一种芦苇茎纤维素纳米丝及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种芦苇茎纤维素纳米丝及其制备方法，涉及纳米材料技术领域。一种芦苇茎纤维素纳米丝的制备方法，以芦苇茎为原料，经过水解预处理、碱液处理、漂白处理、TEMPO氧化处理后经微射流纳米均质处理后得到芦苇茎纤维素纳米丝。上述制备方法生产工艺简单、易于实施，可很好地提高芦苇的综合利用价值。制备得到的芦苇茎纤维素纳米丝具有高长径比、大比表面积、强杨氏模量以及高反应活性，其机械性能好、生物可降解、易于复合，可广泛应用于光学、电学和生物医学等领域。

Reed stalk cellulose nanometer filament and preparation method thereof

The invention provides a reed stalk cellulose nanometer filament and a preparation method thereof, relating to the field of nanometer material technology. A preparation method of reed stem cellulose nano wire, with reed stem as raw material, through hydrolysis pretreatment, alkali treatment, bleaching, TEMPO after oxidation treatment by micro nano jet homogenizing treatment by reed stem cellulose nano wire. The preparation method has the advantages of simple production process and easy implementation, and can effectively improve the comprehensive utilization value of the reed. Reed stem cellulose nanowires prepared with high aspect ratio, high surface area, high modulus and high reactivity, good mechanical properties, biodegradability, easy to compound, can be widely used in optical, electrical and biomedical fields.

【技术实现步骤摘要】
一种芦苇茎纤维素纳米丝及其制备方法
本专利技术涉及纳米材料领域，且特别涉及一种芦苇茎纤维素纳米丝及其制备方法。
技术介绍
能源危机和资源短缺是目前全球面临的一个严峻的问题，如何对资源进行充分利用则是人类面临的一个重要挑战。木质纤维素资源是地球上最丰富的可再生资源，可为人类提供生产、能源与材料的基本原料。我国是一个木材资源相对贫乏，但非木材资源(农业秸秆、竹材、芦苇、蔗渣)却十分丰富的国家。芦苇为禾本科多年生草本植物，是形态上高度分化的草甸和湿地植被建群种，广泛分布于世界各地。据统计，我国每年在湖区种植生产的芦苇约300万吨，一直被用于造纸产业的主要原料，但自21世纪以来，随着国家对环境保护的高度关注，造纸企业以进口废纸浆和木浆对苇浆进行替换，大量的芦苇被废弃或仅作为干柴进行燃烧，造成了极大的浪费。因此，研究芦苇深加工技术，提高芦苇的经济价值，具有重大的社会现实意义和经济效益。纤维素纳米丝作为一种拥有纳米尺度的天然材料，广泛存在于木质纤维中，其直径一般在100nm以下，长度从100nm到几微米不等，具有优异的刚性强度和杨氏模量。另外，纳米纤维素纤丝还具有高比表面积、高长径比，可作为纳米复合材料增强相，兼之其具有轻质、生物相容性及可降解性，具有十分广阔的应用前景，同时，其在纳米复合材料、人造皮肤、生物传感器等先进功能材料领域存在较大的潜在应用空间。专利技术人对芦苇进行分析后发现，芦苇茎中的纤维素含量为45％左右，纤维的平均长度为1.12mm，长径比可达到120，可以通过物理、化学方法制备成具有优异性能的纤维素纳米纤丝。目前尚未有关于采用芦苇茎制备纤维素纳米纤丝的研究与报道，尚属于一个全新的课题。通过研究对芦苇茎的资源化利用，制备高附加值可再生纳米新材料，对切实提高我国芦苇种植人员经济收入和高值化利用芦苇，走可持续绿色发展经济，具有重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种芦苇茎纤维素纳米丝的制备方法，此方法以芦苇茎为原料，制备得到纤维素纳米丝，制备工艺简单，易于实施，适用于工业大规模化生产，为高质化利用芦苇提供了新的技术途径。本专利技术的另一目的在于提供一种芦苇茎纤维素纳米丝，此纤维素纳米丝具有高长径比、大比表面积、强杨氏模量、高反应活性等特性，其机械性能好，生物可降解、易于复合。本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。本专利技术提出一种芦苇茎纤维素纳米丝的制备方法，包括以下步骤：预处理：芦苇茎经水解处理后干燥得到芦苇茎预处理物。碱液处理：芦苇茎预处理物经碱性溶液处理去除木素得到芦苇茎综纤维素。漂白处理：芦苇茎综纤维素经漂白剂处理去除残余木素和半纤维素得到芦苇茎纤维素。氧化处理：芦苇茎纤维素经TEMPO/NaBr/NaClO体系氧化处理得到芦苇茎氧化纤维素。均质处理：芦苇茎氧化纤维素经过微射流纳米均质处理得到芦苇茎纤维素纳米丝。本专利技术提出一种芦苇茎纤维素纳米丝，其根据上述方法制备得到。本专利技术实施例的芦苇茎纤维素纳米丝及其制备方法的有益效果是：选取被作为废弃资源的芦苇作为加工材料，芦苇作为一种可再生资源，原料来源丰富，成本低廉。既能够实现制备成本的控制，又能对实现对芦苇茎的资源化利用，对切实提高我国芦苇种植人员经济收入和高值化利用芦苇，走可持续绿色发展经济，具有重要的现实意义。芦苇茎经过水解预处理、碱液处理、漂白处理后分离得到芦苇茎纤维素。然后，采用TEMPO/NaClO/NaBr氧化体系在芦苇纤维上引入大量的羧基，再进一步经过均质处理，最终制得高长径比的纤维素纳米丝。生产工艺简单、易于实施，适用于工业大规模化生产，很好地提高芦苇的综合利用价值。制备得到的芦苇纤维素纳米丝，具有高长径比、大比表面积、强杨氏模量以及高反应活性，其机械性能好、生物可降解、易于复合，可广泛应用于光学、电学和生物医学等领域，特别是制备得到的纤维素纳米丝的长径比较大，非常适合于聚合物加工领域。当高长径比的芦苇纤维素纳米丝作为增强剂加入到聚合物(PLA，PVA，PBS)中成型时，复合材料内部分子结合更加稳固，当复合材料受力时，施加的应力能迅速的在材料上充分的传递，对提升复合材料的物理性能具有明显的意义。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为本专利技术实施例1的芦苇茎的数码照片；图2为本专利技术实施例1的芦苇茎纤维素纳米丝的透射电镜图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。下面对本专利技术实施例的芦苇茎纤维素纳米丝及其制备方法进行具体说明。一种芦苇茎纤维素纳米丝的制备方法，由以下步骤制备得到。首先，预处理步骤：芦苇茎经水解处理后干燥得到芦苇茎预处理物。优选地，将芦苇茎经切断后分散于水中，在温度为120℃～180℃、压力为1.3～1.6MPa条件下处理60～240min，干燥得到芦苇茎预处理物。进一步地，在本专利技术较佳实施例中，将芦苇茎截断成1～3cm的小段，将芦苇茎截成适宜长度，便于后续的操作，且能量耗费少。进一步地，在本专利技术较佳实施例中，预处理步骤中，芦苇茎和水的料液比为1:6～10g/mL。进一步地，在本专利技术较佳实施例中，干燥为风干，可选用自然风干，也可选用机械风干。采用自然风干能够更好地保证芦苇茎的结构不受到破坏，成品率更高。芦苇作为一种可再生的生物质材料，其秆茎中的纤维素含量较高，木质素含量较低，秆茎表皮具有光滑的含蜡层和较高的硅物质含量。芦苇茎表面覆盖着蜡质层、硅以及其他非极性成分，使得其显示出很强的疏水性，降低了材料的表面润湿性。芦苇茎经过高温高压水解处理后，使得芦苇茎中的半纤维素降解，木质素软化，降低纤维之间的横向连接强度。且经水解处理后，芦苇茎表层的蜡质和硅被部分破坏掉，使得含有活性羟基的纤维束暴露出来，提高了材料的润湿性。保证后续工序中，碱性溶液或其他试剂能够进入到材料内部进行反应，保证反应高效有序进行。然后，碱液处理步骤：芦苇茎预处理物经碱性溶液处理去除木素得到芦苇茎综纤维素。优选地，将芦苇茎预处理物以料液比1:10～20g/mL分散于碱性溶液中，25～35℃下浸泡20～60min后，升温至155～160℃，反应45～90min，然后保温45～90min得到芦苇茎综纤维素。进一步地，在本专利技术较佳实施例中，碱性溶液为NaOH和蒽醌的混合溶液，其中，NaOH的质量分数为1.6％～2％，蒽醌的质量分数为0.05％～0.1％。综纤维素，又称总纤维素(totalcellulose)，是指植物纤维原料除去抽出物和木质素后所留下的部分(即半纤维素和纤维素的总称)。利用碱性溶液可用有效脱除芦苇茎预处理物中的木素。蒽醌是一种有机合成中高级染中间体，蒽醌不易被氧化，能发生硝化、磺化和溴化反应，在碱液处理步骤中，在NaOH中加入少量蒽醌，能够可加快脱木素的速度，缩短反应时间，提高产品得率。同时，通过先在常温下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种芦苇茎纤维素纳米丝的方法，其特征在于，包括以下步骤：预处理：芦苇茎经水解处理后干燥得到芦苇茎预处理物；碱液处理：芦苇茎预处理物经碱性溶液处理去除木素得到芦苇茎综纤维素；漂白处理：所述芦苇茎综纤维素经漂白剂处理去除残余木素和半纤维素得到芦苇茎纤维素；氧化处理：所述芦苇茎纤维素经TEMPO/NaBr/NaClO体系氧化处理得到芦苇茎氧化纤维素；均质处理：所述芦苇茎氧化纤维素经过微射流纳米均质处理得到纤维素纳米丝。

【技术特征摘要】
1.一种芦苇茎纤维素纳米丝的方法，其特征在于，包括以下步骤：预处理：芦苇茎经水解处理后干燥得到芦苇茎预处理物；碱液处理：芦苇茎预处理物经碱性溶液处理去除木素得到芦苇茎综纤维素；漂白处理：所述芦苇茎综纤维素经漂白剂处理去除残余木素和半纤维素得到芦苇茎纤维素；氧化处理：所述芦苇茎纤维素经TEMPO/NaBr/NaClO体系氧化处理得到芦苇茎氧化纤维素；均质处理：所述芦苇茎氧化纤维素经过微射流纳米均质处理得到纤维素纳米丝。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预处理步骤中，芦苇茎经切断后分散于水中，在温度为120℃～180℃、压力为1.3～1.6MPa条件下处理60～240min，干燥得到所述芦苇茎预处理物。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，碱液处理步骤中，将所述芦苇茎预处理物以料液比1:10～20g/mL分散于碱性溶液中，25～35℃下浸泡20～60min后，升温至155～160℃，反应45～90min，然后保温45～90min得到所述芦苇茎综纤维素，其中，所述碱性溶液为NaOH和蒽醌的混合溶液，所述NaOH的质量分数为1.6％～2％，所述蒽醌的质量分数为0.05％～0.1％。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，漂白处理步骤中，将所述芦苇茎...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚进，李知函，毛龙，肖晓，冯正洋，郑思洁，刘静怡，
申请(专利权)人：湖南易生环保新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43