[发明专利]一种含纳米纤维素的粉体的制备方法

说明书

本发明公开了一种制备含纳米纤维素粉体的方法，属于纳米材料制备领域，具体地说是一种将纳米纤维素水分散液干燥以得到高固含量固体的方法。由机械法或化学法处理得到的纳米纤维素分散液，与原淀粉、改性淀粉、碳酸钙、滑石粉、高岭土等的一种或两种及以上粉体或其分散液均匀混合，添加一定量增塑剂。采用室温或者加热在30℃～60℃条件下干燥，经粉碎、过筛后，得到固含量可高达99％的含纳米纤维素的粉体。该粉体可均匀分散于水中。该粉体可添加于塑料、橡胶加工中以提高基体的强度、韧性等性能；也可用于水性体系中。本发明方法操作步骤简单、绿色环保、成本优势明显、易在工业上规模化应用。

技术领域

本发明属于纳米材料制备领域，具体地说是一种将纳米纤维素水分散液干燥以得到高固含量固体的方法。

背景技术

纳米纤维素是一种绿色的纤维素基可再生高分子材料，具有高结晶度、高纯度、高杨氏模量、高强度、高亲水性、高透明度等特点，在食品、医药、化妆品、造纸、包装、汽车、塑料、电子产品、新材料等多个领域有巨大的应用前景。

纳米纤维素的制备方法主要分为化学法和机械法两大类。化学法是使用一定浓度的硫酸、盐酸或两者的复合酸，在一定温度和时间条件下处理纤维原料如棉浆、木浆、麻浆、竹浆、蔗渣、麦草、稻草、马铃薯茎秆或玉米芯等，使之发生酸水解反应，纤维素无定形区降解、结晶区保留的方法；该方法得到的纳米纤维素又称为纤维素纳米晶(CNC)，其直径在1～100nm。机械法包括高压均质处理、微射流处理、超细研磨处理、冷冻破碎处理、高强超声处理等。通过高压机械方法处理天然纤维素得到的新型高度润胀的胶体状纳米纤维素，又称为微纤化纤维素(MFC)，其直径为数十纳米至数百纳米。为了降低机械法的能耗，研究人员提出了多种预处理方法，如生物酶预处理、酸-碱抽提预处理、羧甲基化预处理、乙酰化预处理、TEMPO氧化预处理、高碘酸盐氧化等。(董凤霞等，纳米纤维素的制备及应用，2012年第6期；高艳红等，微纤化纤维素及其制备技术的研究进展，化工进展，2017年第1期)

无论是化学还是机械处理制备纳米纤维素均是在液体介质中进行，纳米纤维素的质量分数都比较低，一般为0.3％～3.0％，很少超过6％。低浓度的纳米纤维素分散液不仅会限制其应用范围，如塑料、橡胶、制鞋、汽车等领域需要以固体的形式添加；另一方面也会增加运输、储存成本，还容易滋生细菌，因此有必要对纳米纤维素分散液进行有效浓缩、干燥。而采用常规的方法干燥时，纳米纤维素分散液里的水分快速蒸发、形成紧密结实的膜，纳米纤维素分子间易形成氢键和缠结、发生不可逆的聚集(即角质化)，很难再分散于水中。低温冷冻干燥需要的时间久、效率低、成本高，而且要求分散液初始固含量低，否则会形成气凝胶。喷雾干燥要求分散液固含量低，干燥后纤维易聚集、颗粒尺寸范围大。(高艳红等，微纤化纤维素及其制备技术的研究进展，化工进展，2017年第1期)因此，纳米纤维素如何高效干燥是限制其产业化应用的一个重要问题。

专利CN 102245815 A公开了一种在水中可再分散的干燥形式的纳米晶体纤维素(NCC)，其制备方法是在水悬浮液中用单价阳离子(如Na⁺，K⁺，Li⁺，NH₄⁺和四烷基铵(R₄N⁺)，质子化的三烷基铵(HR₃N⁺)，质子化的二烷基铵(H₂RaN⁺)，以及质子化的单烷基铵(H₃RN⁺)离子)来交换H-NCC的质子，所得到的M-NCC悬浮液形成膜层，干燥膜层形成固体形式。该方法仅针对酸处理得到的纳米晶体纤维素，而且会在系统中引入新的离子，可能对应用造成不利影响。

专利CN 103304824 A公开了一种高浓度纳米微晶纤维素胶体的制备方法，其将低浓度(0.5％左右)的纳米纤维素胶体通过控制旋转蒸发工艺条件，温度(30℃～50℃)、转速(2～6rpm)来浓缩制备高浓度的纳米纤维素胶体，其质量分数达35％～85％。但此方法必须将溶液中的离子透析掉才能进行浓缩，透析过程耗时长，纳米纤维素的生产成本较高。