[发明专利]一种同时制备纤维素纳米晶体和纤维素纳米纤丝的工艺

说明书

本发明属于纤维素纳米材料的制备领域，具体涉及一种同时制备纤维素纳米晶体和纤维素纳米纤丝的工艺。本发明涉及的纤维素纳米晶体和纤维素纳米纤丝制备工艺首先是以机械粉碎作为预处理手段对植物纤维素浆料进行粉碎，然后以有机酸水解粉碎后的纤维素浆料，其后的水解液经滤纸过滤后将滤饼重新分散并离心，上清液即为纤维素纳米晶体，离心后的沉淀配制为一定浓度的悬浮液经高压均质得到纤维素纳米纤丝。该工艺过程简单、反应条件温和、过程可控、制备过程清洁高效。

技术领域

本发明涉及纤维素纳米材料制备领域，具体涉及一种同时制备纤维素纳米晶体和纤维素纳米纤丝的工艺。

背景技术

纤维素是木质纤维资源的主要组成部分，是地球上最丰富的天然高分子化合物。纤维素因具有生物相容性、生物降解性、可再生性、环境友好性和无毒性等优点，在生物医学材料领域受到越来越多的关注。近20年，由木质纤维原料制备纳米纤维素受到了研究人员的广泛关注。纳米纤维素具有优异的物理化学性能，如高拉伸强度和弹性模量(130～150GPa)、高比表面积(可达数百m²/g)、低密度(低至1.6g/cm³)、可生物降解性和可再生性等优点，其被广泛应用于水凝胶、气凝胶、生物医药、光电材料、纳米复合材料等领域。

基于纳米纤维素的尺寸、形貌和制备技术的不同，纳米纤维素主要分为纤维素纳米晶体(Cellulose nanocrystals，CNCs)和纤维素纳米纤维(Cellulose nanofibrils，CNFs)。其中：CNCs具有较高的结晶度，主要由无机强酸(硫酸、盐酸、磷酸)水解法制得；CNFs具有较大的长径比，主要由化学预处理配合机械法(高压均质法、研磨法、超声法)制得。如中国专利1(申请号为CN201710049562.9)公开了一种纳米晶体纤维素的制备工艺，该纳米晶体纤维素通过将纤维素木浆进行机械处理后加入到盐酸溶液中进行第一梯度水解反应，再使用硫酸溶液进行第二梯度的水解反应得到。中国专利2(申请号为CN201810104629.9)公开了一种利用草酸酸解制备纳米纤维素晶须和纤丝的方法，纸浆原料经草酸水解后抽滤洗涤至中性，稀释后经高压均质后离心，上层清液为纤维素纳米晶须，沉淀稀释后再经过高压均质得到纤维素纳米纤丝。无机强酸水解制备纤维素纳米晶体具有严重腐蚀设备、导致纤维素过度降解、用水量大、产生大量的盐和酸性废物以及难以回收再利用的缺点。有机酸水解能够避免纤维素在酸水解过程中发生严重降解而影响纳米纤维素材料的性能，且使用过的有机酸可回收重复利用。同时，机械预处理能够使纤维分丝帚化，提高酸水解的效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种绿色经济可持续的同时制备纤维素纳米晶体和纤维素纳米纤丝的工艺。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案概述为如下工艺，其特征步骤按顺序包括：

步骤(1)：将纤维素浆料以粉碎机粉碎3min～10min；

步骤(2)：将60％～80％质量份的有机酸、1％～5％质量份上述步骤(1)中粉碎后的纤维素浆料和其余质量份为蒸馏水加入到反应器中，然后升温至70℃～100℃，搅拌1h～5h；

步骤(3)：向步骤(2)搅拌后的反应体系加入100～200质量份的蒸馏水以停止反应，将反应后的纤维悬浮液在真空条件下用滤纸快速过滤，将纤维素固体从酸水解物中分离出来；

步骤(4)：步骤(3)中过滤得到的固体以100～800质量份的蒸馏水分散，在5000r/min～10000r/min的转速下离心3min～10min，倾倒出上清液而保留沉淀部分，重复此步骤用蒸馏水离心洗涤沉淀3～8次；

步骤(5)：步骤(4)中洗涤后所得固体用100～800质量份的蒸馏水分散，以截留分子量为14000的透析袋透析5～7天；