[发明专利]一种纤维素纳米纤丝悬浮液及其制备方法

说明书

本发明提供一种纤维素纳米纤丝悬浮液及其制备方法，所述方法包括如下步骤：步骤1，将木质纤维在极性溶剂中润胀处理2‑4h，得到混合体系A；步骤2，在混合体系A中依次加入草酸、硫酸和高锰酸钾，氧化处理4‑6h，得到混合体系B；步骤3，将混合体系B洗涤后进行离心，分离上层液体得到纤维素纳米纤丝悬浮液。本发明尽可能的保留了纤维素完整的晶格结构，能有效解决纤维素纳米纤丝尺寸可调控的同时，还可以实现纤维素纳米纤丝在部分有机溶剂中的均匀分散问题，且整个过程可以实现连续化操作。

技术领域

本发明属于生物高分子纳米材料领域，具体为一种纤维素纳米纤丝悬浮液及其制备方法。

背景技术

近年来随着纤维素领域的发展，纤维素作为造纸工业的重要原料，不仅适用于传统的造纸领域，还包括医疗、农业、物流运输包装等行业。由纤维素制备的特种纸通过改性、纳米化等方法可制备出一系列的纤维素基功能材料和高性能复合材料。因此纤维素作为含量丰富的可再生资源，将其最大化利用，在达到绿色环保要求的同时实现了不可再生资源的永久性替代品。

纳米纤维素在广义上是指至少有一个维度的尺寸在1～100nm范围内的纤维素，通常还被称为纤维素纳米晶体、纳米纤丝纤维素、纤维素纳米晶须、纤维素纳米颗粒等。纳米纤维素作为纤维素基纳米材料的代表，不仅保留了天然纤维素的性质，同时具备了纳米粒子的优势，比如高强度、高比表面积、高聚合度、高结晶度、高亲水性、高杨氏模量、超精细结构和高透明性等等特性，能够显著改善材料的光、电、磁等性能，在复合材料尤其是柔性电子等领域具有广阔的应用前景，在制浆造纸方面的应用也有着巨大潜力。

由于纤维素的聚集态结构存在结晶区和无定形区，使得其既难熔融又难溶于水和一般的溶剂，导致纤维素纤丝聚集体被半纤维素、果胶等物质包裹而限制纳米纤维素纤丝被有效地提取和广泛的应用。而纳米纤维素作为绿色、可再生的生物质材料，有效地制备纳米纤维素纤丝，不仅可以实现不可再生资源的替代品，还可以为纳米纤维素分子自组装提供坚实的理论支撑。因此有必要进一步对纳米纤维素的结构进行调控，在纳米级别范围内操控纤维素分子聚集体，也就是以纤维素为原始材料来制备合成具有特殊或优异功能的生物质材料，如新纳米材料等。

作为一种生物纳米材料，纤维素纳米纤丝一般是通过化学或者机械作用甚至两者协同作用下处理获得的，这也被称作是自上而下的制备方法，其处理过程中尽可能不降解无定形区，且最大程度地保留结晶区，从而使获得的纤维素纳米纤丝具备较高的结晶度、晶型不发生变化，长径比高且柔韧性好。当前制备纤维素纳米纤丝最常用的方法包括物理法、化学法、生物酶法等方法。

物理法主要包括高速搅拌法、高压均质法、微射流法、超声法、研磨法、球磨法等。机械力作用可以达到不断扭转纤维素，通过减少分子量和结晶度来破坏了纤维的结构。在机械处理过程中改变搅拌速度和浆浓度，通过纤维和纤维之间、纤维与设备之间的摩擦剪切达到破除纤维层细结构，进而达到解纤。这些方法尽管可以达到纳米级别但是粒径分布范围较宽，能耗非常高，而且制备过程不连续，对设备及工作条件要求较高。

化学法制备纤维素纳米纤丝包括无机酸水解法和氧化法。无机酸水解法利用强酸实现纤维素的水解，通过改变酸的用量、浓度、处理温度以及植物纤维的原料种类来获得不同尺寸的纤维素纳米纤丝，酸水解会产生大量的废酸，不仅对设备的耐腐蚀性提出较高的要求而且回收比较困难。另外，酸水解对纤维素会产生降解的影响，导致最终材料的强度下降。而氧化法目前较为成熟的技术是TEMPO氧化，通过对下纤维素C6位进行选择性的羧基化反应，获得一定长径比的纳米纤丝。但该氧化法所用到的试剂成本较高，而且对反应过程的pH精准度的控制提出较高的要求。虽然酸水解和氧化都能制备出纤维素纳米纤丝，但是所存在共同的问题是均在水溶液体系下进行，导致制得纤维素纳米纤丝在有机溶剂中的分散性较差，比如DMF、乙腈等，这也限制了纳米纤维素进一步在有机化学中的应用。

目前，酶解法只是作为纤维素纳米纤丝制备过程的预处理方法，因为酶的成本较高且处理过程较为复杂，尚未得到广泛的利用。