[发明专利]一种纳米结晶纤维素的制备方法

说明书

本发明涉及一种从木质纤维素中快速高效地制备纳米结晶纤维素的方法，属于生物质利用与生物化工技术领域。首先，木质纤维素经γ光电子氧化，产生自由基，破坏生物质致密结构；然后，采用γ‑戊内酯/水(50∶50，v/v)共溶剂脱除生物质中的半纤维素和木质素组分，同时，破坏水解纤维素非结晶区，减压抽滤即得氧化结晶纤维素；最后，采用次氯酸钠/氢氧化钠溶液，50℃漂白1h，获得高纯结晶纤维素，配制0.5％(w/v)结晶纤维素悬浮液进行超声分散，即得纳米结晶纤维素。该方法绿色环保，无“三废”排放，纳米结晶纤维素得率为87％。

技术领域

本发明涉及一种快速高效制备纳米结晶纤维素的方法，属于生物质利用与生物化工技术领域。

背景技术

石油、天然气、煤炭等不可再生能源的过度消耗，及由此产生的环境污染问题，迫使人们不得不将目光转向可再生新能源和生物基材料、化学品的开发，以推动人类社会的可持续发展。木质纤维素作为地球上最丰富的可再生资源，来源广泛，其中纤维素组分在能源、医药、化学、材料等领域都有很重要的应用，将纤维素制备成纳米结晶纤维素是炙手可热的研究课题。

现有纳米结晶纤维素制备方法，集中于从纯度较高的纤维素浆液中制备纳米结晶纤维素，产品得率普遍较低，基本低于50％。制备工艺过程复杂，制备周期长，如传统硫酸法需要透析4-5天以去掉氢离子。目前现有制备方法中也常用到碱或酸液，环境污染较为严重，如刘潇等利用2％氢氧化钠溶液对花生壳预处理提取纤维素后再利用64％(w/v)硫酸进行酸解(刘潇，董海洲，侯汉学.花生壳纳米纤维素的制备与表征[J].现代食品科技，2015，31(3)，172-176)；再如陈姗姗等利用3％氢氧化钠溶液预处理葵花籽壳后再利用硫酸水解制备纳米结晶纤维素(陈珊珊，陶宏江，王亚静，马中苏，张丽萍.葵花籽壳纳米纤维素制备工艺优化及其表征[J].农业工程学报，2015，31(15)，302-308)，以上方法在预处理过程中均采用高浓度碱液预处理生物质，高浓度硫酸酸解制备纳米结晶纤维素，导致大量酸碱废水排放，环境危害大。此外，也有采用物理或者化学氧化的方式来制备纳米结晶纤维素。例如，专利CN104294693报道，将棉或者木浆粕等天然纤维素通过高能电子束辐照之后，再辅以机械粉碎和水磨精细粉碎，得到微纳米纤维素，经多次循环水磨精细粉碎制得纳米结晶纤维素，上述制备过程能耗大，且用水量大，环境资源浪费严重。专利CN102964454报道，采用TEMPO(2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧化物)、次氯酸钠和氢氧化钠氧化漂白纤维素，可制备纳米结晶纤维素，该技术存在碱用量大，且TEMPO毒性大等不足，这对大规模工业化生产是极其不利的。截止目前，直接从生物质绿色环保快速高效地制备纳米结晶纤维素，尚未发现有关文献或专利报导。

发明内容

针对现有纳米结晶纤维素制备技术存在的不足，本发明提供了一种从生物质原料出发，快速高效制备纳米结晶纤维素的方法。

本发明涉及的快速高效制备纳米结晶纤维素的方法，按以下步骤进行：1.原料氧化预处理。将生物质原料切碎(≤10cm)，在600-800kGy条件下进行γ光电子氧化预处理，粉碎，过小于20目筛；2.半纤维素和木质素组分的脱除。将上述预处理生物质置于高压反应釜，加入一定体积的γ-戊内酯/水共溶剂，固/液重量/体积比1∶10，反应温度170℃，反应时间1h；3.粗纤维的分离。取出高压反应内胆，过滤，洗涤，得氧化结晶纤维。4.氧化结晶纤维的漂白：采用次氯酸钠和氢氧化钠，50℃摇床中反应2h，漂白2次，离心得纯度较高的结晶纤维素。5.纳米结晶纤维素的超声处理。将上述纯化的结晶纤维素配成0.5％(w/v)的悬浮液，以30mL800W超声分散5-10min，即得纳米结晶纤维素或以300mL超声80min得到纳米结晶纤维素。

与传统方法相比，本发明一种快速高效制备纳米结晶纤维素的方法，主要有以下技术优势：

1.直接从生物质制得纳米结晶纤维素，工艺简单，能耗低，易于工业放大。

2.产品得率高，为87％，长度主要集中151-250nm，稳定性好。