專利名稱：一種高壓破碎低溫冷卻制備納米纖維素的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米纖維素的制備方法。
背景技術(shù)：
納米纖維素，又稱纖維素納米晶體，是一類剛性棒狀單晶纖維素(晶須)，直徑為 1 lOOnm，長(zhǎng)度為幾十到幾百納米。在一些文獻(xiàn)報(bào)道中，納米纖維素也叫做纖維素納米晶須、納米晶體、微納纖絲等等。納米纖維素具有可再生性、高結(jié)晶度、高縱橫比、高比表面積和高透明性等，在食品、醫(yī)藥、造紙、紡織 等方面具有很好的應(yīng)用前景。制備納米纖維素的方法有水解法、機(jī)械法、生物法、溶劑法、靜電紡絲法、離子液體溶解法等。其中，采用高壓均質(zhì)法是制備納米纖維素的一種常用機(jī)械制備方法。在高壓均質(zhì)過(guò)程中，壓力能的釋放和高速運(yùn)動(dòng)使物料粉碎，從而減小物料的尺寸。目前，制備納米纖維素通常采用統(tǒng)傳的高壓均質(zhì)機(jī)，所用的均質(zhì)壓力為300 500bar，這種方法易造成制備的納米纖維素直徑分布廣、不均勻，纖維間交織成微米級(jí)的問(wèn)題。此外，均質(zhì)壓力每升高 lOObar，物料溫度上升3°C。物料進(jìn)樣時(shí)溫度10°C，均質(zhì)后溫度可達(dá)到70°C。由于沒(méi)有有效的控溫方式，造成均質(zhì)后物料溫度過(guò)高，影響穩(wěn)定性，也易造成物料團(tuán)聚。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的利用均質(zhì)設(shè)備制備納米纖維素存在的粒徑分布廣， 以微米級(jí)為主的不足，提供一種超高壓制備窄尺寸分布的納米纖維素的方法，并有效克服超高壓處理過(guò)程中由于壓力上升而導(dǎo)致的升溫現(xiàn)象，均質(zhì)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量可被及時(shí)吸收，保證了納米纖維素的出料溫度在30°C以下，大大提高納米纖維素的尺寸穩(wěn)定性。本發(fā)明的技術(shù)解決方案將纖維原料分散在較低濃度的硫酸水溶液中，在一定溫度范圍內(nèi)保持一段時(shí)間，有利于纖維素分子鏈中無(wú)定形區(qū)的去除和結(jié)晶區(qū)中鏈段的打開(kāi)； 然后將上述的共混物經(jīng)過(guò)稀釋、離心分離、循環(huán)透析過(guò)濾，得到的沉淀物中加入一定量的分散劑，克服纖維原料在納米化過(guò)程中由于羥基與羥基之間產(chǎn)生氫鍵連接而導(dǎo)致納米纖維素發(fā)生絮聚的現(xiàn)象，然后采用均質(zhì)儀進(jìn)行超高壓破碎，在破碎過(guò)程中進(jìn)行低溫冷卻，得到納米纖維素膠體，對(duì)納米纖維素膠體進(jìn)行離心分離，去除大量的水分散相，最后進(jìn)行冷凍干燥處理，得到納米纖維素。一種高壓破碎低溫冷卻制備納米纖維素的具體制造方法將纖維原料分散在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 20%的硫酸水溶液中，所述纖維原料與硫酸水溶液的質(zhì)量比為1 25 1 50，在20 60°C溫度范圍下保持2 6h，得到分散有纖維原料的硫酸水溶液；在上述的水溶液中加入蒸餾水進(jìn)行稀釋、離心分離、循環(huán)透析過(guò)濾，得到的沉淀物中加入一定量的分散劑，采用均質(zhì)儀進(jìn)行高壓破碎4 16次，破碎壓力為1000 1200bar，在破碎過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行低溫冷卻，得到納米纖維素膠體，然后進(jìn)行離心分離、冷凍干燥處理，得到納米纖維素。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)采用濃度較低的硫酸預(yù)處理纖維原料，有利于纖維素分子鏈中無(wú)定形區(qū)的去除和結(jié)晶區(qū)中鏈段的打開(kāi)，然后采用超高壓對(duì)物料進(jìn)行高壓機(jī)械剪切，制備的納米纖維素尺寸在10 30nm且分布均勻纖維素。對(duì)高壓破碎過(guò)程進(jìn)行低溫冷卻，可以有效控制壓力上升過(guò)程中溫度的上升，保證了納米纖維素的出料溫度在30°C以下，大大提高了納米纖維素的尺寸穩(wěn)定性。此外，在高壓破碎前加入分散劑，可以克服纖維原料在納米化過(guò)程中由于羥基與羥基之間產(chǎn)生氫鍵連接而導(dǎo)致納米纖維素發(fā)生絮聚的現(xiàn)象。性能測(cè)試表明以高壓破碎低溫冷卻制備的納米纖維素的直徑約10 30nm，長(zhǎng)度約 300nm。


附圖1是實(shí)施例1中未經(jīng)處理的纖維原料的場(chǎng)發(fā)射電鏡圖。附圖2是實(shí)施例1中納米纖維素的場(chǎng)發(fā)射電鏡圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1，將2g纖維原料分散在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 15%的硫酸水溶液中，所述纖維原料與硫酸水溶液的質(zhì)量比為1 25 1 50，在20 60°C溫度范圍下保持2h，得到分散有纖維原料的硫酸水溶液；在上述的水溶液中加入蒸餾水進(jìn)行稀釋、離心分離、循環(huán)透析過(guò)濾，得到的沉淀物中加入的馬來(lái)酸酐，用均質(zhì)儀進(jìn)行高壓破碎4次，破碎壓力為1000 1200bar，在破碎過(guò)程中進(jìn)行低溫冷卻，得到納米纖維素膠體，然后進(jìn)行離心分離、冷凍干燥，得到產(chǎn)物。實(shí)施例2，將2g纖維原料分散在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 15%的硫酸水溶液中，所述纖維原料與硫酸水溶液的質(zhì)量比為1 25 1 50，在20 60°C溫度范圍下保持4h，得到分散有纖維原料的硫酸水溶液；在上述的水溶液中加入蒸餾水進(jìn)行稀釋、離心分離、循環(huán)透析過(guò)濾，得到的沉淀物中加入2%的馬來(lái)酸酐，用均質(zhì)儀進(jìn)行高壓破碎8次，破碎壓力為1000 1200bar，在破碎過(guò)程中進(jìn)行低溫冷卻，得到納米纖維素膠體，然后進(jìn)行離心分離、冷凍干燥，得到產(chǎn)物。實(shí)施例3，將2g纖維原料分散在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15 20%的硫酸水溶液中，所述纖維原料與硫酸水溶液的質(zhì)量比為1 25 1 50，在20 60°C溫度范圍下保持6h，得到分散有纖維原料的硫酸水溶液；在上述的水溶液中加入蒸餾水進(jìn)行稀釋、離心分離、循環(huán)透析過(guò)濾，得到的沉淀物中加入1 %的乙酸酐，用均質(zhì)儀進(jìn)行高壓破碎16次，破碎壓力為1000 1200bar，在破碎過(guò)程中進(jìn)行低溫冷卻，得到納米纖維素膠體，然后進(jìn)行離心分離、冷凍干燥，得到產(chǎn)物。實(shí)施例4，將2g纖維原料分散在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15 20%的硫酸水溶液中，所述纖維原料與硫酸水溶液的質(zhì)量比為1 50，在20 60°C溫度范圍下保持2 6h，得到分散有纖維原料的硫酸水溶液；在上述的水溶液中加入蒸餾水進(jìn)行稀釋、離心分離、循環(huán)透析過(guò)濾，得到的沉淀物中加入3%的乙酸酐，用均質(zhì)儀進(jìn)行高壓破碎8次，破碎壓力為1100 1200bar，在破碎過(guò)程中進(jìn)行低溫冷卻，得到納米纖維素膠體，然后進(jìn)行離心分離、冷凍干燥，得到產(chǎn)物。
權(quán)利要求
1.一種高壓破碎低溫冷卻制備納米纖維素的方法，其特征是將纖維原料分散在一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸水溶液中，在一定的溫度范圍下保持一段時(shí)間，得到纖維和硫酸水溶液的共混物；將上述的共混物經(jīng)過(guò)稀釋、離心分離、循環(huán)透析過(guò)濾，在得到的沉淀物中加入分散劑， 然后利用均質(zhì)儀進(jìn)行高壓破碎，在破碎過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行低溫冷卻，得到納米纖維素膠體，最后進(jìn)行離心分離、冷凍干燥處理，得到納米纖維素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓破碎低溫冷卻制備納米纖維素的方法，其特征在于所述的纖維原料先經(jīng)硫酸水溶液進(jìn)行酸解，纖維原料與硫酸水溶液的質(zhì)量比為1 25 1 50，硫酸濃度為10 20%，溫度為20 60°C，時(shí)間為2 6h。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓破碎低溫冷卻制備納米纖維素的方法，其特征在于所述的分散劑包括馬來(lái)酸酐或乙酸酐，分散劑的質(zhì)量為纖維原料的1 5%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓破碎低溫冷卻制備納米纖維素的方法，其特征在于高壓破碎過(guò)程中所用的壓力為1000 1200bar，循環(huán)次數(shù)為4 16次。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高壓破碎方法，其特征在于所述的高壓破碎過(guò)程中，同時(shí)進(jìn)行低溫冷卻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓破碎低溫冷卻制備納米纖維素的方法，其特征在于所述的冷凍干燥前采用離心分離，去除大量的水分散相。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種高壓破碎低溫冷卻制備納米纖維素的方法。它涉及納米纖維素的制備方法，步驟為將纖維原料分散在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10～20％的硫酸水溶液中，在20～60℃溫度范圍下保持2～6h，經(jīng)稀釋、離心分離、循環(huán)透析后加入分散劑，利用高壓均質(zhì)儀進(jìn)行高壓破碎，壓力為1000～1200bar，循環(huán)次數(shù)為4～16次，高壓破碎過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行低溫冷卻得到納米纖維素膠體，經(jīng)離心分離、冷凍干燥得到納米纖維素。得到的納米纖維素直徑約10～30nm，長(zhǎng)度約300nm。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的利用均質(zhì)儀制備納米纖維素的直徑分布廣、不均勻，纖維間交織成微米級(jí)以及高壓均質(zhì)過(guò)程中伴隨壓力上升溫度增加的問(wèn)題。
文檔編號(hào)D21B1/30GK102220718SQ201110151350
公開(kāi)日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月8日
發(fā)明者蘭平, 周定國(guó), 周曉燕, 徐信武, 梅長(zhǎng)彤, 潘明珠, 連海蘭 申請(qǐng)人:南京林業(yè)大學(xué)