[发明专利]一种同步制备纤维素纳米晶须和纤维素纳米纤丝的方法

说明书

本发明公开了一种同步制备纤维素纳米晶须和纤维素纳米纤丝的方法。该制备方法包括如下步骤：通过低浓度硫酸溶液在高温下对纸浆进行水解反应，得到纤维素纳米晶须悬浊液，分离的纤维素固体残渣利用高压均质机均质制得纤维素纳米纤丝。该制备方法能充分利用纤维原料，转化率近100%，其中制备的纳米纤维素具有较高的长径比，且其起始热降解温度比传统浓硫酸法制备的纳米纤维素高100℃左右，在纳米复合材料应用方面具有极大的优势。

技术领域

本发明属于纤维素材料领域，尤其是涉及一种同步制备纤维素纳米晶须和纤维素纳米纤丝的方法。

背景技术

纤维素是地球上可再生的最有潜力的生物质材料，广泛应用于造纸、日用化学品、纺织物等领域。纳米纤维素因其优良的性能(结晶度高，低密度，比表面积大，高强度等)而广受关注。以纳米纤维素为生物基材料可以衍生出许多高价值副产品，例如水凝胶、气凝胶、纳米复合材料、光学电子材料等。

当前，有许多制备纳米纤维素的方法，如浓硫酸法、高压均质法、TEMPO氧化法等，但以上方法均存在一定的缺点，如专利CN105625077A采用浓硫酸水解法制备纳米纤维素，其使用大量的硫酸，并需要后续透析处理，不仅周期长，还会产生大量含酸废水。在该方法基础上的改进方法仍需要后续处理大量废酸，如专利CN109208366A以(甲基)磺酸代替部分硫酸，也需后续除去酸液。高压均质法存在能耗高的缺点，TEMPO氧化法存在方法繁杂等缺点。同时，以上方法纤维转化率低，无形中造成了原料浪费。为解决这一问题，有学者对浓硫酸水解所剩余的残渣进行均质处理获得纤维素纳米纤丝，同时为解决后续处理大量废酸的难题，有学者使用稀硫酸预处理浆料，再通过高压均质获得高得率纤维素纳米纤丝，然而其并未获得纤维素纳米晶须，也没有对水解液中的还原糖进行综合利用。专利CN106883301B采用湿法研磨同时制备了纤维素纳米晶和纤维素纳米纤丝，该方法虽转化率高，但存在能耗大、产品分散性差等问题。因此，既需要解决传统制备纳米纤维素的方法中，过程复杂，废酸后续处理等难题，也要同时得到纤维素纳米晶须和纤维素纳米纤丝，实现原料全利用的方法是非常必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服浓酸水解植物纤维的缺点与不足，提供一种同步制备纤维素纳米晶须和纤维素纳米纤丝的方法。本发明使用超低浓度的硫酸溶液，在较高温度下水解纤维原料获得纤维素纳米晶须以及纤维素纳米纤丝；同时通过过滤的手段去除残余的酸液，既缩减了反应周期，也避免大量废酸的困扰。本发明的优点在于原料的利用率高，硫酸用量极少，废水污染少，为实现纤维素纳米晶须及纤维素纳米纤丝的同步制备提供了一种绿色环保的新途径。

本发明的目的通过下述技术方案实现。

一种同步制备纤维素纳米晶须和纤维素纳米纤丝的方法，包括以下步骤：

(1)水解：将浆料加入到稀酸溶液中，在110-180℃下进行水解反应；所述稀酸溶液的浓度为0.1-0.4wt％；

(2)过滤洗涤：将步骤(1)所得的反应物用滤膜去除水解液中的还原糖，收集滤液，所剩滤渣用水再次过滤洗涤至中性；

(3)离心：将步骤(2)所得的滤渣进行离心，收集上层悬浊液，不断重复向残渣中加水洗涤，离心，收集上层悬浊液，直至上层悬浊液变澄清，收集固体残渣；所得上层悬浊液为纤维素纳米晶须悬浮液；

(4)均质：将步骤(3)所得的固体残渣放入水中，均质后获得纤维素纳米纤丝。

优选的，步骤(1)所述浆料是纸浆解离所得；所述纸浆为普通纸浆板、溶解浆板或是湿纸浆。

进一步优选的，所述的纸浆为普通漂白针叶木浆板。

优选的，步骤(1)所述的稀酸为稀硫酸。

优选的，步骤(1)所述稀酸溶液的浓度为0.25-0.35wt％。

优选的，步骤(1)所述浆料加入量是稀酸溶液质量的3-7％。