[发明专利]一种多元酸处理制备纤维素纳米纤丝CNF的方法

说明书

本发明公开了一种采用多元酸高温短时处理制备纤维素纳米纤丝(CNF)的方法，属于天然高分子材料领域。在CNF的制备过程中，以化学浆为原料，通过采用二元或三元有机酸高温短时处理解聚纤维素，降低其Zeta电位，通过对酸解后的浆料进行氧化处理，进一步降低纤维素的Zeta电位。最后，对氧化的浆料进行高压均质处理，得到高分散性的CNF胶体，其Zeta电位可达‑40mV以上。该制备工艺具有较好的工业化实施条件，所制备的CNF具有得率高(＞90％)、分散性好、性能稳定、长径比大等特点，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明提供一种多元酸处理制备CNF的方法，具有得率高、分散性好等属性。

背景技术

纤维素纳米纤丝(CNF)是指直径为纳米级，长度为数百纳米甚至微米级的微纤丝束(团)。 CNF结构中同时存在着结晶区和无定形区，具有高亲水性、可再生、易生物降解、高反应活性、纳米尺寸效应等优点，广泛应用于食品、医学、汽车、复合材料、电子产品和石油开采等领域。

目前制备CNF的方法可达十余种，其中最为常用的方法包括高压均质法、微射流法和研磨法等。单纯采用机械法制备CNF的能耗高，其制备能耗高达70MWh/t，导致生产成本较高，同时存在设备堵塞、分丝帚化效率低、纤维素结构破坏较严重、CNF粒径不均一、分散性较差等问题。针对上述问题，许多研究者开发了一系列预处理手段，包括酶水解、硫酸水解、羧甲基化、TEMPO催化氧化、高碘酸盐氧化等，目前上述预处理方法均存在某些方面的缺点，如采用的化学药品昂贵、制备反应时间教长、环境污染严重、产品分散性差等，严重限制了CNF的工业化生产及应用。因此，开发可工业化实施的低成本、低污染的CNF制备技术具有重要的现实意义。

本发明提供一种多元酸高温短时处理制备CNF的方法。相对于无机酸，有机多元酸较为温和，在高温反应中易被分解，对设备耐腐要求也较低。后续处理采用的氧化技术基于制浆漂白技术改进，具有较好的工业化应用基础。在整个制备过程中可保持纤维素具有较低的损失率，提高CNF得率；通过两步处理降低纤维素的Zeta电位，赋予CNF高分散性。因此，该CNF制备工艺具有较好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足之处，提供一种制备高得率和高分散性 CNF的方法，降低其制备成本，为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：

一种多元酸处理制备CNF的方法，所述方法包括原料的多元酸处理、氧化处理、高压均质等步骤，具体步骤如下：

(1)原料的疏解或打散处理：将化学浆原料加水稀释至浆浓为0.5％-2％，然后用疏解机或打散器打散处理；

(2)原料的脱水：将上述步骤(1)中所得到原料进行过滤脱水，得到预处理原料；

(3)多元酸处理：将上述步骤(2)中所得到的预处理原料置于反应器内，加入水和多元酸与原料混合，进行高温短时处理。反应器内采用的固液比(原料与药液的质量比)为1∶5 -1∶20，多元酸的加入量为0.05mol/L-0.5mol/L，反应器内混合物在150℃-200℃的温度下酸解处理5min-2h。反应结束后，停止加热和搅拌等操作，立即对反应器进行卸压降温操作，终止反应；

(4)浆料的洗涤：将上述步骤(3)中所得到的浆料进行洗涤处理，至洗涤液为中性，得到酸解浆料；

(5)浆料的氧化：将上述步骤(4)中所得到的酸解浆料置于反应器中，与水和氧化剂混合，进行氧化处理。反应器内采用的浆浓为5％-20％，氧化剂的加入量为3％-20％(对绝干原料)，反应初始pH为7-12，反应器内混合物在70℃-120℃的温度下氧化处理30min -3h。

(6)浆料的洗涤：将上述步骤(5)中所得到的浆料进行洗涤处理，去除残余氧化剂，得到氧化后的浆料。