[发明专利]一种纤维素纳米纤丝(CNF)的制备方法

说明书

本发明公开了一种CNF的环保型制备方法，属于天然高分子材料领域。在CNF的制备过程中，采用化学浆、溶解浆等为原料，通过高温自水解处理改善纤维素的聚合度和结晶度，使原料细纤维化，然后直接进行高压均质处理得到CNF成品；或通过氧化处理后再进行高压均质处理得到高分散性的CNF成品。所制备的CNF具有成品得率高(＞85％)和胶体分散稳定性。该制备方法可以全程不采用任何化学试剂，或仅采用少量的环保型氧化试剂提高CNF分散性，整个制备工艺简单环保。所制备的CNF具有较高的长径比(约100‑1000∶1)，应用前景较好。

技术领域

本发明提供一种CNF的制备方法，具有工艺环保、制备成本较低等属性。

背景技术

纳米纤维素是指至少有一个维度上的尺寸小于100nm的纤维素离子。依据尺寸、形貌以及制备方法的不同，纳米纤维素可分为纤维素纳米晶体、CNF、细菌纤维素和静电纺丝纳米纤维素。CNF包含结晶区和非结晶区，长径比较高，并具有密度低，比表面积大等优点。CNF通常采用机械法制得，如高压均质、冷冻粉碎、微射流、研磨、超声处理等，其中高压均质法是目前最常用的方法。

为了降低机械处理的能耗，目前多采用预处理和机械处理结合的手段制备CNF。较为常见的预处理方法包括：酸处理、生物酶处理和氧化处理。稀酸处理可以降低纤维素的无定形区含量，提高最终产品的结晶度，另外还可以在纤维表面接枝功能基团，利于后续机械处理的分丝帚化，且最终的CNF表面电荷较高，具有较好的分散性。纤维素酶处理的反应条件温和，可以选择性的水解纤维素的特定位点，具有细纤维素化切断纤维的作用，从而利于后续机械处理过程中纤维素的纳米化。目前较常见的氧化处理包括TEMPO和高碘酸盐氧化处理，氧化处理可以使纤维表面引入羧基，使得纤维能够充分润涨，并依靠静电斥力克服氢键作用而彼此分离，可极大地降低机械处理过程中的能耗。

本发明提供一种CNF的制备方法，在整个制备过程中只有氧化处理需要添加少量化学试剂，因此该制备工艺比较环保，制备成本也较低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种环保的CNF的制备方法，降低其制备成分，为CNF的工业化生产奠定基础。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种CNF的制备方法，所述方法包括原料预处理剂CNF的制备，具体步骤如下：

(1)将纸浆原料进行疏解处理，或撕碎后用去离子水浸泡处理备用；

(2)将步骤(1)中处理后的原料和水置于反应器内混合，进行高温自水解处理，反应器内混合物在120℃-200℃的条件下高温自水解处理5min-5h，反应器内压力设置0-3MPa；

(3)反应结束后，停止加热和搅拌等操作，立即对反应容器内进行卸压降温，终止反应；将步骤(2)中反应器内的混合物进行分离操作，得到固体物和水解液；

(4)将步骤(3)中的固体物进行洗涤处理，至洗涤液呈中性，洗涤后的固体物用于后续的高压均质处理，或氧化处理后再进行高压均质处理。

(5)将上述步骤(4)中的固体物、水和氧化剂置于反应器内混合，进行氧化处理。反应器内混合物在80℃-150℃的条件下氧化处理0.5h-6h，氧化反应结束后，立即用水冷却降温终止反应；

(6)将上述步骤(4)中高温自水解后的固体物，或步骤(5)中氧化处理得到的固体物加水稀释后进行高压均质处理。采用的高压均质条件为：均质浓度0.8％-2.5％之间，最高均质压力800bar-1000bar，最高均质压力下均质次数10次-100次，最后得到CNF产品。

优选的，上述CNF制备方法，所述步骤(1)中采用的原料为市售和企业自产的化学浆和溶解浆浆，包括但不限于以下浆种：硫酸盐浆、亚硫酸盐浆、硫酸盐溶解浆、亚硫酸盐溶解浆等。