[发明专利]低温下制备微晶纤维素的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微晶纤维素的制造方法，具体涉及一种低温下制备微晶纤维素的方法。

背景技术

纤维素是自然界中含量最丰富的天然高分子，广泛存在于植物、真菌细胞壁中，是来源最为广泛、含量最丰富的可再生资源。树木、麻、麦杆、稻草、甘蔗渣、棉等都是纤维素的主要来源。其中，棉花的纤维素含量最高，达到90%以上，一般木材中，纤维素常与半纤维素和木质素共存，纤维素的含量只有40%~50%之间。纤维素是一种β-(1, 4)-D-葡聚糖，由D-葡萄糖以β-(1, 4)糖苷键缩水聚合而成。其分子链上存在大量羟基，链间及链内的大量氢键作用力使纤维素分子链形成有序排列，形成直径约为3~4nm的纳米纤维（原纤丝），原纤丝结合在一起形成直径约为10~30nm的微纤维，微纤维进一步形成纤维束。同时由于纤维素链排列的规整性，纤维素中同时存在结晶区和无定形区。一般结晶区较致密，无定形区较松散。

微晶纤维素是由天然纤维素经过降解（一般发生在无定形区）得到的一类纯化的、部分降解的纤维素材料。微晶纤维素具有优异的稳定性、压缩性及生物安全性，广泛用于医药、化妆品、食品等领域，是一种重要的药物辅料。

传统制备微晶纤维素的方法是酸水解法，具体地，它是在高温下（一般为100^oC以上）用强酸使纤维素无定形区分子链水解制备而得。水解后，纤维素结构被破坏，由细长纤维变为微米级的棒状或者球形结构。由于无定形区被水解，微晶纤维素的结晶度升高。但传统酸水解法需要消耗大量的酸和能源，在环境日益恶劣的今天，已不符合时代发展的需求。

在酸水解的基础上，黄科林等（CN101864685A）开发了一种近临界水法来制备微晶纤维素。利用近临界水高电离常数的特性，临界水同时具有酸催化和碱催化的功能，从而取代强酸实现纤维素的水解。由于无需加入强酸作为催化剂，该方法具有清洁无污染的优点。但它需要特殊的设备（高压釜），并且要在高温下进行（200~330℃），能耗较大。

Hanna等（美国专利6228213）公开了一种物理处理与酸水解相结合的方法。在80~200℃下，使纤维素-酸混合液通过挤出机挤出。挤出过程中产生的高压力促进了纤维素酸水解的过程。该方法具有反应时间短、酸的加入量小的优点，但是同样需要特殊的生产设备（螺杆挤出机）。科佩斯基等（CN1671743A）等也公开了一种微晶纤维素的制备方法。它是在高温高压下用挤出机挤出纤维素-过氧化氢混合液后，使纤维素材料不冷却继续水解，得到所需品质的微晶纤维素。

除了化学水解法，物理方法也可制备微晶纤维素，一般是通过高压或者高剪切或者辐射作用来实现的。Ha等（美国专利5769934）公开了一种蒸气喷发法。它是将纤维素原料在高温高压下（170℃）以上与水蒸气短暂接触后，迅速释放压力产生的高剪切作用力促使纤维素材料破碎得到所需微晶纤维素。该方法具有绿色环保的特点，但同样需要特殊的设备。许零等（CN101481424A）公开了一种通过辐射制备微晶纤维素的方法。它是在高能辐射作用下，纤维素链发生降解，然后通过机械碾磨过程制备超细微晶纤维素。

综上，目前报道的制造微晶纤维素的方法都存在以下缺陷中的一种甚至多种：需要特殊的生产设备（如挤出机、高压釜、高压蒸汽产生设备）；在较高温度下进行，耗能高；固液比较低，导致产率较低。这些缺陷提高了生产成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低温下制备微晶纤维素的方法。该方法无需特殊生产设备、可避免高温处理过程，耗能小，工艺简单。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

低温下制备微晶纤维素的方法，其特征在于：它的步骤如下：

步骤1. 将纤维素原料用浸润溶剂完全浸润，所述的浸润溶剂为水或质量百分比浓度不超过15wt%的酸溶液或质量百分比浓度不超过5wt%的氧化物溶液；

步骤2. 将步骤1浸润处理后的纤维素原料冷冻处理、粉碎；

步骤3. 将步骤2中粉碎得到的纤维素粉末进行高速剪切处理，对高速剪切处理后的产品进行后处理，即得到微晶纤维素。

按上述方案，所述步骤1中的酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸中的一种或者以上的混合，进一步优选为盐酸；所述步骤1中的氧化物为过氧化氢或NaClO₂，进一步优选为过氧化氢。

按上述方案，所述步骤1中的纤维素原料包括但不限于棉纤维、木浆、麻、木杆、甘蔗渣，该纤维素原料的性状可为片状、絮状或粉末状。