[发明专利]一种生产纤维素微丝的方法

说明书

技术领域

本发明隶属于绿色化学与生物质能源和材料领域。具体涉及到使用绿色方法制备可再生功能性生物材料方面。

背景技术

纤维素是天然植物组织的重要结构成分，形成支撑植物的重要骨架结构。天然纤维素纤维常为丝状，宽度5-10微米，长度10-30微米。具有分布广泛，储量巨大和可再生等优点。同时，纤维素也是生产生物质燃料和生物质精炼重要的原料，广泛应用于制浆造纸、纺织和水解生产可发酵糖等领域。纤维素的基本结构单元是葡萄糖通过糖苷键连接形成的葡萄糖链。多条葡萄糖链相互堆积形成纤维原丝。纤维原丝的直径大约为5nm。组成纤维素原丝中的葡萄糖单元上的羟基与相邻的纤维素原丝中葡萄糖单元的羟基形成氢键结构。原丝通过氢键的作用进一步堆积形成具有良好的机械的柔韧性纤维素纳丝(也称纳米纤维，英文Nano-fabrillated cellulose，简称NFC)。NFC呈现丝状，长度为数微米，直径为20-50nm。沿纤维素纳丝轴向交替分布着纤维素的结晶区和非结晶区。纤维素链中复杂的和强烈的氢键网络稳定了纤维素的结晶区。使得结晶区很难被溶剂渗透，具有一定的顽抗性。NFC在氢键作用下堆积成直径的线状结构，形成纤维素微丝(也称微丝纤维素，英文Micro-fabrillated cellulose，简称MFC)。MFC直径为1-2μm左右，长度几十微米到数毫米。MFC具有的长宽比和比表面积，是一种容易定形，性能优异，来源稳定的可再生材料。以MFC制备的材料具有高硬度和强度的特性。可以被广泛的应用于汽车车身制造，仪表盘制造，建筑混凝土添加剂，包装材料，日用品，化妆品，过滤网，隔音板，涂料等领域。具有巨大的应用前景和商业开发潜力。

目前制备MFC的原料为高纯度纤维素纸浆。具有代表性的技术方法有机械法、2,2,6,6-四甲基-1-1哌啶-N-氧自由基(TEMPO)化学氧化法，静电喷丝法等。机械法的原理是借助强大的物理外力的推动，经过溶胀或分丝的纸浆被高速剪切或挤压通过狭小的空隙(5-20μm)，产生剧烈的撞击摩擦、空穴效应和湍流作用。水分子渗透到纤维内部结晶区，原纤维天然的氢键网络被破坏，原纤维之间结合力明显削弱。同时结晶区氢键网络结构无法恢复。这都引起MFC的形成、剥离和分散。机械法广泛使用的设备包括高压均质机(Homogrnizer)，微射流机(Micro fluidizer)和研磨机(Grinder)。TEMPO介导的化学氧化法主要为TEMPO介导的选择性氧化。在碱性环境下，由于近似的氧化还原电势差，TEMPO可以选择性氧化纤维素链中的羟基成羧基。羧基与羟基之间无法形成氢键，从而阻碍了纤维之间氢键网络的形成。C6位被氧化的纤维素通过进一步机械处理，分离制得MFC。TEMPO介导的化学氧化法生产出的MFC产品具有良好的均匀性和稳定性优点。

原料方面，常规生产MFC的原料是高纯度纤维素纸浆(主要是溶解浆)。目前一吨高纯度的针叶树木材溶解浆原料的价格是普通化学浆原料的2～3倍。同时，高纯度的溶解浆在纺织领域需求量较大，受到浆厂产能制约。开发适用于普通纤维素原料的制备MFC的技术方法，会解决使用溶解浆时面临的成本高和来源受限等问题。

技术方面，常规的生产方法存在以下的不足：机械处理耗能大。有报道指出：一吨MFC产品需要耗电大约一万至十几万千瓦时；其次生产周期较长，需要反复循环处理，得到的产品尺寸均匀性较差。化学氧化结合机械处理的方法，尽管能明显降低耗能，但氧化法对原料的纯度要求较高。以目前最高效的TEMPO氧化方法为例：试剂消耗量大，无法回收利用，成本较高；使用TEMPO氧化时，需要使用次氯酸钠溶液作为氧化剂，同时添加溴化钠或溴化钾作氧化反应助剂，生产废水中含氯或溴对环境造成严重威胁，后续需要复杂和高成本的水处理。这些问题限制了TEMPO化学氧化法在生产中的大规模应用。

发明内容

本发明目的在于提供一种适用于普通纤维素原料的制备MFC的技术方法，会解决使用溶解浆时面临的成本高和来源受限等问题。