一种纳米纤维素晶体的制备方法技术

一种纳米纤维素晶体的制备方法，步骤如下：用pH 4.8的乙酸‑乙酸钠缓冲液配制浓度为0.03‑0.05g/mL的纤维素溶液，加入纤维素酶进行酶解，纤维素酶在溶液中的浓度为10‑15U/mL，酶解过程中每间隔12h进行一次超声，每次超声时间为30‑60min；反应结束后，取出样品，离心分离，将沉淀物离心水洗，冷冻干燥制得纳米纤维素晶体。本发明专利技术采用纤维素内切酶结合超声物理方法制备一维棒状纳米纤维素，该方法具有安全、无污染、高效、耗能低的优势，采用该方法制备得到的纳米纤维素晶体得率高、结晶度高、热稳定性好、粒径小。

Preparation of Nano-cellulose crystals

A method for preparing Nano-cellulose crystals is as follows: a cellulose solution with a concentration of 0.03 0.05g/mL is prepared by using acetic acid sodium acetate buffer at pH 4.8, and enzymatic hydrolysis is carried out by adding cellulase. The concentration of cellulase in the solution is 10 15U/mL. During the enzymatic hydrolysis, ultrasound is performed every 12 hours, and the time of each ultrasound is 30 60min; after the reaction, the sample is taken out. Cellulose nanocrystals were prepared by centrifugal separation, centrifugal washing and freeze-drying of precipitates. The invention adopts cellulose endonuclease combined with ultrasonic physical method to prepare one-dimensional rod-like nanocellulose. The method has the advantages of safety, pollution-free, high efficiency and low energy consumption. The nanocellulose crystal prepared by the method has high yield, high crystallinity, good thermal stability and small particle size.

【技术实现步骤摘要】
一种纳米纤维素晶体的制备方法
本专利技术属于生物复合材料
，具体涉及一种纳米纤维素晶体的制备方法。
技术介绍
目前，作为增强相提高复合材料的机械性能的纤维素受到人们的广泛关注，天然纤维素因难以均匀地分散在聚合物基体中，造成其与基体的界面相容性差，从而降低了复合材料的机械性能，限制了它的应用领域。纳米纤维素是通过化学或物理等方法将微米级的纤维素分解为纳米尺寸结构的产物，同时兼有天然纤维素及部分纳米粒子的结构具有较高的表面活性。纳米纤维素具有特有的胶体尺寸，能够长时间在水中形成稳定的悬浮液，从而提高其在复合材料中的分散性及与基体的相容性，制备低密度、高强度，生物可降解的纳米复合材料。近年来制备纳米纤维素的方法集中在化学方法上，如浓酸降解法，制备的纳米纤维素具有高结晶性、高弹性模量的棒状形态或为晶须结构，另有一些学者通过溶剂法等制备出球形纳米纤维素粒子。但强酸处理对环境污染大，产品后处理复杂。高压均质法是常见制备纳米材料的物理方法之一，在高压均质过程中，压力能的释放和高速运动使物料粉碎，从而减小物料的尺寸。但高压均质耗能比较大。且上述方法普遍存在纳米纤维素晶体粒径大、粒径不可控、热稳定性差等问题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术旨在提供一种环境友好的纳米纤维素晶体制备方法，并制备出粒径小、热稳定性好的纳米纤维素晶体。一种纳米纤维素晶体的制备方法，步骤如下：用pH4.8的乙酸-乙酸钠缓冲液配制浓度为0.03-0.05g/mL的纤维素溶液，加入纤维素酶进行酶解，纤维素酶在溶液中的浓度为10-15U/mL，酶解过程中每间隔12h进行超声，每次超声时间为30-60min；反应结束后，取出样品，离心分离，将沉淀物离心水洗，冷冻干燥制得纳米纤维素晶体。进一步地，酶解温度为45-55℃。进一步地，酶解在振荡环境下进行，振荡频率为120-130rpm。进一步地，酶解时间为72-120h。进一步地，超声波功率为300-400W。进一步地，反应结束后的具体操作为：取出样品，10000-12000rpm离心10-20min，水洗至pH为7，得到稳定的纤维素胶体，将胶体液倒入平皿中并置于-24--18℃冷冻20-30h，然后经-85--75℃冷冻干燥45-50h得到粉末状纳米纤维素晶体。本专利技术的反应原理为：纤维素内切酶进入无定形区，切割纤维素的骨架，使β-1,4-糖苷键断裂，导致纤维素分子聚合度的迅速降低，保留其结晶区，残留的结晶区经超声波处理后即为产物纳米纤维素晶体。超声提高酶解反应速度的机理如下：改变酶分子的三级结构，提高酶活，从而加速酶解反应；超声波对反应底物有均质作用，增加了酶与底物的接触面积，从而有利于酶解反应的进行；超声波的热效应，在酶解体系中施加超声，可以提高酶解体系的温度，加快酶解反应速率；超声波在振动时能产生强大的能量并向外传递，引起媒质质点以极高的速度和加速度进入振动状态，增加了酶与底物的接触机会，因此提高了酶解反应的速度。纤维素溶液在超声波处理过程中发生了一系列的变化，首先纤维素细胞壁被超声波击破，扩大了底物与酶接触的面积，故在此阶段水解率逐渐增大，速率较快；随着处理时间的延长，进一步增加了底物与酶相结合的几率，一段时间内达到最大；此后，随着处理时间的继续延长，部分纤维素酶的活性部位被超声波逐渐破坏，而且随着处理时间的延长，超声波的驻波会引起一定范围内的聚合作用，超声波的能量转化为热能，温度升高而使纤维素酶部分失活，因此超声波的处理时间对纤维素酶促水解有很大的影响，本专利技术选择超声时间30-60min，可使反应效率达到最高。本专利技术采用纤维素内切酶结合超声物理方法制备一维棒状纳米纤维素。该方法具有安全、无污染、高效、耗能低的优势。采用该方法制备得到的纳米纤维素晶体得率高、结晶度高、热稳定性好、粒径小。附图说明图1透射电子显微镜下各实施例及对比例纳米纤维素形貌；图2热重分析仪测定不同实施例及对比例纳米纤维素的热重变化；图3利用X-衍射图谱对各实施例及对比例纳米纤维素结晶度的测定；图中：a-对比例1，b-对比例2，c-对比例3，d-实施例1，e-实施例2，f-实施例3，g-实施例4，h-实施例5，i-实施例6，j-对比例4，MCC-微晶纤维素。具体实施方式下面结合具体实施例及附图对本专利技术做进一步详细说明。实施例及对比例中使用的纤维素内切酶购于诺维信(中国)生物技术有限公司；pH值4.8的乙酸-乙酸钠缓冲液配制方法如下：配制0.05mol/L的乙酸钠溶液1000mL，配制0.05mol/L的的乙酸溶液500mL，取590mL乙酸钠溶液和410mL乙酸溶液混合均匀。实施例1准确称取6g秸秆纤维素放入锥形瓶中，向锥形瓶中加入所需量(最终混合液的总体积为200mL)的乙酸-乙酸钠缓冲液，随后加入终浓度为10U/mL的纤维素酶溶液，置于摇床中，调温度到50℃，振荡频率为126rpm，反应72h使纤维素发生酶解，期间每间隔12h超声30min(也即12.5h为一个周期)，超声波功率为300W，整个酶解过程中共超声5次。反应结束后，取出样品，10000rpm离心20min，水洗至pH为7，得到稳定的纤维素胶体，将胶体液倒入平皿并置于-20℃冷冻24h，然后经-80℃冷冻干燥48h得到粉末状纳米纤维素晶体。实施例2准确称取10g秸秆纤维素放入锥形瓶中，向锥形瓶中加入所需量(最终混合液的总体积为200mL)的乙酸-乙酸钠缓冲液，随后加入终浓度为12U/mL的纤维素酶溶液，置于摇床中，调温度到55℃，振荡频率为130rpm，反应96h使纤维素发生酶解，期间每间隔12h超声30min(也即12.5h为一个周期)，超声波功率为320W，整个酶解过程中共超声7次。反应结束后，取出样品，11000rpm离心15min，水洗至pH为7，得到稳定的纤维素胶体，将胶体液倒入平皿并置于-24℃冷冻20h，然后经-85℃冷冻干燥45h得到粉末状纳米纤维素晶体。实施例3准确称取8g秸秆纤维素放入锥形瓶中，向锥形瓶中加入所需量(最终混合液的总体积为200mL)的乙酸-乙酸钠缓冲液，随后加入终浓度为15U/mL的纤维素酶溶液，置于摇床中，调温度到45℃，振荡频率为120rpm，反应120h使纤维素发生酶解，期间每间隔12h超声30min(也即12.5h为一个周期)，超声波功率为340W，整个酶解过程中共超声9次。反应结束后，取出样品，12000rpm离心10min，水洗至pH为7，得到稳定的纤维素胶体，将胶体液倒入平皿并置于-18℃冷冻28h，然后经-75℃冷冻干燥50h得到粉末状纳米纤维素晶体。实施例4准确称取6g秸秆纤维素放入锥形瓶中，向锥形瓶中加入所需量(最终混合液的总体积为200mL)的乙酸-乙酸钠缓冲液，随后加入终浓度为11U/mL的纤维素酶溶液，置于摇床中，调温度到52℃，振荡频率为125rpm，反应72h使纤维素发生酶解，期间每间隔12h超声60min(也即13h为一个周期)，超声波功率为350W，整个酶解过程中共超声5次。反应结束后，取出样品，11000rpm离心15min，水洗至pH为7，得到稳定的纤维素胶体，将胶体液倒入平皿并置于-22℃冷冻28h，然后经-82℃冷冻干燥48h得到粉末状纳米纤维素晶体。实施例5准确称取7g秸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米纤维素晶体的制备方法，其特征在于，步骤如下：用pH4.8的乙酸‑乙酸钠缓冲液配制浓度为0.03‑0.05g/mL的纤维素溶液，加入纤维素内切酶进行酶解，纤维素内切酶在溶液中的浓度为10‑15U/mL，酶解过程中每间隔12h进行超声，超声功率为300‑400W，每次超声时间为30‑60min；反应结束后，取出样品，离心分离，将沉淀物离心水洗，冷冻干燥制得纳米纤维素晶体。

【技术特征摘要】
1.一种纳米纤维素晶体的制备方法，其特征在于，步骤如下：用pH4.8的乙酸-乙酸钠缓冲液配制浓度为0.03-0.05g/mL的纤维素溶液，加入纤维素内切酶进行酶解，纤维素内切酶在溶液中的浓度为10-15U/mL，酶解过程中每间隔12h进行超声，超声功率为300-400W，每次超声时间为30-60min；反应结束后，取出样品，离心分离，将沉淀物离心水洗，冷冻干燥制得纳米纤维素晶体。2.根据权利要求1所述的纳米纤维素晶体的制备方法，其特征在于，所述酶解温度为45-55℃。3.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙庆杰，熊柳，崔少宁，秦洋，杨洁，常然然，
申请(专利权)人：青岛农业大学，
类型：发明
国别省市：山东,37