【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于木质纤维素生物质资源化利用，特别涉及一种无机酸强化马来酸制备纳米木质纤维素的方法。
技术介绍
1、地球每年通过光合作用生产1000多亿吨的木质纤维素，木质纤维素可以通过不同的方式得到不同的化学品和材料。纳米纤维素因其独特的结构及优越的性能引起了学术和企业界的广泛关注与重视，日渐成为新材料和纤维素科学领域的研究热点。但是由于纳米纤维素的制备成本较高，目前纳米纤维素的产业化进程受到了一定的阻碍。而通过木质纤维素原料直接制备纳米木质纤维素具有成本低的优势，且具有纳米纤维素不具备的性能，如木质素的保留有利于其与疏水材料的结合制备复合材料，同时也可以提高纳米纤维素的抗紫外性和抗氧化性。
2、目前，已经开发出了很多纳米木质纤维素制备的方法，比如利用机械高压匀质处理、高强度精磨处理、高速冲击破碎处理、高强度超声波破碎处理等手段，均可在木材或木质纤维浆料中分离出直径低于100nm的纳米木质纤维素。但是直接的机械法能耗较高，且得到的纳米木质纤维素的尺寸均一性不高，因此通过生物或化学法结合机械法处理木质纤维素原料对于得到高性能纳米木质纤维素来说更具有吸引力。酶水解结合机械高压匀质处理、tempo催化氧化法结合机械高压匀质处理目前被广泛研究、并取得了较大得的进展，不过整体来说，上述两种方法得到纳米木质纤维素的成本还是偏高。
3、最近美国农业部junyong zhu教授开发了用马来酸制备纳米木质纤维素的方法(green chemistry,2020,22(5),1605-1617)，他们在常压和较低温度(≤120℃
4、为了解决上述问题，本专利提出了用无机酸强化马来酸制备纳米木质纤维素的方法，通过加入一定比例酸性较强的无机酸来提高酸液的酸性，从而可以更有效打开木质纤维素原料的结构，使原料的适用范围增加，且得到的纳米木质纤维素的平均直径更小，更有利于发挥其纳米尺寸的优势。
技术实现思路
1、为了解决马来酸单独制备纳米木质纤维素时对木质纤维素原料尺寸要求高，以及得到的纳米木质纤维素平均直径大的问题，本专利技术的首要目的在于使用无机酸强化马来酸解聚木质纤维素原料的能力，并获得平均直径更小的纳米木质纤维素。
2、本专利技术的目的通过下述方案实现：
3、一种纳米木质纤维素的制备方法，其特征在于该方法包含以下步骤：将一定质量水和马来酸加入反应器中，使得马来酸的质量浓度为20～80％，再加入质量浓度为0.1～5.0％的无机酸,最后加入木质纤维素原料，使木质纤维素原料与酸液的质量比为3～15％，将反应器的温度设为100～150℃，反应20～360min，反应完后趁热进行固液分离，然后用清水将固相中残留的马来酸和无机酸洗涤出，并用清水将固相稀释为质量浓度为0.5～10％的悬浮液，通过机械搅拌分散后去除粒径较大的颗粒，再将固相通过高压均质或机械盘磨的方法得到纳米尺度的木质纤维素纤维；
4、所述的木质纤维素原料包括木材类的松木、桉木、杨木、水曲柳、沙棘、柏木、杉木、桦木，非木材类的竹子、玉米芯、玉米秸秆、麦秆、甘蔗渣、稻草、稻壳、花生壳，以及这些原料中一种或二种以上的组合；木材类原料和竹子粒径小于2cm，非木材原料(除竹子)粒径小于5cm；
5、所述的马来酸质量浓度为20～80％，优选为30～70％；
6、所述的无机酸为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸中一种或二种以上的组合；
7、所述的无机酸的质量浓度为0.3～5％，优选为0.5～3％；
8、所述木质纤维素原料与酸液质量比为3～15％；优选为8～12％；
9、所述的反应温度为为100～150℃，优选为120～140℃，反应时间为20～360min，优选为30～120min；
10、所述的趁热进行过滤分离是为防止马来酸冷却析出，固液分离时保证酸液温度在80℃以上；
11、所述的用清水将固相稀释为质量浓度为0.5～10％的悬浮液，优选质量浓度为2～6％。
12、相比目前单独使用马来酸处理木质纤维素原料，该方法得到的纳米木质纤维素的平均直径更小，更有利于发挥其纳米尺寸的优势，且该方法适合处理颗粒较大的木质纤维素原料，适用性强，能节约成本。
13、本专利技术的机理为：
14、马来酸属于二元有机羧酸，可以在溶解出部分木质素的同时，水解大部分的半纤维素，同时马来酸会酯化木质素和纤维素，使得处理后的底物带有羧基，适合分散制备纳米木质纤维素。但是马来酸的酸性较弱，直接打开木质纤维素原料结构的能力较弱，使得原料的尺寸要求较高，通过添加少量的无机酸，可以加快半纤维素的水解，强化木质纤维素结构的打开，并且使最终得到的纳米木质纤维素的直径更小，尺寸分布更均一。
15、本专利技术相对于现有技术(单独使用马来酸制备纳米木质纤维素)，具有如下的优点及有益效果：
16、(1)本专利技术制备纳米木质纤维素时，对木质纤维素原料的尺寸要求较低，可以使用颗粒较大的原料，节约成本；
17、(2)本专利技术制备的纳米木质纤维素得率较高，平均直径更小，更有利于发挥其纳米尺寸的优势。
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1.一种纳米木质纤维素的制备方法，其特征在于该方法包含以下步骤：将水和马来酸加入反应器中，使得马来酸的质量浓度为20～80％，再加入一定质量的无机酸，使其加入后质量浓度为0.1～5.0％；最后加入木质纤维素原料，使木质纤维素原料与酸液的质量比为3～15％，将反应器的温度设为100～150℃，反应20～360min，反应完后趁热进行固液分离，然后用水将固相中残留的马来酸和无机酸洗涤出，并用水将固相稀释为质量浓度为0.5～10％的悬浮液，通过高速搅拌机在2000～20000rpm下分散2～10min后，过10～30目的筛网去除粒径较大的颗粒，再将悬浮液通过多次高压均质(均质孔隙50～200μm，压力在50～200MPa)或机械盘磨(盘磨的间距0.1～10μm)的方法得到纳米木质纤维素。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的木质纤维素原料包括木材类纤维素原料和非木材类纤维素原料中的一种或二种以上，木材类纤维素原料包括松木、桉木、杨木、水曲柳、沙棘、柏木、杉木、桦木中一种或二种以上；非木材类纤维素原料包括竹子、玉米芯、玉米秸秆、麦秆、甘蔗渣、稻草、稻壳、花生壳中的
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的马来酸质量浓度为20～80％，优选为30～70％，更优选为40～60％。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的无机酸为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸中一种或二种以上的组合。
5.按照权利要求1或4所述的方法，其特征在于：所述的无机酸的质量浓度为0.1～5.0％，优选为0.5～3.0％。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述木质纤维素原料与酸液质量比优选为8～12％。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的反应温度优选为120～140℃，反应时间优选为30～120min。
8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的趁热进行过滤分离是为防止马来酸冷却析出，固液分离时保证酸液温度在80℃以上。
9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的用清水将固相稀释为质量浓度为0.5～10％的悬浮液，优选质量浓度为2～6％。
...【技术特征摘要】
1.一种纳米木质纤维素的制备方法，其特征在于该方法包含以下步骤：将水和马来酸加入反应器中，使得马来酸的质量浓度为20～80％，再加入一定质量的无机酸，使其加入后质量浓度为0.1～5.0％；最后加入木质纤维素原料，使木质纤维素原料与酸液的质量比为3～15％，将反应器的温度设为100～150℃，反应20～360min，反应完后趁热进行固液分离，然后用水将固相中残留的马来酸和无机酸洗涤出，并用水将固相稀释为质量浓度为0.5～10％的悬浮液，通过高速搅拌机在2000～20000rpm下分散2～10min后，过10～30目的筛网去除粒径较大的颗粒，再将悬浮液通过多次高压均质(均质孔隙50～200μm，压力在50～200mpa)或机械盘磨(盘磨的间距0.1～10μm)的方法得到纳米木质纤维素。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的木质纤维素原料包括木材类纤维素原料和非木材类纤维素原料中的一种或二种以上，木材类纤维素原料包括松木、桉木、杨木、水曲柳、沙棘、柏木、杉木、桦木中一种或二种以上；非木材类纤维素原料包括竹子、玉米芯、玉米秸秆、麦秆、甘蔗渣、稻草、稻壳、...
【专利技术属性】
技术研发人员：王峰，蔡诚，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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