[发明专利]一种纳米纤维素纤维的制备方法及其产品

说明书

本发明涉及纳米纤维素技术领域，具体涉及一种纳米纤维素纤维的制备方法及其产品；具体的，以农作物秸秆为原料，经蒸汽闪爆处理后高压均质，然后去除木质素和半纤维素得纳米纤维素纤维。通过Box‑Behnken实验的所得数据，利用Design‑Expert.V8.0.6软件进行处理，获得了最佳的蒸汽闪爆条件为：蒸汽闪爆压力值为：1.52MPa，蒸汽闪爆时间为：283.31s，氢氧化钠浓度为：1.59wt％，在此条件下得到的纳米纤维素得率为：46.02％。本发明为优化蒸汽闪爆工艺参数提高纳米纤维素得率的制备和研究提供了参考，为纳米纤维素进一步研究奠定了基础。

技术领域

本发明涉及纳米纤维素技术领域，具体涉及一种纳米纤维素纤维的制备方法及其产品。

背景技术

纳米纤维素是指纳米材料中的纤维素至少有一维是处于纳米尺度(1-100nm)，并且将纳米材料分散在水中可以形成稳定的悬浮液的纤维素晶体。根据纳米纤维素的形貌，粒径大小，以及来源不同，纳米纤维素大致被分为以下3类：①纤维素微纤丝(Microfibrillated cellulose,MFC)②纳米纤维素晶体(Cellulose whisker)③细菌纳米纤维素(Bacterial cellulose，BC)。以植物为原料制备纳米纤维素可根据晶型分为两类：纳米纤维素纤维或微纤化纤维素(Nanofibrillated cellulose,NFC)和纳米晶体纤维素(Nanocrystalline cellulose,CNC)。与CNC短棒状的结构相比，NFC具有较大的长径比和比表面积,高结晶度，良好的亲水性，且空间膨胀性强,表面羟基被活化,较容易进行表面化学改性，是一种新型纳米材料，在食品加工,医学药物等领域具有良好的应用前景。

经调查，我国每年生产玉米秸秆约为1.7亿吨，随着种植业发展势头迅猛，导致大量的秸秆积存，人们只好将其焚烧，而大批量的秸秆的燃烧，产生大量PM2.5，造成了大面积的环境被污染。如何合理利用玉米秸秆资源成为现如今人们面临的一大难题。玉米秸秆中含有丰富的纤维素，半纤维素和木质素，其中粗纤维的含量更是高达31％-41％。因此，如果能够提供一种从农作物秸秆中制备纳米纤维素纤维(NFC)的方法将产生极大的经济效益。

发明内容

基于上述内容，本发明提供一种纳米纤维素纤维的制备方法及其产品，通过以农作物秸秆为原料，经蒸汽爆破处理制备纳米纤维素纤维，节能环保的前提下实现了废弃资源有效利用。

本发明的技术方案之一，一种纳米纤维素纤维的制备方法，以农作物秸秆为原料，经蒸汽闪爆处理后高压均质，然后去除木质素和半纤维素得纳米纤维素纤维。

蒸汽闪爆是利用高温高压的水蒸气瞬间释放压力使物质分离的一种技术，在进行蒸汽闪爆的过程中一共分为4个阶段：(一)类酸性水解作用和热降解作用；(二)类机械断裂作用；(三)氢键破坏作用；(四)结构重排作用。本发明利用蒸汽闪爆处理农作物秸秆是通过高强度的作用力破坏木质纤维素的结构，使纤维素、半纤维素、木质素更好的分离，从而有助于纳米纤维素纤维的提取。

进一步地，农作物秸秆在进行蒸汽闪爆前在氢氧化钠溶液中浸泡处理。

经过氢氧化钠处理后的秸秆原料中纤维素并没有发生显著提高，但半纤维素和木质素的含量却发生了显著的改变，这是因为秸秆中的半纤维素会与碱液发生剥皮反应，其中的纤维素苷键水解裂开，半纤维素分子上的乙酰基也容易脱落下来，木质素分子结构中的酚羟基在与NaOH反应时，发生裂解，从而增加了碱液的溶解度，使反应高效、有序的进行。而蒸汽闪爆前进行了碱处理也使得纤维素在高温碱处理的条件下发生了溶胀作用，这更利于半纤维素和木质素的脱离。

进一步地，所述氢氧化钠溶液浓度1.0-2.0wt％，浸泡时间24h。

进一步地，所述蒸汽闪爆处理条件：压力0.5-2.5MPa，时间90-360s。