一种羧甲基化纤维素纳米纤丝及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种羧甲基化纤维素纳米纤丝及其制备方法。本申请采用在纳米化处理前采用羧基化改性预处理，同时通过优化制备过程中工艺条件和参数，从而实现降低能耗，同时提高羧甲基化纤维素纳米纤丝得率和品质。本发明专利技术相对于传统的无机酸水解法，制备体系中不存在残存的酸，避免了酸对环境的污染，且无需大量的水来进行透析；与未经过化学预处理的机械制备法相比，制备条件温和、操作简单、成本低且污染小；具有广阔的工业化应用前景。

Carboxymethylcellulose nano fibril and preparation method thereof

The invention discloses a carboxymethylation cellulose nano fibril and a preparation method thereof. The application adopts carboxylation modification pretreatment before nano-processing, and at the same time optimizes the technological conditions and parameters in the preparation process, thereby reducing energy consumption and improving the yield and quality of carboxymethylated cellulose nanofibers. Compared with the traditional inorganic acid hydrolysis method, the preparation system has no residual acid, avoids acid pollution to the environment, and does not need a large amount of water for dialysis; compared with the mechanical preparation method without chemical pretreatment, the preparation condition is mild, the operation is simple, the cost is low and the pollution is small; and has a broad industrialization. Application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种羧甲基化纤维素纳米纤丝及其制备方法
本专利技术属于纳米纤维素制备
，具体涉及一种羧甲基化预处理制备纤维素纳米纤丝的方法。
技术介绍
纳米纤维素是指直径在1-100nm之间，长度为几微米的纤维素产品。在拥有天然纤维素的基本性能的同时，其纳米尺寸赋予其小尺寸效应，使纳米纤维素具有许多优良特性，如质轻、高强度、高杨氏模量、高比表面积、高反应活性高以及特殊的流变性能等。这些特性使纳米纤维素在造纸、建筑、汽车、食品、化妆品、医学、涂料以及航空等领域具有巨大的潜在应用前景。纳米纤维素根据其制备方法、原料及结构的不同主要分为四类，即：纤维素纳米纤丝、纤维素纳米晶体、静电纺丝纤维素和细菌合成纤维素纳米纤维。静电纺丝纤维素和细菌合成纤维素纳米纤维分别通过细菌从低分子量糖类或溶解纤维素利用静电纺丝技术制备纳米纤维素，因此静电纺丝纤维素和细菌合成纤维素纳米纤维的大规模生产仍存在许多问题。而纤维素纳米晶体和纤维素纳米纤丝通过将纤维素分离成纳米级颗粒来制备，相对来说制备方法比较常见。从加工制备来看，纤维素纳米纤丝的强酸水解制备过程时间较长，且得率较低，排放出来的废液也需进一步处理，势必增加工业化生产成本，影响经济效益纤维素纳米纤丝主要借助机械高速剪切力和摩擦力将纤维素分子胀化、分离成直径为纳米级(通常为100nm以下)、长度为数百纳米甚至微米级的微纤丝束(团)，形态和尺寸基本与纤丝一致，因此被广泛称为纤维素纳米纤丝。目前主要加工设备有超微粉碎机、高速搅拌机、高剪切均质机以及超高压微射流纳米均质机等。然而上述的机械法制备纤维素纳米纤丝存在产品尺寸不均一，质量不稳定和分散性差等问题，且高速剪切通常需要高速运转的电机提供动力源，因此每次机械处理都要消耗大量的电能，电能消耗的多少是衡量纤维素纳米纤丝是否“绿色”的一个重要标准，同时也是该纳米纤维能否大范围商业化应用的决定因素之一。因此，寻找一种低成本、绿色环保且高效的预处理方法来降低纤维素纳米纤丝制备成本，提高纤维素纳米纤丝在工业中的利用价值，是目前国内外从事植物纤维素相关研究急需解决的问题。
技术实现思路
为了解决现有机械法制备纳米纤维素方法存在成本高、分散性差等问题的问题，专利技术人经长期的技术与实践探索，从而提供一种羧甲基化纤维素纳米纤丝及其制备方法，本申请采用在纳米化处理前采用羧基化改性预处理，同时通过优化制备过程中工艺条件和参数，从而实现降低能耗，同时提高羧甲基化纤维素纳米纤丝得率和品质，具有广阔的工业化应用前景。本专利技术的目的之一在于提供一种羧甲基化纤维素纳米纤丝的制备方法。本专利技术的目的之二在于提供上述制备方法得到的羧甲基化纤维素纳米纤丝。本专利技术的目的之三在于提供上述羧甲基化纤维素纳米纤丝的应用。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术的第一个方面，提供了一种羧甲基化纤维素纳米纤丝的制备方法，所述方法包括：S1.备料：对浓度为1-2％的浆料进行打浆处理；S2.溶液置换：利用无水乙醇对经过打浆的浆料进行溶液置换处理；S3.羧甲基化：将溶液置换后的浆料加入异丙醇与NaOH的混合溶液中搅拌分散后，再加入氯乙酸加热搅拌对浆料进行羧甲基化反应；S4.纳米化处理：对羧甲基化的浆料进行高速剪切、摩擦处理后，经过冷冻干燥得到羧甲基化纤维素纳米纤丝。进一步的，所述步骤S1.中，浆料为漂白硫酸盐木浆，进一步优选为漂白阔叶木硫酸盐浆；打浆处理温度为15～25℃(优选为20℃)；打浆终点为浆料的加拿大标准游离度为100～200mlCSF(优选为150mlCSF)；更进一步的，对步骤S1.打浆后所得浆料进行减压脱水后供步骤S2.使用；进一步的，所述步骤S2.中，溶液置换回数为2～5回(优选为3回)；进一步的，所述步骤S3.中，异丙醇与NaOH的混合溶液中异丙醇与NaOH的体积比为13～15：1(优选为14：1)；所述NaOH溶液浓度为25～35％(优选为30％)；氯乙酸添加量为1-5mmol/g(相对绝干浆)，加热搅拌时反应温度为50-70℃，搅拌时间为50-70min，转速为300-500rpm；进一步的，所述步骤S4.中，高速剪切、摩擦处理选用超微粉粹机，处理条件为：浆浓1-2％，磨盘间距-80至-150μm，磨盘转速为1500-1800rpm，循环处理回数为5-15回；冷冻干燥处理条件为：冷冻干燥温度为-55至-45℃、真空度为60Pa-120Pa，时间为24-72h；本专利技术的第二个方面，提供上述制备方法制备得到的羧甲基化纤维素纳米纤丝，所述羧甲基纤维素纳米纤丝得率为40～60％，纤维羧甲基含量为250-500μmol/g，表面Zeta电位为-40至-55mV，表观粘度为700-1600cPs。本专利技术的第三个方面，提供上述羧甲基化纤维素纳米纤丝在造纸、建筑、汽车、食品、化妆品、医学、涂料以及航空等领域中的应用。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术相对于传统的无机酸水解法，制备体系中不存在残存的酸，避免了酸对环境的污染，且无需大量的水来进行透析；(2)本专利技术与未经过化学预处理的机械制备法相比，制备条件温和、操作简单、成本低且污染小；(3)本专利技术相比传统的机械法，纳米纤维制备过程能耗低，得率高，所得纳米纤维长径比大，表面具有较高的带电荷量；(4)本专利技术制备的羧甲基化纤维素纳米纤丝羧甲基含量高，在水等溶剂体系中分散性好，不易产生团聚。附图说明图1是本专利技术实施例1提供的羧甲基化纤维素纳米纤丝扫描电镜图(标尺：100nm)。图2是本专利技术实施例2提供的羧甲基化纤维素纳米纤丝扫描电镜图(标尺：100nm)。图3是本专利技术实施例3提供的羧甲基化纤维素纳米纤丝扫描电镜图(标尺：100nm)。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。如前所述，由于现有机械法制备纤维素纳米纤丝存在产品尺寸不均一，质量不稳定和分散性差等问题，且耗能高。有鉴于此，本专利技术的一个具体实施方式中，提供一种羧甲基化纤维素纳米纤丝的制备方法，所述方法包括：S1.备料：对浓度为1-2％的浆料进行打浆处理；S2.溶液置换：利用无水乙醇对经过打浆的浆料进行溶液置换处理；S3.羧甲基化：将溶液置换后的浆料加入异丙醇与NaOH的混合溶液中搅拌分散后，再加入氯乙酸加热搅拌对浆料进行羧甲基化反应；S4.纳米化处理：对羧甲基化的浆料进行高速剪切、摩擦处理后，经过冷冻干燥得到羧甲基化纤维素纳米纤丝。本专利技术的又一具体实施方式中，所述步骤S1.中，浆料为漂白硫酸盐木浆，优选为漂白阔叶木硫酸盐浆；打浆处理温度为15～25℃(优选为20℃)；打浆终点为浆料的加拿大标准游离度为100～200mlCSF(优选为150mlCSF)；本专利技术的又一具体实施方式中，对步骤S1.打浆后所得浆料进行减压脱水后供步骤S2.使用；本专利技术的又一具体实施方式中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种羧甲基化纤维素纳米纤丝的制备方法，其特征在于，所述方法包括：S1.备料：对浓度为1‑2％的浆料进行打浆处理；S2.溶液置换：利用无水乙醇对经过打浆的浆料进行溶液置换处理；S3.羧甲基化：将溶液置换后的浆料加入异丙醇与NaOH的混合溶液中搅拌分散后，再加入氯乙酸加热搅拌对浆料进行羧甲基化反应；S4.纳米化处理：对羧甲基化的浆料进行高速剪切、摩擦处理后，经过冷冻干燥得到羧甲基化纤维素纳米纤丝。

【技术特征摘要】
1.一种羧甲基化纤维素纳米纤丝的制备方法，其特征在于，所述方法包括：S1.备料：对浓度为1-2％的浆料进行打浆处理；S2.溶液置换：利用无水乙醇对经过打浆的浆料进行溶液置换处理；S3.羧甲基化：将溶液置换后的浆料加入异丙醇与NaOH的混合溶液中搅拌分散后，再加入氯乙酸加热搅拌对浆料进行羧甲基化反应；S4.纳米化处理：对羧甲基化的浆料进行高速剪切、摩擦处理后，经过冷冻干燥得到羧甲基化纤维素纳米纤丝。2.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述步骤S1.中，浆料为漂白硫酸盐木浆，优选为漂白阔叶木硫酸盐浆。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1.中，打浆处理温度为15～25℃(优选为20℃)；打浆终点为浆料的加拿大标准游离度为100～200mlCSF(优选为150mlCSF)。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，对步骤S1.打浆后所得浆料进行减压脱水后供步骤S2.使用。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2.中，溶液置换回数为2～5回(优选为3回)。6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3.中，异丙醇与...

【专利技术属性】
技术研发人员：和铭，杨桂花，陈嘉川，王强，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：山东,37