一种含纳米纤维素的粉体的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种制备含纳米纤维素粉体的方法，属于纳米材料制备领域，具体地说是一种将纳米纤维素水分散液干燥以得到高固含量固体的方法。由机械法或化学法处理得到的纳米纤维素分散液，与原淀粉、改性淀粉、碳酸钙、滑石粉、高岭土等的一种或两种及以上粉体或其分散液均匀混合，添加一定量增塑剂。采用室温或者加热在30℃～60℃条件下干燥，经粉碎、过筛后，得到固含量可高达99％的含纳米纤维素的粉体。该粉体可均匀分散于水中。该粉体可添加于塑料、橡胶加工中以提高基体的强度、韧性等性能；也可用于水性体系中。本发明专利技术方法操作步骤简单、绿色环保、成本优势明显、易在工业上规模化应用。

A preparation method of nano cellulose powder

【技术实现步骤摘要】
一种含纳米纤维素的粉体的制备方法
本专利技术属于纳米材料制备领域，具体地说是一种将纳米纤维素水分散液干燥以得到高固含量固体的方法。
技术介绍
纳米纤维素是一种绿色的纤维素基可再生高分子材料，具有高结晶度、高纯度、高杨氏模量、高强度、高亲水性、高透明度等特点，在食品、医药、化妆品、造纸、包装、汽车、塑料、电子产品、新材料等多个领域有巨大的应用前景。纳米纤维素的制备方法主要分为化学法和机械法两大类。化学法是使用一定浓度的硫酸、盐酸或两者的复合酸，在一定温度和时间条件下处理纤维原料如棉浆、木浆、麻浆、竹浆、蔗渣、麦草、稻草、马铃薯茎秆或玉米芯等，使之发生酸水解反应，纤维素无定形区降解、结晶区保留的方法；该方法得到的纳米纤维素又称为纤维素纳米晶(CNC)，其直径在1～100nm。机械法包括高压均质处理、微射流处理、超细研磨处理、冷冻破碎处理、高强超声处理等。通过高压机械方法处理天然纤维素得到的新型高度润胀的胶体状纳米纤维素，又称为微纤化纤维素(MFC)，其直径为数十纳米至数百纳米。为了降低机械法的能耗，研究人员提出了多种预处理方法，如生物酶预处理、酸-碱抽提预处理、羧甲基化预处理、乙酰化预处理、TEMPO氧化预处理、高碘酸盐氧化等。(董凤霞等，纳米纤维素的制备及应用，2012年第6期；高艳红等，微纤化纤维素及其制备技术的研究进展，化工进展，2017年第1期)无论是化学还是机械处理制备纳米纤维素均是在液体介质中进行，纳米纤维素的质量分数都比较低，一般为0.3％～3.0％，很少超过6％。低浓度的纳米纤维素分散液不仅会限制其应用范围，如塑料、橡胶、制鞋、汽车等领域需要以固体的形式添加；另一方面也会增加运输、储存成本，还容易滋生细菌，因此有必要对纳米纤维素分散液进行有效浓缩、干燥。而采用常规的方法干燥时，纳米纤维素分散液里的水分快速蒸发、形成紧密结实的膜，纳米纤维素分子间易形成氢键和缠结、发生不可逆的聚集(即角质化)，很难再分散于水中。低温冷冻干燥需要的时间久、效率低、成本高，而且要求分散液初始固含量低，否则会形成气凝胶。喷雾干燥要求分散液固含量低，干燥后纤维易聚集、颗粒尺寸范围大。(高艳红等，微纤化纤维素及其制备技术的研究进展，化工进展，2017年第1期)因此，纳米纤维素如何高效干燥是限制其产业化应用的一个重要问题。专利CN102245815A公开了一种在水中可再分散的干燥形式的纳米晶体纤维素(NCC)，其制备方法是在水悬浮液中用单价阳离子(如Na+，K+，Li+，NH4+和四烷基铵(R4N+)，质子化的三烷基铵(HR3N+)，质子化的二烷基铵(H2RaN+)，以及质子化的单烷基铵(H3RN+)离子)来交换H-NCC的质子，所得到的M-NCC悬浮液形成膜层，干燥膜层形成固体形式。该方法仅针对酸处理得到的纳米晶体纤维素，而且会在系统中引入新的离子，可能对应用造成不利影响。专利CN103304824A公开了一种高浓度纳米微晶纤维素胶体的制备方法，其将低浓度(0.5％左右)的纳米纤维素胶体通过控制旋转蒸发工艺条件，温度(30℃～50℃)、转速(2～6rpm)来浓缩制备高浓度的纳米纤维素胶体，其质量分数达35％～85％。但此方法必须将溶液中的离子透析掉才能进行浓缩，透析过程耗时长，纳米纤维素的生产成本较高。专利CN104072787B公开了一种制备高浓度纳米纤维素胶体的方法，其将纳米纤维素通过离心或微孔滤布过滤，使其与沉淀物相分离，制得纳米纤维素胶体；将此胶体低温冷冻结冰，然后将冷冻结冰的纳米纤维素胶体放置在0℃以上进行解冻，使纳米纤维素沉淀下来；然后，将沉淀物通过过滤、压滤和洗涤处理，所得产物在机械剪切作用下分散于溶剂中，即制得高浓度纳米纤维素胶体。该方法制备的纳米纤维素胶体的质量分数最高为3.77％。专利CN109863199A公开了一种生产非表面改性的纳米纤维素颗粒(特别是以粉末形式)的方法，其将未曾干燥的非表面改性的纳米纤维素颗粒在水性液体中的悬浮体转移到超临界状态的流体中，使非表面改性的纳米纤维素颗粒的悬浮体与超临界状态的流体接触，除去水性液体和超临界状态的流体，优选通过控制压力和/或温度来进行，以形成非表面改性的纳米纤维素颗粒，收集非表面改性的纳米纤维素颗粒。该方法的水性液体为环状仲胺或其混合物的水溶液，并且优选为吗啉、哌啶或其混合物的水溶液，即需要用到比较特殊的试剂；而且超临界干燥需要复杂的溶剂置换、成本高，无法规模化应用。
技术实现思路
为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种高效将纳米纤维素分散液干燥为粉体的方法。具体步骤为：(1)采用化学法或机械法处理纤维原料制备纳米纤维素分散液，所得纤维素纳米晶分散液的固含量为1％左右，微纤化纤维素分散液固含量可达5％左右。(2)将步骤(1)制得的纳米纤维素分散液与淀粉、碳酸钙、滑石粉、高岭土等的一种或两种及以上均匀混合，添加一定量的增塑剂。(3)将步骤(2)均匀混合后的物料放在室温或者加热条件下进行干燥，期间间歇或者连续搅拌以使物料上下部均匀干燥，经过机械粉碎、过筛后，即得到固含量可高达99％的含纳米纤维素的粉体，可用于多种用途。所述纤维原料为木浆、棉浆、麻浆、竹浆、蔗渣、麦草、稻草、马铃薯茎秆或玉米芯等，可含木素或不含木素。所述化学法可采用硫酸、盐酸或其混合酸，机械法采用胶体磨、均质机、高压微射流机等。所述淀粉、碳酸钙、滑石粉、高岭土等可以为粉体或其分散液。所述淀粉可以为玉米淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉等；可以为原淀粉，或者经过化学或生物等处理的改性淀粉。所述碳酸钙、滑石粉、高岭土的粒径为44μm(325目)或更小，甚至为纳米级。所述碳酸钙可以为研磨碳酸钙或沉淀碳酸钙。所述纳米纤维素与所添加粉体的绝干质量比为0.1∶100～100∶100。所述增塑剂为甘油、乙二醇、聚乙二醇等，单独或者两种或两种以上加入，其加入量不超过粉体的50％。所述混合物加热时的温度为30℃～60℃。所述干燥后含纳米纤维素的粉体可以用叶片粉碎机、研磨机等进行粉碎，粉碎后的粉末通过24、30、40、60或80等目数的筛网。所述干燥后含纳米纤维素的粉体的固含量可以控制，最高可达99％。与现有技术相比，本专利技术方法操作步骤简单、绿色环保、生产周期短、成本优势明显，所得含纳米纤维素的粉体固含量高、且在水中可均匀分散，既可用于以液体形式添加的流延成膜、施胶、涂布、造纸湿部添加等，也可用于必须添加固体的领域如塑料熔融造粒。具体实施方式以下结合实施例和试验数据对本专利技术上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明，但是不以实施例为限。实施例1：将漂白化学针叶木浆打浆后再用研磨机研磨，得到纳米纤维素分散液(MFC)，其固含量为3.0％，纳米纤维素直径为210nm。在该纳米纤维素分散液中加入一定量磷酸酯玉米淀粉，两者绝干质量比为20∶100(纳米纤维素∶淀粉)，用高速搅拌机将其混合均匀，搅拌机转子的速度为60r/min，搅拌时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备含纳米纤维素的粉体的方法，其特征在于具体步骤为：/n(1)采用化学法或机械法处理纤维原料制备纳米纤维素分散液；/n(2)将步骤(1)制得的纳米纤维素分散液与淀粉、碳酸钙、滑石粉、高岭土等的一种或两种及以上均匀混合，添加一定量的增塑剂；/n(3)将步骤(2)均匀混合后的物料放在室温或者加热条件下进行干燥，期间间歇或者连续搅拌以使物料上下部均匀干燥，经过机械粉碎、过筛后，即得到固含量可高达99％的含纳米纤维素的粉体。/n

【技术特征摘要】
1.一种制备含纳米纤维素的粉体的方法，其特征在于具体步骤为：
(1)采用化学法或机械法处理纤维原料制备纳米纤维素分散液；
(2)将步骤(1)制得的纳米纤维素分散液与淀粉、碳酸钙、滑石粉、高岭土等的一种或两种及以上均匀混合，添加一定量的增塑剂；
(3)将步骤(2)均匀混合后的物料放在室温或者加热条件下进行干燥，期间间歇或者连续搅拌以使物料上下部均匀干燥，经过机械粉碎、过筛后，即得到固含量可高达99％的含纳米纤维素的粉体。


2.根据权利要求1所述的一种制备含纳米纤维素的粉体的方法，其特征在于：所述淀粉、碳酸钙、滑石粉、高岭土等可以为粉体或其分散液，淀粉可以为玉米淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉等，可以为原淀粉或者经过化学或生物等处理的改性淀粉。


3.根据权利要求1所述的一种制备含纳米纤维素的粉体的方法，其特征在于：所述碳酸钙可以为研磨碳酸钙或沉淀碳酸钙，碳酸钙、滑石粉、高岭土的粒径为44μm(325目)或更小，甚至为纳米级。


4.根据权利要求1所述的一种制备含纳米纤维素的粉体的方法，其特征在于：所述纳米纤维素与所添加粉体的绝干质量比为0.1∶100～100∶100。


5.根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜艳芬，刘金刚，陈京环，
申请(专利权)人：中国制浆造纸研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11