專利名稱：一種生物酶解與機械剪切聯(lián)合制備纖維素納米晶體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種植物基纖維素納米晶體的制備方法，具體為一種生物酶解與機械剪切聯(lián)合制備纖維素納米晶體的方法。
背景技術(shù)：
目前，植物基纖維素納米晶體在增強聚合物復(fù)合材料、生物醫(yī)用材料、生物制藥、環(huán)保材料等領(lǐng)域得到廣泛運用。由于其主要成分是纖維素晶體，因此擁有優(yōu)異的力學(xué)性能，理論彈性模量高達150GPa。在這種植物基纖維素納米晶體的晶體區(qū)域內(nèi)的纖維素分子排列整齊，因而熱穩(wěn)定性較好。纖維素納米晶體直徑通常在20~50nm之間，長度約為100~300nm，長徑比小，易于均勻分布于聚合物基料中?；谏鲜鲈蜻@種植物基纖維素納米晶體作為一種新型材料，具備較佳的使用前景。而在現(xiàn)有技術(shù)中，這種植物基纖維素納米晶體一般常采用濃硫酸或濃鹽酸等強酸水解植物纖維紙漿制取。這種傳統(tǒng)方法可迅速將纖維素?zé)o定形區(qū)溶解破壞，得到結(jié)晶度較高的納米纖維材料。然而，強酸水解是非常激烈的化學(xué)反應(yīng)，強酸本身能腐蝕反應(yīng)容器，對設(shè)備要求較高；在操作過程中強酸濺漏也能腐蝕操作人員的衣物和皮膚，操作安全性不高。同時，水解后的物料還需先用堿將未反應(yīng)的殘留酸中和，再反復(fù)水洗至中性，所得水洗廢液也需要進一步回收處理，增加生產(chǎn)成本?？偟膩碚f，傳統(tǒng)的制備方法不僅對設(shè)備要求高，操作安全程度低，制備過程復(fù)雜，而且在生產(chǎn)過程中伴隨著大量化學(xué)污染物的排放，生產(chǎn)成本高。因此，開發(fā)和設(shè)計一種綠色環(huán)保的制備纖維素納米晶體的方法具有極大的現(xiàn)實意義和應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種生物酶解與機械剪切聯(lián)合制備纖維素納米晶體的方法，以解決上述背景技術(shù)中的缺點。本發(fā)明所解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
一種生物酶解與機械剪切聯(lián)合制備纖維素納米晶體的方法，區(qū)別于其它工藝的顯著特點在于，首先利用內(nèi)切葡聚糖酶將纖維初步水解、拆解或破壞纖維素?zé)o定形區(qū)1，Γβ 葡萄糖苷鍵，然后借助高速高壓機械剪切獲得纖維素納米晶體。其主要包括以下步驟:
第I步:將漂白紙漿纖維與去離子水充分混合，調(diào)節(jié)成固體質(zhì)量分數(shù)1.5^2%的懸浮狀溶液，該混合液先在高速攪拌條件下分散0.5h，然后經(jīng)超細膠體磨反復(fù)剪切3飛次，充分潤漲纖維表面，同時也將部分纖維剪短，提高反應(yīng)表面積及反應(yīng)效率。第2步:將一定量的內(nèi)切葡聚糖酶加入經(jīng)初步剪切的纖維混合溶液中酶解處理。酶的添加量視酶的反應(yīng)活力而定，一般每克干態(tài)纖維的酶添加量3 10FPU，反應(yīng)溫度3(T60°C，反應(yīng)條件為弱酸性pH=5.5飛.5，反應(yīng)時間視目標(biāo)納米纖維直徑而定，通常為12 24h。第3步:經(jīng)酶解的纖維溶液先在10°C條件下冷凍0.5h，再在90°C條件下加熱0.5h，抑制消除酶的活性。然后將反應(yīng)液在布式漏斗中反復(fù)水洗過濾、離心分離調(diào)節(jié)固體含量至1.5%。第4步:酶解纖維高壓高強機械剪切加工。經(jīng)水洗后的酶解纖維溶液在微射流高壓均質(zhì)機內(nèi)機械剪切處理，其剪切次數(shù)視目標(biāo)納米纖維而定，通常在200 μ m反應(yīng)腔內(nèi)循環(huán)剪切10次，再在87 μ m反應(yīng)腔內(nèi)剪切15次即可。本發(fā)明中，所述第I步中超細膠體磨的運行轉(zhuǎn)速為200(T3000 rpm，磨盤間距為-0.2 0.3mm。本發(fā)明中，所述第2步中酶解反應(yīng)在恒溫搖床內(nèi)完成，搖床的轉(zhuǎn)速15(T250rpm。本發(fā)明中，所述第2步中反應(yīng)條件為弱酸性，反應(yīng)液pH值用稀鹽酸調(diào)節(jié)，每隔0.5h檢測一次，保持在5.(Γ6.5之間。本發(fā)明中，所述第2步中酶水解處理時間隨酶的反應(yīng)活力而定，為完全水解所需時間的35% 45%，通常為12 24h。本發(fā)明中，所述第3步中離心分離的轉(zhuǎn)速為500(T6000 rpm，除去上層離心液。本發(fā)明中，所述第4步中微射流高壓均質(zhì)機剪切處理時，在200 μ m反應(yīng)腔內(nèi)壓強為35 40MPa，在87μπι反應(yīng)腔內(nèi)壓強為140 150MPa。有益效果:本發(fā)明所述是一種綠色環(huán)保高效制備植物基纖維素納米晶體的方法。該方法不僅不需要傳統(tǒng)的高強濃酸水解，提高了操作安全性和可靠性，同時還可以通過調(diào)控酶解預(yù)處理與機械剪切程度調(diào)節(jié)納米晶體的直徑與長徑比。通過該方法獲得的納米纖維素晶體力學(xué)強度好、結(jié)晶程度高、光透射性強、表面未吸附酸根離子，能取代傳統(tǒng)纖維素晶體廣泛用于聚合物復(fù)合材料、過濾材料、環(huán)保材料、及生物醫(yī)用材料等領(lǐng)域。
具體實施例方式下面舉實例對本發(fā)明進行詳細描述。為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。實施例1:
第I步:將漂白紙漿纖維與去離子水充分混合，調(diào)節(jié)成固體質(zhì)量數(shù)1.5%的懸浮狀溶液，該液體先在高速攪拌條件下分散0.5h，然后再在超細膠體磨內(nèi)反復(fù)剪切5次，磨盤轉(zhuǎn)速2500rpm,磨盤間距 0.1mm。第2步:將一定量的內(nèi)切葡聚糖酶加入經(jīng)初步剪切的纖維混合溶液中水解處理。酶的添加量為每克干態(tài)纖維的酶添加量5 FPU，反應(yīng)溫度48飛(TC，反應(yīng)條件為弱酸性pH=5.5飛.0，反應(yīng)時間18h。酶解反應(yīng)在恒溫(設(shè)置溫度50°C)搖床內(nèi)完成，搖床轉(zhuǎn)速180rpmo第3步:經(jīng)酶解的纖維溶液先在10°C條件下冷凍0.5h，再在90°C條件下加熱
0.5h，抑制消除酶的活性。然后將反應(yīng)液在布式漏斗中反復(fù)過濾水洗，離心分離、調(diào)節(jié)固體含量至1.5%。

第4步:酶解纖維高壓高強機械剪切加工。經(jīng)水洗后的酶解纖維溶液在微射流高壓均質(zhì)機內(nèi)機械剪切處理，首先在200 μ m反應(yīng)腔內(nèi)循環(huán)剪切10次，再在87 μ m反應(yīng)腔內(nèi)剪切15次。
實施例2:
第I步:將漂白紙漿纖維與去離子水充分混合，調(diào)節(jié)成固體質(zhì)量數(shù)2.0%的懸浮狀溶液，該液體先在高速攪拌條件下分散0.5h，然后再在超細膠體磨內(nèi)反復(fù)剪切4次，磨盤轉(zhuǎn)速2500rpm,磨盤間距-0.2mm。第2步:將一定量的內(nèi)切葡聚糖酶加入經(jīng)初步剪切的纖維混合溶液中水解處理。酶的添加量為每克干態(tài)纖維的酶添加量8 FPU，反應(yīng)溫度48飛(TC，反應(yīng)條件為弱酸性pH=5.5飛.0,反應(yīng)時間20h。酶解反應(yīng)在恒溫(設(shè)置溫度為50°C)搖床內(nèi)完成，搖床轉(zhuǎn)速200rpmo第3步:經(jīng)酶解的纖維溶液先在10°C條件下冷凍0.5h，再在90°C條件下加熱
0.5h，抑制消除酶的活性。然后將反應(yīng)液在布式漏斗中反復(fù)過濾水洗，離心分離、調(diào)節(jié)固體含量至1.5%。第4步:酶解纖維高壓高強機械剪切加工。經(jīng)水洗后的酶解纖維溶液在微射流高壓均質(zhì)機內(nèi)機械剪切處理，首先在200 μ m反應(yīng)腔內(nèi)循環(huán)剪切15次，再在87 μ m反應(yīng)腔內(nèi)剪切15次。實施例3:
第I步:將漂白紙漿纖維與去離子水充分混合，調(diào)節(jié)成固體質(zhì)量數(shù)2.0%的懸浮狀溶液，該液體先在高速攪拌條件下分散0.5h，然后再在超細膠體磨內(nèi)反復(fù)剪切5次，磨盤轉(zhuǎn)速3000rpm,磨盤間距-0.2mm。第2步:將一定量的內(nèi)切葡聚糖酶加入經(jīng)初步剪切的纖維混合溶液中水解處理。酶的添加量為每克干態(tài)纖維的酶添加量10 FPU，反應(yīng)溫度48飛(TC，反應(yīng)條件為弱酸性pH=5.5飛.0，反應(yīng)時間24h。酶解反應(yīng)在恒溫(設(shè)置溫度50°C)搖床內(nèi)完成，搖床轉(zhuǎn)速200rpmo第3步:經(jīng)酶解的纖維溶液先在10°C條件下冷凍0.5h，再在90°C條件下加熱
0.5h，抑制消除酶的活性。然后將反應(yīng)液在布式漏斗中反復(fù)過濾水洗，離心分離、調(diào)節(jié)固體含量至1.5%。第4步:酶解纖維高壓高強機械剪切加工。經(jīng)水洗后的酶解纖維溶液在微射流高壓均質(zhì)機內(nèi)機械剪切處理，首先在200 μ m反應(yīng)腔內(nèi)循環(huán)剪切10次，再在87 μ m反應(yīng)腔內(nèi)剪切10次。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征及本發(fā)明的優(yōu)點，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)，本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求
1.一種生物酶解與機械剪切聯(lián)合制備纖維素納米晶體的方法，其特征在于，包括以下步驟: 第I步:將漂白紙漿纖維與去離子水充分混合，調(diào)節(jié)成固體質(zhì)量分數(shù)1.5^2%的懸浮狀溶液，該混合液先在高速攪拌條件下分散0.5h，然后經(jīng)超細膠體磨反復(fù)剪切3飛次，充分潤漲纖維表面，同時也將部分纖維剪短，提高反應(yīng)表面積及反應(yīng)效率； 第2步:將一定量的內(nèi)切葡聚糖酶加入經(jīng)初步剪切的纖維混合溶液中酶解處理，酶的添加量視酶的反應(yīng)活力而定，一般每克干態(tài)纖維的酶添加量:T10FPU，反應(yīng)溫度3(T60°C，反應(yīng)條件為弱酸性pH=5.5 6.5，反應(yīng)時間為12 24h ； 第3步:經(jīng)酶解的纖維溶液先在10°C條件下冷凍0.5h，再在90°C條件下加熱0.5h，抑制消除酶的活性，然后將反應(yīng)液在布式漏斗中反復(fù)水洗過濾、離心分離調(diào)節(jié)固體含量至1.5% ； 第4步:酶解纖維高壓高強機械剪切加工，經(jīng)水洗后的酶解纖維溶液在微射流高壓均質(zhì)機內(nèi)機械剪切處理，其剪切次數(shù)視目標(biāo)納米纖維而定，通常在200 μ m反應(yīng)腔內(nèi)循環(huán)剪切10次，再在87 μ m反應(yīng)腔內(nèi)剪切15次即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物酶解與機械剪切聯(lián)合制備纖維素納米晶體的方法，其特征在于，所述第一步中超細膠體磨的運行轉(zhuǎn)速為200(T3000 rpm，磨盤間距為-0.2 0.3mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物酶解與機械剪切聯(lián)合制備纖維素納米晶體的方法，其特征在于，所述第2步中酶解反應(yīng)在恒溫搖床內(nèi)完成，搖床轉(zhuǎn)速15(T250rpm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的`一種生物酶解與機械剪切聯(lián)合制備纖維素納米晶體的方法，其特征在于，所述第2步中反應(yīng)條件為弱酸性，反應(yīng)液pH值用稀鹽酸調(diào)節(jié)，每隔0.5h檢測一次，保持在5.0 6.5之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物酶解與機械剪切聯(lián)合制備纖維素納米晶體的方法，其特征在于，所述第2步中酶水解處理時間視酶的反應(yīng)活力而定，為完全水解所需時間的35% 45%，通常為12 24h。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物酶解與機械剪切聯(lián)合制備纖維素納米晶體的方法，其特征在于，所述第3步中離心分離的轉(zhuǎn)速為500(T6000 rpm,除去上層離心液。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物酶解與機械剪切聯(lián)合制備纖維素納米晶體的方法，其特征在于，所述第4步中微射流高壓均質(zhì)機剪切處理時，在200 μ m反應(yīng)腔內(nèi)壓強為35 40MPa，在87 μ m反應(yīng)腔內(nèi)壓強為140 150MPa。
全文摘要
一種生物酶解與機械剪切聯(lián)合制備植物基纖維素納米晶體的方法，首先利用內(nèi)切葡聚糖酶將纖維初步水解、拆解或破壞纖維素?zé)o定形區(qū)1，4～β～D葡萄糖苷鍵，然后借助高速高壓機械剪切獲得纖維素納米晶體。該方法不需經(jīng)過傳統(tǒng)的強酸水解，提高了操作安全和可靠性，同時還可以通過調(diào)控酶解與機械剪切程度調(diào)節(jié)納米晶體的直徑與長徑比。通過該方法獲得的納米纖維素晶體力學(xué)強度好、結(jié)晶度高、長徑比適中，透光射性強、表面未吸附酸根離子，有望取代傳統(tǒng)纖維素晶體應(yīng)用于聚合增強、過濾、環(huán)保、節(jié)能以及生物醫(yī)用等材料領(lǐng)域。
文檔編號D21C5/00GK103103847SQ20131001742
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月18日
發(fā)明者卿彥, 吳義強 申請人:中南林業(yè)科技大學(xué)