一种植物纤维素纳米纤丝及其绿色制备方法技术

本发明专利技术公开了一种植物纤维素纳米纤丝及其绿色制备方法，属于纳米纤维素领域。该方法包括球磨处理、酶解处理和高速分散处理。本发明专利技术采用球磨对纤维浆料进行预处理，有效地促进了纤维的微细化，使其与后续酶的反应位点增多，从而促进后续酶解分离纤维素纳米纤丝，有利于提高分离效率和降低能耗。本发明专利技术采用球磨预处理

【技术实现步骤摘要】
一种植物纤维素纳米纤丝及其绿色制备方法


[0001]本专利技术属于纳米纤维素
，具体涉及一种植物纤维素纳米纤丝及其绿色制备方法。

技术介绍

[0002]纤维素是地球上最丰富的天然高分子，具有良好的生物相容性，可再生性和生物可降解性。因此由纤维原料制备纳米材料是科学界对环境问题和能源危机做出的最好解答。目前凭借其优异的低毒、机械和光学性能等，纳米纤维素材料已引起了广泛关注和研究。
[0003]纤维素纳米纤丝(CNF)是宽度小于100nm且长度超过500nm的一类纳米级别的高分子材料，现阶段多为微射流均质化处理得到。然而目前CNF的制备存在诸多弊端，如有毒腐蚀性化学品的使用、高能耗、高成本等。CNF的制备方法主要是机械法，通常包括三种(高压均质法、物理粉粹法和低温压榨法)。单纯的机械法能耗大，过程的连续性和稳定性较差以及难以得到单根分散的纳米纤维，无法形成稳定的体系，因此通常需要对其进行预处理。氧化处理是目前最普遍的预处理方式，其中研究较多的是采用TEMPO氧化与机械作用相结合的方法制备CNF。TEMPO氧化制备CNF是将纤维素大分子中葡萄糖C6上的羟基选择性的氧化为羧基，使其形成强烈的静电排斥力，再经过均质等物理手段形成稳定的纳米纤维素体系。TEMPO有剧毒性和腐蚀性，所以TEMPO+机械均质法并非绿色高效的制备方法。因此，有必要开发一种绿色、经济的方法，从而实现植物纤维素纳米纤丝的规模化大生产。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种植物纤维素纳米纤丝的绿色制备方法。
[0005]本专利技术的另一目的在于提供一种由上述制备方法制备得到的植物纤维素纳米纤丝。
[0006]本专利技术的目的通过下述技术方案实现。
[0007]一种植物纤维素纳米纤丝的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)球磨预处理：将纤维浆料配制成混合液，搅拌后倒入球磨罐中，再放入球进行球磨，得到球磨预处理后的浆料；
[0009](2)酶解处理：将步骤(1)得到的球磨预处理后浆料倒入酶解反应釜中，再加入缓冲溶液，然后加入酶进行酶解，酶解后再进行高温灭活处理，最后用水洗涤高温灭活处理后的浆料；
[0010](3)分散处理：将步骤(2)酶解处理后的纤维浆料进行分散处理，过滤分离得到植物纤维素纳米纤丝。
[0011]优选的，步骤(1)所述球磨的条件为：纤维浆料的浓度为0.5～1.5wt％，球与纤维浆料的绝干质量比为40～60：1，球磨机的转速为300～500rpm，球磨时间为30min～180min。
[0012]优选的，所述球磨的球包括大球与小球，其中，大球与小球的质量比为3～1:1。
[0013]优选的，所述大球的半径为5mm，小球的半径为3mm。
[0014]优选的，所述球磨过程中，为避免浆料过热，设置球磨6～10min，暂停6～10min为一个循环。
[0015]优选的，步骤(1)所述纤维浆料为漂白硫酸盐针叶木纤维浆料。
[0016]优选的，步骤(1)中浆料质量为100～160g，球磨罐大小为500mL。
[0017]优选的，步骤(2)所述球磨预处理后浆料倒入酶解反应釜中的浓度为5.0～8.0wt％，缓冲溶液是浓度为40～50mmol/L、pH为5.0～6.0的柠檬酸-柠檬酸钠。
[0018]优选的，步骤(2)所述酶解处理的条件为：酶为Banzyme 2900，酶相对绝干浆料加入量为6～12mg/g，反应釜温度为45～55℃，转速为250～450rpm，酶解时间为2～3h，高温灭活的温度为121℃，时间为10～20min。
[0019]优选的，步骤(3)所述分散采用电动搅拌机；所述分散的速度为1000～1600rpm，时间为10～30min。
[0020]优选的，步骤(3)所述过滤分离采用400目筛网。
[0021]一种植物纤维素纳米纤丝，通过以上所述的制备方法制备得到，所述植物纤维素纳米纤丝的得率为86.5～92.7％，直径为10～46nm，长度为875～3691nm，结晶度为61.6～69.4％，聚合度为343.8～491.7。
[0022]本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
[0023](1)本专利技术采用球磨对纤维浆料进行预处理，使纤维表面变得粗糙，解离出更多细小微纤，有效地促进了纤维的微细化，使其与后续酶的反应位点增多，从而促进后续酶解分离纤维素纳米纤丝，能提高分离效率和降低能耗。
[0024](2)本专利技术采用球磨预处理-酶解处理-高速分散处理相结合的绿色制备方法，揭示了不同参数条件下纤维素纳米纤丝在得率、尺寸、结晶度及聚合度方面的变化，为纳米纤维素的应用提供了理论依据。
[0025](3)本专利技术制备过程未使用有毒有害的试剂，废水排放量小，工艺流程简单，为植物纤维素纳米纤丝的扩大化生产提供了绿色、安全、低能耗的思路。
具体实施方式
[0026]下面结合实施例对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。
[0027]以下各种参数的检测依据国家标准检测方法以及行业标准进行，具体的：聚合度(GB 5888-1986)；得率测试方法：先用400目筛网初步过滤筛分处理后的浆料混合液，再用平板式离心机离心分离出固体部分，并用蒸馏水洗涤多次，冷冻干燥48h，称重，再除以初始纤维浆料的绝干质量；结晶度测试方法：采用XRDRietveld拟合分峰法测定植物纤维素纳米纤丝的结晶度；长度和直径的测试方法：采用扫描电镜观察分析得到。
[0028]实施例1
[0029]本实施例的一种植物纤维素纳米纤丝的制备方法，具体制备步骤如下：
[0030](1)球磨预处理：将漂白硫酸盐针叶木纤维浆料(山东某造纸企业提供)配置成浓度为0.5％(w/w)的混合液，玻璃棒搅拌均匀后称取100g的浆料倒入500mL的球磨罐中，放入一定量尺寸大小不同的球，控制球与浆料绝干的质量比为40：1，其中大球(半径：5mm)与小
球(半径：3mm)的质量比为1:1。设置球磨机的转速为300rpm。为避免浆料过热，设置球磨6min，暂停6min为一个循环，球磨时间为30min，得到球磨预处理后的浆料。
[0031](2)酶处理：将步骤(1)得到的球磨预处理后浆料以5.0％(w/w)浓度倒入酶解反应釜中，并向釜中加入40mmol/L，pH为5.0的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液。接着在搅拌的条件下加入6mg/g(相对绝干浆料)的Banzyme 2900酶(Sigma-Aldrich购买)，控制反应釜温度为45℃和转速为250rpm，酶解2h后再在100℃条件下进行高温灭活处理10min，最后用蒸馏水洗涤多次反应后的浆料。
[0032](3)高速分散处理：将步骤(2)酶解处理后的纤维浆料进一步用电动搅拌机在分散速度为1000rpm条件下分散处理10min，用400目筛网过滤分离得到植物纤维素纳米纤丝。
[0033]本实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种植物纤维素纳米纤丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)球磨预处理：将纤维浆料配置成混合液，搅拌后倒入球磨罐中，再放入球进行球磨，得到球磨预处理后的浆料；(2)酶解处理：将步骤(1)得到的球磨预处理后浆料倒入酶解反应釜中，再加入缓冲溶液，然后加入酶进行酶解，酶解后再进行高温灭活处理，最后用水洗涤高温灭活处理后的浆料；(3)分散处理：将步骤(2)酶解处理后的纤维浆料进行分散处理，过滤分离得到植物纤维素纳米纤丝。2.根据权利要求1所述的植物纤维素纳米纤丝的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述球磨的条件为：纤维浆料的浓度为0.5～1.5wt％，球与纤维浆料的绝干质量比为40～60：1，球磨机的转速为300～500rpm，球磨时间为30min～180min。3.根据权利要求2所述的植物纤维素纳米纤丝的制备方法，其特征在于，所述球磨的球包括大球与小球，其中，大球的半径为5mm，小球的半径为3mm；大球与小球的质量比为3～1:1。4.根据权利要求3所述的植物纤维素纳米纤丝的制备方法，其特征在于，所述球磨过程中，设置球磨6～10min，暂停6～10min为一个循环。5.根据权利要求1所述的植物纤维素纳米纤丝的制备方法，其特征在于，步骤(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：程峥，曾劲松，陈克复，王斌，徐峻，高文花，李金鹏，刘璐，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：