[发明专利]一种制备纤维素纳米纤维的方法

说明书

技术领域

本发明涉及纤维素纳米纤维的制备方法技术领域，具体涉及使用一种选择性氧化体系选择性氧化纤维素，并结合机械处理制备纤维素纳米纤维分散液的方法，并可以进一步由纤维素纳米纤维分散液制备纳米纤维薄膜、凝胶等材料。

背景技术

纤维素是地球上含量最丰富的可再生有机物质，是植物光合作用将光能转化为化学能的主要产物。全世界范围内纤维素的产生量是巨大的，其中89％的天然纤维素资源被自然界中各种微生物降解消耗，最终转化为二氧化碳和水。虽然这是自然界中重要的碳循环，但从经济的角度来说，这无疑是巨大的资源浪费。

纤维素主要存在于植物细胞细胞壁的次生壁中，比如木材和棉絮。在生物合成过程中，纤维素是由直径在2-20nm的细长的纳米尺度微纤维组成。纤维素的基本单元分子的合成是受合成机制严格控制的，其并不是简单地平行分布在细胞的表面，而且在精确地控制机制下形成一定旋转角度。由于种种特异性的生物合成模式，纤维素分子形成了几乎完美的结晶排列。这些微纤维通过氢键相互紧密连接，从而构成细胞壁的多层次结构。从一个细胞单元提取出的纤维素呈现一个轴型的中空纤维，直径大约20-30μm，长约几个毫米。

现代生物技术研究应用

不同处理技术将纤维素做改性处理以扩大纤维素产品的应用范围。其中利用纤维素制备纤维素纳米纤维是一个很有应用前景的方向。

纳米纤维，指直径达到纳米尺度长度较大的线状材料，其直径一般小于100nm。由于纳米纤维小到以纳米论长短，其自身的物理和化学性能较常见材料已经有较大的改变，主要为以下几个方面：

1、表面效应。粒子的尺寸越小，其表面积越大，表面原子数、表面能迅速增加。由于表面粒子缺少相邻原子的配位，有许多悬空键，因而表面能增加后变得极不稳定，易于与其他原子结合，因而表现出很强的活性。

2、小尺寸效应。当微粒的尺寸小到与光波的波长、传导电子的德布罗意波长和超导态的相干长度透射深度近似或更小时，其周期性的边界条件将被破坏，粒子的声、光、电磁、热力学性质都将发生改变，如熔点降低、分色变色、吸收紫外线、屏蔽电磁波等。

3、量子尺寸效应。当粒子尺寸小到一定程度时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级，此时，原为导体的物质有可能变为绝缘体，繁殖，绝缘体也有可能变为超导体。

4、宏观量子的阳隧道效应。隧道效应指微小粒子在一定情况下具有贯穿势垒的能力。

目前制备纤维素纳米纤维的主要方法有化学水解法、物理机械法、生物细菌合成、化学人工合成和静电纺丝五种方法。其中化学方法可以同时表面改性纳米纤维素，赋予纳米级纤维素晶体以新的功能和特性；细菌生物合成时可调控纳米纤维素的结构、晶形、粒径分布等，容易实现工业化和商品化；物理机械方法工艺、设备简单，可以同时获得纳米纤维素和纳米纤维素复合物；人工合成纳米纤维素最容易调控纳米纤维素的结构、晶形、粒径分布等；静电纺丝方法可制备目前最细的纳米级纤维。

尽管纳米纤维素有许多制备方法，但是也有很多局限：化学方法需要用强酸水解，对反应设备要求高，回收和处理反应后的残留物困难；生物法制备细菌纤维素复杂、耗时长、成本高、价格贵；物理法制备微纤化纳米纤维素需要采用特殊的设备和使用高压，能量消耗比较高，制备的纳米纤维素粒径分布宽；人工合成的纤维素分子量小；静电纺丝制备微细纤维横截面大，横截面分布也很宽。因此研究发展出新型的简单、绿色、低能耗、快速、高效的制备纳米纤维素方法刻不容缓。

近前，一种新的制备纤维素纳米分散液的方法被广泛使用。其应用一种稳定的硝酰基化合物(比如2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基，TEMPO)作为氧化剂选择性氧化伯羟基为醛基或羧基。在TEMPO媒介氧化体系中，纤维素的氧化表现出了高度选择性的氧化效果。整个氧化体系中需利用NaClO和NaBr两种含卤族元素的化合物，这是一个弊端。

随着科学技术的发展，制备纤维素纳米纤维分散液的方法会更加成熟，而作为一种新兴的纳米生物材料，纳米纤维素日益受到各界的广泛关注。预计在不久的将来,纳米纤维素将会发展成一个大产业。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种利用漆酶-TEMPO氧化体系选择性氧化纤维素，然后通过机械处理制备纤维素纳米分散液的方法，以减少原氧化体系(TEMPO-NaBr-NaClO)中卤族元素对环境的污染，提高氧化体系的循环利用率，节约成本。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种制备纤维素纳米纤维的方法，包括如下步骤：