其特征在于，所述含木质素的纤维素纳米纤维具有在0.2-1.5mmol/g范围内的羧基含量，具有在-100至-35mV范围内的ζ电位，并且具有在3-30nm范围内的平均直径。所述含木质素的纤维素纳米纤维由包括以下步骤的方法获得：(i)用有机溶剂处理含木质素的纤维素材料，(ii)用N-氧自由基(N-oxyradical，N-氧基自由基)化合物的衍生物和次氯酸盐化合物处理由步骤(i)处理的纤维素材料，和(iii)机械处理由步骤(ii)处理的纤维素材料。