一种阴离子化木质纤维素纳米纤丝及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种阴离子化木质纤维素纳米纤丝及其制备方法和应用，属于纳米纤维素技术领域。本发明专利技术的阴离子化木质纤维素纳米纤丝是利用氯化胆碱和乳酸合成的低共熔溶剂对甘蔗渣原料进行预处理，然后加入琥珀酸酐进行阴离子改性，经过机械微纤化制得。该阴离子化木质纤维素纳米纤丝直径分布范围窄、尺寸均一，绿色无毒、可降解、可再生，可作为聚乙烯醇复合薄膜的增强剂，能有效提高复合膜的机械性能、疏水性能、抗紫外性能以及热稳定性等。且该阴离子化木质纤维素纳米纤丝的制备工艺绿色简捷、反应条件温和、耗能低、产物可再生。产物可再生。产物可再生。

【技术实现步骤摘要】
一种阴离子化木质纤维素纳米纤丝及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于纳米纤维素
，具体涉及一种阴离子化木质纤维素纳米纤丝及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]木质纤维素是最丰富的可再生生物聚合物，可以从资源丰富的工农业废弃物中获得，具有低成本以及可再生等特点，其中特别是甘蔗渣，作为广西当地的特色生物质资源，目前甘蔗渣大部分被用作生物质燃料或者直接废弃，少部分用于制浆造纸、饲料和肥料，存在利用率低、利用价值低等问题，因此，将甘蔗渣转化为高附加值产品，对当地经济发展具有重大意义。甘蔗渣组分稳定均一，木质纤维素含量高达90％以上，其中纤维素的含量为40～50％，半纤维素的含量为20～25％，木质素的含量为16～25％。
[0003]纳米纤维素是纤维素纤维通过机械、生物、化学等方法纳米化得到的高附加值产品，其纤维直径为3～100nm，长径比大于10。以木质纤维素为原料生产的木质纤维素纳米纤丝(LCNFs)，因具有生产成本低，环保性好、产率较高的优点而受到关注。LCNF作为一种绿色高分子材料，既具有纳米纤维素的固有特性，其含有的木质素颗粒又具有良好的热稳定性、紫外稳定性、疏水性，且位于纤维素链之间还可以阻碍纤维的团聚。强大的纤维网络结构使其有望成为复合材料的增强剂。目前，从天然的木质纤维素制备纳米纤维素的方法还存在着使用有毒有害化学品、高耗能、高耗水的局限。此外，机械法制备的纳米纤维素存在直径分布范围广、尺寸不均一的缺陷，且结构紧密、质地坚固的天然纤维极易缠绕在一起而造成高压均质机的堵塞、磨损。r/>[0004]通常，木质纤维素生物质的加工需经过预处理，预处理可以破坏其致密的层级结构，提高纤维可及性。低共熔溶剂(DESs)具有易制备、毒性低和生物降解的特性，可作为反应的绿色溶剂或反应剂。此外，DES可以回收和再利用，有助于降低生产成本，以及环保性好。从结构上看，由至少一个氢键供体(HBD)和一个氢键受体(HBA)组成。由于HBD和HBA形成较强的氢键，使DES的熔点低于单个组分。专利公开号CN 112853794 A公开了一种三元低共熔溶剂预处理制备纳米纤维微纤丝的方法，该方法以氯化胆碱、乳酸或草酸和三氯化铝组成三元低共熔溶剂对甘蔗渣进行预处理，将三元低共熔溶剂与甘蔗渣混合均匀在微波消解罐进行消解，该方法虽能有效脱除甘蔗渣中的木质素和半纤维素，但是该脱除木质素和半纤维素工艺工程试剂耗量多、设备损耗大，易污染环境，且工艺过程繁琐。因此，需要寻找一种制备工艺简单、操作简便、条件温和、能耗低、绿色环保的木质纤维素纳米纤丝制备方法。
[0005]而阴离子化的木质纤维素纳米纤丝具有以下优点：(1)原纤维表面的负电荷斥力极大地促进了纤维素纳米纤维从纤维中分离出来，节省了机械消耗。(2)由于有限的原纤维聚集和絮凝，得到的悬浮液高度透明和稳定。(3)与环酸酐酯化制备的纳米纤维素不像传统Tempo氧化法导致摩尔质量的大幅降低，从而使相应的纳米纤维具有更好的热稳定性。

技术实现思路

[0006]针对以上问题，本专利技术提供一种阴离子化木质纤维素纳米纤丝及其制备方法和应用，该材料直径分布范围窄、尺寸均一，可作为聚乙烯醇复合薄膜的增强剂。且该材料的制备工艺绿色简捷、反应条件温和、耗能低。
[0007]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0008]一种阴离子化木质纤维素纳米纤丝，利用氯化胆碱和乳酸合成的低共熔溶剂对甘蔗渣原料进行预处理，然后加入琥珀酸酐进行阴离子改性，经过机械微纤化制得阴离子化木质纤维素纳米纤丝。
[0009]作为技术方案的优选，所述阴离子化木质纤维素纳米纤丝的直径分布为6～56nm，羧基含量为2.7～2.9mmol/g，相对结晶度为71～72％。
[0010]一种如上所述的阴离子化木质纤维素纳米纤丝的制备方法，包括以下步骤：
[0011](1)低共熔溶剂预处理：将甘蔗渣进行粉碎、洗涤和烘干处理，然后将处理后的甘蔗渣加入氯化胆碱和乳酸合成的低共熔溶剂中进行预处理，混合均匀，得到预处理后的甘蔗渣溶液；
[0012](2)阴离子改性：将琥珀酸酐加入步骤(1)预处理后的甘蔗渣溶液中进行阴离子改性，在机械搅拌下进行反应，反应结束后加入乙醇终止反应，将反应后的甘蔗渣通过离心洗涤至中性，收集固体密封平衡水分，得到阴离子改性后的甘蔗渣；
[0013](3)机械微纤化：将步骤(2)中经过阴离子改性后的甘蔗渣分散于去离子水中，配制成悬浮液，进行超微粒研磨处理，即可制得阴离子化木质纤维素纳米纤丝。
[0014]在本专利技术的步骤(2)中，预处理后的甘蔗渣与琥珀酸酐发生反应的反应式为：
[0015][0016]R＝纤维素，半纤维素或木质素
[0017]作为技术方案的优选，步骤(1)中，所述甘蔗渣与低共熔溶剂的质量比为1:20～30；所述氯化胆碱和乳酸的摩尔比为1:10～20。
[0018]作为技术方案的优选，步骤(2)中，所述甘蔗渣与琥珀酸酐的质量比为1:1～2。
[0019]作为技术方案的优选，步骤(2)中，所述反应为在温度110～130℃、转速200～400rpm的机械搅拌下反应4～12h。
[0020]作为技术方案的优选，步骤(2)中，所述离心的转速为4000～6000rpm，离心的时间为10～20min。
[0021]作为技术方案的优选，步骤(3)中，所述超微粒研磨的磨盘间隙为50～300n，循环次数为20～30次。
[0022]作为技术方案的优选，步骤(3)中，所述悬浮液的浓度为0.5～2wt％。
[0023]一种如上所述的阴离子化木质纤维素纳米纤丝作为增强剂在聚乙烯醇复合薄膜中的应用。
[0024]本专利技术的反应原理：
[0025]在本专利技术的纳米纤维素的制备过程中，由氯化胆碱和乳酸合成酸性低共熔溶剂，氯化胆碱和乳酸发挥协同作用，降解纤维素的分子链，削弱纤维素的氢键。经酸性低共熔溶剂处理后木质素和半纤维素之间的连接以及木质素中醚键的断裂。在纳米纤维素的制备过程中，乳酸和氯化胆碱发挥协同作用。此外，低共熔溶剂具有很好的溶胀能力，可以放松纤维素结构，增加反应表面积，有利于暴露更多与琥珀酸酐酯化反应的位点。
[0026]如上述反应式所示，纤维素与琥珀酸酐的开环反应形成两个羧基，其中一个可以与纤维素分子上的羟基发生酯化反应，另一个为末端羧基功能化附着在纤维素上游离于水中，因此预处理不仅能减小纤维粒径，水解部分无定形区，而且可以在纤维表面接枝功能基团，这有利于防止纤维素在低共熔溶剂预处理过程中水解和溶解，未水解的纤维素固体残余物通过简单的机械处理得到纳米纤维素，能耗明显下降。在纤维结构中引入带电官能团能使纤维间产生静电排斥作用，促进纤维的微纤化过程。采用低共熔溶剂结合琥珀酸酐处理，通过对蔗渣水解溶胀和酯化作用，可以高效制备阴离子化木质纤维素纳米纤丝。
[0027]与现有技术相比，本专利技术的优点及有益效果为：
[0028]1、本专利技术通过阴离子改性在纤维上引入的带电基团能使纤维间产生静电斥力，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种阴离子化木质纤维素纳米纤丝，其特征在于，利用氯化胆碱和乳酸合成的低共熔溶剂对甘蔗渣原料进行预处理，然后加入琥珀酸酐进行阴离子改性，经过机械微纤化制得阴离子化木质纤维素纳米纤丝。2.根据权利要求1所述的阴离子化木质纤维素纳米纤丝，其特征在于，所述阴离子化木质纤维素纳米纤丝的直径分布为6～56nm，羧基含量为2.7～2.9mmol/g，相对结晶度为71～72％。3.一种如权利要求1或2所述的阴离子化木质纤维素纳米纤丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)低共熔溶剂预处理：将甘蔗渣进行粉碎、洗涤和烘干处理，然后将处理后的甘蔗渣加入氯化胆碱和乳酸合成的低共熔溶剂中进行预处理，混合均匀，得到预处理后的甘蔗渣溶液；(2)阴离子改性：将琥珀酸酐加入步骤(1)预处理后的甘蔗渣溶液中进行阴离子改性，在机械搅拌下进行反应，反应结束后加入乙醇终止反应，将反应后的甘蔗渣通过离心洗涤至中性，收集固体密封平衡水分，得到阴离子改性后的甘蔗渣；(3)机械微纤化：将步骤(2)中经过阴离子改性后的甘蔗渣分散于去离子水中，配制成悬浮液，进行超微粒研磨处理，即可制得阴离子化木质纤维素纳米纤丝。4.根据权利要求3所述的阴...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘秀宇，胡松，黄钦，夏璐，
申请(专利权)人：广西民族大学，
类型：发明
国别省市：