[发明专利]一种制备纳米纤维素的简易方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备纳米纤维素的简易方法和由该方法获得的纤维素纳米长纤丝，属于天然高分子领域、也属于林业工程、包装工程、新材料领域。

背景技术

天然纤维素是构成植物细胞的基本成分,存在于所有植物当中,是自然界中最为丰富的可再生资源。随着世界科学技术的迅速发展,以及各国对环境污染问题的日益关注和重视,可再生、可生物降解新材料的需求将日益提高,无疑天然纤维素资源将是最好的原料,它价格低廉、来源广泛,且绿色环保,可作为一种可持续发展的资源来研究和开发。 纤维素是由D-吡喃葡萄糖环以β-1，4-糖苷键联结而成的线形高分子，是自然界分布最广且具有生物可降解性的天然高分子。植物、动物以及一些细菌均可产生纤维素。在纳米尺度范围内操控纤维素分子以期获得性能优异的纳米纤维素成为目前纤维素科学的一个研究热点。

纳米纤维素不但具有纤维素的基本结构与性能,还具有纳米颗粒的特性,如大的比表面积、强的吸附能力和高的反应活性。纳米纤维素长径比变化范围很大。在制备的过程中,纤维素的无定形区或一些结晶不完全微晶区被破坏,从而使得纳米纤维素比天然纤维素的结晶度高。纳米纤维素的硬度较大,强度也较高。

纳米纤维素的杨式模量和张应力比纤维素有指数级的增加,当纳米纤维素作为工程塑料的增强填充剂时,在纳米纤维素含量高达70%时,不仅具有普通工程塑料5倍的高强度,与硅晶相似的低热膨胀系数,而且同时保持高的透光率。利用这种特性可开发出柔性显示屏、精密光学器件配件和汽车或火车车窗等新产品。用纳米纤维素做高解析度动态显示器件的研究,有望作为电子书籍、电子报刊、动态墙纸、可写地图和识字工具的新材料。纳米纤维素可以用于人造皮肤、人工血管、神经缝合的保护盖罩、训练用微手术模型、动物伤口敷料、化妆纸膜、食品添加剂(成型剂、增稠剂、分散剂、抗溶化剂)、造纸添加剂(增强剂、品质改善剂、吸附剂)、高级音响设备振动膜(超级音响、麦克风和耳机的振动膜)、生物传感器等。纳米纤维在纤维素衍生物制造和化学改性过程中,相同条件下,完成反应速度快、耗时少,可用于快速制备特殊性能的纤维素衍生物。纳米纤维素可用于二、三次原油开采的灌浆材料、硅酸盐矿石浮选、无纺棉和高吸水纤维织品。日本和美国均有用纳米纤维素纤维作为膜滤器(无菌装置、超滤装置、反渗透滤膜等)、绝缘材料、高强度纸杯、可循环使用的婴儿尿布、仿真人造皮革、食品、涂料增稠剂、分散剂、强度增强剂、护肤霜、指甲油等化妆品基质或药物载体。由于它的纤维素纯度高,还可作为纤维素酶活力测定的底物。

由于石油资源日益枯竭以及石油制品生产的非降解塑料引起的环境污染日益严重，研究和开发以天然高分子为原料的新高分子材料已成为本世纪高分子领域的重要课题之一。纤维素是地球上最丰富的天然高分子、年产量约2000亿吨。纳米纤维素是一种棒状的、粒径大小一般在30~100 nm之间、可以在水中分散形成稳定悬浮液的纤维素晶体。它不但具有纤维素的基本结构与性能,还具有纳米颗粒的特性,如巨大的比表面积、较高的杨氏模量、超强的吸附能力和高的反应活性,因此导致其性质与普通纤维素的性质有很大差异。

从纳米纤维素的制备历史来看，许多研究员使用木材、棉等原料来制备纳米纤维素，主要是因为其纤维素含量比较高，木质素及半纤维素可通过化学处理去除。滤纸是一种常见于化学实验室的过滤工具，常见的形状是圆形，多由棉质纤维制成。 回收废旧滤纸，对保护环境以及可持续发展有利。滤纸在生产过程中经过反复的处理，通过傅立叶红外光谱图可以看出，除了纤维素外其他成分相当少。而因为化学处理需要用强酸强碱,对反应设备要求高,回收和处理反应后的残留物比较困难，因此使用废旧滤纸作为原材料可以节省这一步骤，不仅大大提高其制备效率，同时也对环境的影响较小。使用高速搅拌机、研磨、高压均质等方法，不断采用新的思路新的试验组合，新的仪器组合制备纳米纤维素薄膜，寻找出最优的制备方法。

棉纤维是生长在棉属植物种子表面的纤维。附着在棉籽壳上的短纤维为棉短绒，它不能直接作为纺织原料，而是制造纤维素纤维的优质原料。 棉纤维和棉短绒的化学成分无多大差异，只是纤维素的含量较高，灰分等杂质较少。而使用棉纤维作为原材料制备纳米纤维素，其纤维素纯度几乎为100%，极少含有其他杂质，节省了化学处理的过程。

发明内容

本发明提出了一种制备纳米纤维素的简易方法，其目的克服现有技术有不足，具有方法操作简单，快速，可以进行工业化批量生产，成本低，效率高，对环境没有污染。所制备的微、纳米尺度的纤维素长纤丝，可用于电子纸、光学透明纸、太阳能电池、高性能复合纸等具有高附加值的产品或行业。