[发明专利]一种超声波-微波同时辅助制备纳米纤维素的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声波-微波同时辅助制备纳米纤维素的方法，属于生物质纳米材料领域。 

背景技术

纳米纤维素通常是指在空间某一维度上尺寸达到1-100 nm的高分子纤维素。与天然纤维素相比，纳米纤维素晶体具有许多优良性能，如较大的比表面积、高结晶度、高亲水性、高模量、高强度、超精细结构和高透明性等。因此，纳米纤维素在食品添加剂、复合材料的增强相、组织工程支架和过滤介质制备等方面具有很好的应用价值。目前，纳米纤维素的制备方法主要分为化学法、物理法、生物法三种。化学法通常是以液体酸或碱为催化剂，通过纤维素原料的水解而制备纳米纤维素；物理法主要是通过加热爆破、高速搅拌机、高压均质等物理方法促使纤维素成为纳米级的纤维素；生物法则主要是利用细菌对纤维素的生化作用而制备纳米纤维素。上述三种方法中，物理法的能量消耗比较高、产物纯度低；生物法制备复杂、耗时长、成本高、价格贵；化学方法虽易于表面改性纳米纤维素，但是通常需要强酸或强碱作为催化剂，对反应设备要求较高，催化剂回收也较困难。因此，进一步研究和改良纳米纤维素的制备方法仍该领域的研究重点。近年来，采用超声波辅助经酸水解制备纳米纤维的方法已被广泛报道。该方法是化学法与物理法的一种有机结合，充分利用了超声波的机械分散、超声空化效应，以及超声波与酸催化作用之间的协同效应，展现了良好的应用前景。但是，超声波辅助制备纳米纤维仍存在一些缺陷，如酸用量较大，制备时间也较长，步骤相对较多，大多还需要对植物纤维原料进行高压均质或酸水解预处理，等等。因此，在超声波辅助的基础上，如能采用进一步的强化技术，克服或改善超声波辅助制备纳米纤维素的缺陷，则有望开发出一种更为高效、清洁、节能的纳米纤维素制备方法。近几年，超声波-微波联合辅助技术发展迅猛，特别是在化学反应、萃取分离领域中的应用已受到众多科研工作者的关注，相关文献也证实了该联合辅助技术中超声波与微波之间能产生协同作用，可进一步强化化工过程，然而它在制备生物质纳米材料领域中的应用还鲜见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由超声波-微波同时辅助制备纳米纤维素的方法。本发明充分利用超声波的机械分散作用、超声空化效应、微波均匀加热效应、液体酸的催化作用以及它们之间产生的协同作用，强化纤维素的水解过程，从而实现纳米纤维素的高效、快速制备。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超声波-微波同时辅助制备纳米纤维素的方法，具体步骤如下：

1）植物纤维素的酸水解：以植物纤维为原材料，与质量浓度10-60%的液体酸充分混合后，置于超声-微波协同萃取仪中，在50-80℃和超声波-微波同时辅助下水解反应0.5-2.0h，所得混合物备用；

2）液体酸的离心回收：将步骤1）所得混合物在4000-7000rad/min下离心分离5-10min, 收集的上层清液即为液体酸溶液,浓缩后回收利用, 底层固相备用；

3）纳米纤维素的离心分离：将步骤2）的底层固相与去离子水混合,并调节pH值至中性,在4000-7000rad/min下离心分离5-10min,收集上层液相；重复上述稀释、离心步骤2-6次，合并上层液相为纳米纤维素胶体溶液，经冷冻干燥后得到白色纳米纤维素粉末。

步骤1）所述的植物纤维为各类滤纸、木浆纤维、竹浆纤维中的一种。

步骤1）所述的液体酸为硫酸、磷酸、盐酸中的一种。

步骤3）中所述的调节pH值至中性是通过添加氧化钙以调节至中性。

步骤（1）所述超声波-微波的工艺参数为：超声波40KHz、50W；微波2450MHz、10-800W。

更优选地，步骤1）植物纤维素的酸水解：以植物纤维为原材料，与质量浓度30-55%的液体酸充分混合后，置于超声-微波协同萃取仪中，在60-80℃和超声波-微波同时辅助下水解反应1.0-2.0h，所得混合物备用。

所述的纳米纤维素材料可用于食品添加剂、药物赋形剂、工程材料添加剂、特种纸添加剂等。

本发明的显著优点在于：本发明在超声波-微波同时辅助下制备纳米纤维素，充分利用超声波的机械分散作用、超声空化效应、微波均匀加热效应、液体酸的催化作用以及它们之间产生的协同作用，强化纤维素的水解过程，从而实现纳米纤维素的高效、快速制备。制得的材料纳米纤维素材料可用于食品添加剂、药物赋形剂、工程材料添加剂、特种纸添加剂等。

附图说明

图1是本发明纳米纤维素的透射电子显微镜图。

图2是本发明滤纸原料及纳米纤维素产品的X射线衍射谱图：a滤纸；b纳米纤维素。