一种氧化法预处理植物纤维制备纤维素纳米纤维的方法技术

本发明专利技术要求保护一种紫外光和双氧水强化臭氧氧化法预处理植物纤维制备纤维素纳米纤维的方法，该方法采用首先用植物纤维经纤维素酶预处理后进行机械磨浆，然后在紫外光、臭氧和双氧水体系使得纤维得到氧化、降解或润胀，最后采用机械研磨的手段分离得到下纤维素纳米纤维。本发明专利技术采用紫外光和双氧水强化臭氧氧化效率，其氧化效率远高于单独适用臭氧氧化，与仅适用臭氧预处理相比，其氧化后纤维结构完全被打开，大量的微细纤维暴露；同时，能够大幅度降低制备纤维素纳米纤维的能耗，并能得到尺寸均匀的纤维素纳米纤维。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化法预处理植物纤维制备纤维素纳米纤维的方法
本专利技术涉及一种纤维素纳米纤维的制备方法。
技术介绍
纤维素纳米纤维，又名纳米纤化纤维素(NanofibrilltedCellulose，NFC)是一种从植物纤维素分离得到的直径为5-20nm，长度几百纳米至几十微米的丝状纤维素纤维。纤维素纳米纤维作为一种新型纳米纤维材料，近年来已经成为国内外科研人员的研究热点。纤维素纳米纤维作为纤维素纤维的基本组成单元，其不仅具有纤维素的特性，更具有纳米材料的诸多特性，如巨大的比表面积、较高的杨氏模量、超强的吸附能力和高的反应活性，使其与普通纤维素的性质有很大差异，因此备受国内外的研究者们的青睐。目前已报道多种纤维素纳米纤维的制备方法，其中主要包括：辅助生物(酶处理)，化学预处理(TEMPO氧化，阳离子化等)等前期预处理将纤维润胀，而后经高压均质机均质、微射流剪切得到凝胶状的纤维素纳米纤维。纤维素纳米纤维素出色的物理化学特性使其能够应用于众多领域，因此在国内外近年来大量有关纤维素纳米纤维制备和应用被报道；然而，关于纤维素纳米纤维的产业化生产进展则十分缓慢，目前全球仅有几条示范性、中试性生产线在运行，求产量均小于1吨/天，归其原因，巨大的能量消耗、较高的分离成本依然是制约和困扰纤维素纳米纤维产业化应用的首要问题。目前，酶辅助机械法、化学预处理改性法应用于纳米纤维素的制备，但是依然在制备能耗和降低成本方面无重大突破，例如，生物酶/机械法制备纤维素纳米纤维中酶虽能在一定程度上促进纤维的分丝帚化，但并不能将植物纤维内部的微细纤维间的氢键结合得到润胀，仍需要依靠巨大的机械能量才能分离出纤维素纳米纤维纤维，且制备浓度较低(小于2％)，纤维尺寸不均一；TEMPO/NaBr/NaClO氧化体系能够选择性氧化纤维素的碳6为羟基，并能使纤维得到充分的润胀，能得到尺寸均一的纤维素纳米纤维凝胶(凝胶浓度通常小于4％)，但其成本较高，且TEMPO氧化剂毒性、腐蚀性较强，具有强烈的刺激性，因此其并不能成为一种理想、绿色的纤维素纳米纤维的制备手段。以臭氧作为预处理手段制备纳米纤维素虽有报道，但主要仅是使用臭氧作为漂白或脱木质素使用。例如张清红等研究了臭氧漂白硫酸盐蔗渣浆制备纳米纤维素的研究，其主要是利用臭氧辅助漂白。钟宏先等报道了一种硫酸盐蔗渣浆经臭氧氧化-高压均质制备纤维素纳米晶体的研究。然而关于紫外和双氧水强化的臭氧氧化体系制备纤维素纳米纤维目前尚无报道。
技术实现思路
本专利技术的目的，旨在提供紫外光和双氧水强化臭氧氧化法预处理植物纤维制备纤维素纳米纤维的方法，该方法采用紫外光、臭氧和双氧水体系使得纤维得到氧化、降解或润胀，而后采用机械研磨的手段分离得到下纤维素纳米纤维。紫外光活化的高级氧化体系其氧化效率高，成本较低，为一种绿色的纤维素纳米纤维制备方法。本专利技术为实现上述目的，所采用的技术方案是：一种紫外光活化高级氧化法预处理植物纤维制备纤维素纳米纤维的方法，包括：一)植物纤维经纤维素酶预处理后进行机械磨浆；二)紫外光活化高级氧化法预处理植物纤维；三)机械研磨分离纤维素纳米纤维。具体的制备方法步骤如下：一)植物纤维经纤维素酶预处理后机械磨浆选用的植物纤维包括：针叶木、阔叶木和竹浆化学浆中的一种；选用的酶预处理包括：纤维素打浆酶其中的一种，酶处理时浆料浓度为10-30％，处理时间为5-7h，酶的用量为1-10IU/g；机械磨浆浓度为15-35％，磨浆后纤维的打浆度为30-75°SR。二)紫外光活化高级氧化法预处理植物纤维氧化体系为臭氧，双氧水以及紫外光组成，氧化过程种中浆料浓度为2-15％；氧化反应在搅拌装置的反应器中进行，其中臭氧管路分布在反应器底部，紫外灯悬挂于反应器正上方；臭氧为现场制备，其中臭氧浓度为20-100％，臭氧处理浆料的浓度为2-15％，pH为1.0-4.0之间；处理时间为10-120min。氧化体系中双氧水的添加量为0.1-10mmol/g浆料；所用双氧水为工业双氧水；紫外灯置于反应器正上方；紫外灯为高压汞灯，波长为200-380nm，紫外灯功率为500W-10KW，照射时间为20-120min。三)机械研磨分离纤维素纳米纤维机械研磨采用的设备为高压均质机，高浓磨浆机，胶体研磨机和微射流中的一种或几种的联合使用，其中高压均质机均质浓度为0.5-3％，压力为80-120Mpa，均质次数为2-10次即可获得纤维素纳米纤维。本专利技术的优点和有益效果：1、与现有纤维素纳米纤维制备技术相比，本专利技术选用无毒、无害化学品的预处理方式，是一种绿色的预处理方法。2、本专利技术充分利用臭氧这种高效率的氧化剂，通过紫外和双氧水的进一步活化，大大促进了预处理效果，工艺简单、经济和可行，能够有效的降低纤维素纳米纤维的制备能耗。3、与已报道的仅适用臭氧氧化处理制备纳米纤维素相比，本申请采用紫外光和双氧水强化臭氧氧化效率，其氧化效率远高于单独适用臭氧氧化。与仅适用臭氧预处理相比，采用紫外光和双氧水强化臭氧氧化后纤维结构完全被打开，大量的微细纤维暴露；同时，能够大幅度降低制备纤维素纳米纤维的能耗，并能得到尺寸均匀的纤维素纳米纤维。附图说明图1为氧化前后的针叶木浆料对比图；图2为不同体系臭氧氧化的到的纤维素纳米纤维对比；图3为臭氧体系氧化后纤维表面羧基含量的变化；图4为臭氧体系氧化后制备得到的纤维素纳米纤维的平均长度对比；图5为臭氧体系氧化后制备纤维素纳米纤维能耗的变化。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施案例1称取漂白针叶木硫酸盐浆10kg，调整浓度至20％，使用诺维信fibercareR在50℃，和酶用量为8IU/g的条件下预处理6h，而后使用高浓盘磨进行打浆处理，得到打浆度为60°SR的浆料。取打浆后的绝干浆料5kg，分散至浓度为5％，将其置于带有搅拌装置和底部通入导气管的反应装置中，使用稀硫酸调节pH至2.0，而后开启搅拌，打开臭氧发生器通入臭氧，打开反应釜上方的紫外灯(高压汞灯)，紫外灯功率为1KW，波长为200-380nm，加入30％浓度的双氧水，双氧水的加入了量10mmol/g浆料；保持搅拌速度为100rmp，在此条件下，保持臭氧通入，反应30min后停止通入臭氧，经洗涤得到氧化的针叶木纤维。将氧化后的浆料洗涤至中性，并分散至浓度为2％，使用高压均质机在100Mpa的压力下均质4次得到长度为9-15μm左右的纤维素纳米纤维。对比例1称取漂白针叶木硫酸盐浆10kg，调整浓度至20％，使用诺维信fibercareR在50℃，和酶用量为8IU/g的条件下预处理6h，而后使用高浓盘磨进行打浆处理，得到打浆度为60°SR的浆料。取打浆后的绝干浆料5kg，分散至浓度为5％，将其置于带有搅拌装置和底本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化法预处理植物纤维制备纤维素纳米纤维的方法，其特征在于：所述的制备方法为首先植物纤维经纤维素酶预处理后进行机械磨浆，然后使浆料在有紫外光、臭氧和双氧水的体系中进行氧化，最后经机械研磨的方式得到纤维素纳米纤维。/n

【技术特征摘要】
1.一种氧化法预处理植物纤维制备纤维素纳米纤维的方法，其特征在于：所述的制备方法为首先植物纤维经纤维素酶预处理后进行机械磨浆，然后使浆料在有紫外光、臭氧和双氧水的体系中进行氧化，最后经机械研磨的方式得到纤维素纳米纤维。


2.根据权利要求1所述的氧化法预处理植物纤维制备纤维素纳米纤维的方法，其特征在于：纤维的种类为针叶木化学浆、阔叶木化学浆和化学竹浆中一种。


3.根据权利要求1所述的氧化法预处理植物纤维制备纤维素纳米纤维的方法，其特征在于，所述纤维酶预处理条件为，酶处理时浆料浓度为10-30％，处理时间为5-7h，酶的用量为1-10IU/g。


4.根据权利要求1所述的氧化法预处理植物纤维制备纤维素纳米纤维的方法，其特征在于：所述机械磨浆浆料浓度为15-35％，磨浆后纤维的打浆度为30-75°SR。


5.根据权利要求1所述的氧化法预处理植物纤维制备纤维素纳米纤维的方法，其特征在于：所述氧化步骤中紫外光波长为20...

【专利技术属性】
技术研发人员：温洋兵，曲家磊，王春平，王安，
申请(专利权)人：天津科技大学，
类型：发明
国别省市：天津;12