[发明专利]一种高长径比高半纤维素含量的竹综纤维素纳米纤维的制备方法

说明书

本发明公开了一种高长径比高半纤维素含量的竹综纤维素纳米纤维的制备方法，采用乙酸辅助低共熔溶剂，并在微波辐射条件下，对竹综纤维素进行处理，处理结束后固液分离，将固体进行分散，均质后通过微射流机制备获得竹材综纤维素纳米纤维；其中，竹材综纤维素纳米纤维的长径比不低于300，半纤维素含量不低于14％。该方法不仅能有效提高纳米综纤维素(HCNF)的长径比，并且得到的HCNF半纤维素含量和纤维素的乙酰化程度均较高，所得竹材纳米综纤维素具有尺度可调控，分散均匀等优点。同时方法本身还具有流程简单，反应条件温和，环境友好，易操作等诸多优点，具有较高的应用潜力。

技术领域

本发明涉及属于纤维素处理技术领域，具体涉及一种高长径比高半纤维素含量的竹综纤维素纳米纤维的制备方法。

背景技术

近年来，由于环境污染和资源短缺日益严峻，对于纳米结构材料的探索和研究正逐渐引起人们的注意，生物质可再生和可持续材料成为了研究热点。环境友好的木质纤维资源不仅有良好的可再生性，而且具有较高的化学或物理修饰潜力。纤维素是地球上最丰富的天然聚合物，并被广泛作为功能应用的原材料。作为木质纤维素生物质的主要成分，纤维素由β(1-4)糖苷键连接的D-吡喃型葡萄糖组成。由于其独特的两相和聚集结构，通常可以通过多种方法形成具有独特性质的纳米纤维素。纳米纤维素包括纤维素纳米晶体(CNC)和纤维素纳米纤维(CNF)等。其中，CNF包含纤维素超分子链的结晶区和非晶形区，通常直径为3～100nm，长度＞500nm。CNF具有很强的机械性能，并可通过机械、化学和生物等方法制备，最终强度为2-6GPa，晶体模量可达138GPa。

已报道的主要纳米纤维素制备方法有如下几种：

CN110128555A中揭示了一种由经过预处理的生物质为原料，利用有机溶剂、离子液体以及纤维素溶剂处理获得纤维素纳米晶体的方法，但是其处理时间较长且使用较多有机溶剂，最终纤维素纳米晶体的最高得率为71％。

Sonakshi Maitia等[Maiti S，Jayaramudu J，Das K，et al.Preparation andcharacterization of nano-cellulose with new shape from different precursor[J].Carbohydrate Polymers，2013，98(1)：562-567.]分别用中国棉花、非洲棉花、废弃餐巾纸三种材料作为原材料通过酸(47％的硫酸)水解方法结合搅拌的方法分别制得粒径为30～60nm，10～90nm，2～10nm的纳米纤维素，但该方法使用较多强酸且较为剧烈。

巴西圣保罗大学Novo团队[Novo L P，Bras J，A，et al.A study of theproduction of cellulose nanocrystals through subcritical water hydrolysis[J].Industrial Crops and Products，2016，93：88-95.]利用亚临界水的高电离效率、高活性和高扩散作用水解纤维素，将纯水加热并加压到亚临界状态处理MCC，制备出了直径约55nm、长度约242nm的CNC，其结晶度为79％、得率为21.9％。

Rostami等人[Rostami J，Mathew AP，Edlund U.Zwitterionic AcetylatedCellu1ose Nanofibrils[J].Molecules，2019，24(17)：3147.]采用乙酰化、氧化、席夫碱反应、硼氢化还原和季铵盐等系列反应制备两性离子乙酰化CNF。其中乙酰化在冰醋酸中进行，反应时间较短，仅为90min，产生具有羟基的单乙酰化CNF，可用于进一步后修饰。由此可知乙酰化为CNF的多功能改性提供了良好基础。

可见，现有的纳米纤维素制备方法，存在所获得的纳米纤维材料的化学成分多样性少，处理能耗高、时间长以及纳米纤维半纤维素含量低等问题，还不能完全满足使用需求。

发明内容