專利名稱：一種強(qiáng)酸預(yù)處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種植物纖維納米纖絲材料的制備方法，具體為一種強(qiáng)酸預(yù)處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，植物基納米纖維正在悄然推動(dòng)聚合物復(fù)合材料、包裝裝飾材料、節(jié)能環(huán)保材料、生物制藥材料、傳導(dǎo)導(dǎo)電材料等領(lǐng)域的快速發(fā)展。纖維素納米纖絲作為一類重要的納米纖維材料，常利用高速機(jī)械剪切或化學(xué)氧化的方法，將植物纖維中的纖維素微纖絲分離拆解成直徑在納米級(jí)(低于IOOnm)的細(xì)長(zhǎng)纖維。這種納米纖維擁有優(yōu)異的力學(xué)性能，彈性模量高達(dá)IOOGPa ;同時(shí)還具有很高的長(zhǎng)徑比，且其長(zhǎng)徑比通常超過(guò)100。就納米結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，這種納米纖維在干燥狀態(tài)下，納米纖絲形成天然的納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能有效阻止小分子物質(zhì)如水、氧氣、二氧化碳的滲透，此外，納米纖絲還具有良好的透光性和熱穩(wěn)定性。由于化學(xué)氧化制備纖維素納米纖絲的成本較高、工序復(fù)雜，其大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)還是以機(jī)械剪切加工為主。為了將普通的漂白紙漿纖維剪切成納米纖絲，在加工過(guò)程中需要反復(fù)機(jī)械剪切，導(dǎo)致能耗較大，生產(chǎn)成本也較高，這些已成為制約纖維素納米纖絲飛躍式發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸。因此，對(duì)原料紙漿進(jìn)行合適的預(yù)處理，提高纖維納米化拆解效率，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景，對(duì)于推動(dòng)納米纖維以及生物質(zhì)納米材料的發(fā)展有不可估量的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種強(qiáng)酸預(yù)處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，以解決上述背景技術(shù)中的缺點(diǎn)。本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)`題采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)
一種強(qiáng)酸預(yù)處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，區(qū)別于其它工藝的顯著特點(diǎn)是引入強(qiáng)酸水解預(yù)處理漂白紙漿纖維，潤(rùn)脹、溶解和打開(kāi)纖維素部分無(wú)定形區(qū)，然后利用高速均質(zhì)化機(jī)械剪切快速獲得纖維素納米纖絲，包括以下步驟
第I步將漂白紙漿纖維在去離子水中潤(rùn)脹24h，然后高速攪拌分散O. 5h，調(diào)節(jié)成固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)1. 5^2. 0%的懸浮狀溶液。該混合液再經(jīng)超細(xì)膠體磨反復(fù)剪切3飛次，脹化和剪短原料纖維。細(xì)磨纖維溶液經(jīng)離心分離后去除上層液體后再高速離心甩干。第2步甩干后的纖維進(jìn)行濃硫酸或濃鹽酸水解，酸的濃度為6(T70wt%，酸解時(shí)間1.(Tl. 5h，酸解溫度控制在4(T60°C，纖維與水解酸液的比配為2 8g/ml。第3步將酸解液反復(fù)水洗至中性，先加入一定量的堿中和未反應(yīng)的酸，再經(jīng)布氏漏斗將預(yù)處理纖維反復(fù)去離子水水洗。水洗后的纖維離心分離調(diào)節(jié)至固含量1. 5^2. 0%。第4步預(yù)處理纖維高壓高強(qiáng)機(jī)械剪切加工。水洗后的酸解預(yù)處理纖維溶液在微射流高壓均質(zhì)機(jī)內(nèi)機(jī)械剪切處理，其中在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5次，即可成型。
本發(fā)明中，所述第I步過(guò)程中超細(xì)膠體磨的運(yùn)行轉(zhuǎn)速為200(T3000 rpm，磨盤(pán)間距為-O. 2 O. 4mm。本發(fā)明中，所述第I步過(guò)程中經(jīng)過(guò)離心甩干后的細(xì)磨纖維含水率1(Γ18%。本發(fā)明中，所述第2步過(guò)程中酸水解反應(yīng)在恒溫?fù)u床內(nèi)完成，搖床轉(zhuǎn)速150 250rpm。本發(fā)明中，所述第2步過(guò)程中纖維與酸分別指甩干后的細(xì)磨纖維與6(T70wt%的鹽酸或硫酸，其比率為2 8g/ml。本發(fā)明中，所述第3步過(guò)程中堿為氫氧化鈉溶液，堿濃度為15 20%。本發(fā)明中，所述第3步過(guò)程中離心分離的轉(zhuǎn)速為300(T35000 rpm,除去上層離心液。本發(fā)明中，所述第4步過(guò)程中微射流高壓均質(zhì)機(jī)剪切處理時(shí)，在200 μ m反應(yīng)腔內(nèi)壓強(qiáng)為35 40MPa，在87μπι反應(yīng)腔內(nèi)壓強(qiáng)為140 150MPa。有益效果本發(fā)明所述是一種強(qiáng)酸預(yù)處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法。通過(guò)強(qiáng)酸水解預(yù)處理漂白紙漿纖維，潤(rùn)脹、 溶解和打開(kāi)纖維素部分無(wú)定形區(qū)，然后利用高速均質(zhì)化機(jī)械剪切快速獲得纖維素納米纖絲。該方法不僅能夠降低纖維素納米纖絲制備過(guò)程的能耗，同時(shí)強(qiáng)酸水解能提高纖維素的結(jié)晶度，在一定程度上提高了納米纖維的力學(xué)強(qiáng)度。因此，通過(guò)該方法獲得的纖維素納米纖絲能廣泛用于增強(qiáng)聚合物材料、吸塵過(guò)濾材料、生態(tài)環(huán)保材料、及生物醫(yī)用材料等領(lǐng)域。
具體實(shí)施例方式下面舉實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。實(shí)施例1 :
第I步將漂白紙漿纖維在去離子水中潤(rùn)脹24h，然后高速攪拌分散O. 5h，調(diào)節(jié)成固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)1. 5%的懸浮狀溶液。該混合液再經(jīng)超細(xì)膠體磨反復(fù)剪切3次，脹化和剪短原料纖維；磨盤(pán)轉(zhuǎn)速2500 rpm，磨盤(pán)間距為 O. 1mm。預(yù)磨纖維溶液經(jīng)離心分離后去除上層液體后再高速離心甩干至含水率12%。第2步甩干后的纖維進(jìn)行濃硫酸水解，酸的濃度為64wt%，酸解時(shí)間1. 5h，酸解溫度控制在50°C，纖維與水解酸液的比配為4g/ml。酸解反應(yīng)在恒溫(設(shè)置溫度50°C)搖床內(nèi)完成，搖床轉(zhuǎn)速180rpm。第3步將酸解液反復(fù)水洗至中性，先加入一定量的15%氫氧化鈉溶液中和未反應(yīng)的酸，再經(jīng)布氏漏斗將預(yù)處理纖維反復(fù)去離子水水洗。水洗后的纖維離心分離調(diào)節(jié)至固含量1. 5%ο第4步預(yù)處理纖維高壓高強(qiáng)機(jī)械剪切加工。水洗后的酸解預(yù)處理纖維溶液在微射流高壓均質(zhì)機(jī)內(nèi)機(jī)械剪切處理，其中在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5次，即可成型。實(shí)施例2
第I步將漂白紙漿纖維在去離子水中潤(rùn)脹24h，然后高速攪拌分散O. 5h，調(diào)節(jié)成固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)2. 0%的懸浮狀溶液。該混合液再經(jīng)超細(xì)膠體磨反復(fù)剪切4次，脹化和剪短原料纖維；磨盤(pán)轉(zhuǎn)速3000 rpm，磨盤(pán)間距為1mm。預(yù)磨纖維溶液經(jīng)離心分離后去除上層液體后再高速離心甩干至含水率16%。第2步甩干后的纖維進(jìn)行濃硫酸水解，酸的濃度為70wt%，酸解時(shí)間1. Oh,酸解溫度控制在55°C，纖維與水解酸液的比配為6g/ml。酸解反應(yīng)在恒溫(設(shè)置溫度55°C)搖床內(nèi)完成，搖床轉(zhuǎn)速180rpm。第3步將酸解液反復(fù)水洗至中性，先加入一定量的16%氫氧化鈉溶液中和未反應(yīng)的酸，再經(jīng)布氏漏斗將預(yù)處理纖維反復(fù)去離子水水洗。水洗后的纖維離心分離調(diào)節(jié)至固含量 2. 0%。第4步預(yù)處理纖維高壓高強(qiáng)機(jī)械剪切加工。水洗后的酸解預(yù)處理纖維溶液在微射流高壓均質(zhì)機(jī)內(nèi)機(jī)械剪切處理，其中在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5次，即可成型。實(shí)施例3 第I步將漂白紙漿纖維在去離子水中潤(rùn)脹24h，然后高速攪拌分散O. 5h，調(diào)節(jié)成固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的懸浮狀溶液。該混合液再經(jīng)超細(xì)膠體磨反復(fù)剪切5次，脹化和剪短原料纖維；磨盤(pán)轉(zhuǎn)速3000 rpm,磨盤(pán)間距為"O. 1mm。預(yù)磨纖維溶液經(jīng)離心分離后去除上層液體后再高速離心甩干至含水率18%。第2步甩干后的纖維進(jìn)行濃鹽酸水解，酸的濃度為70wt%，酸解時(shí)間1. 5h，酸解溫度控制在50°C，纖維與水解酸液的比配為8g/ml。酸解反應(yīng)在恒溫(設(shè)置溫度50°C)搖床內(nèi)完成，搖床轉(zhuǎn)速200rpm。第3步將酸解液反復(fù)水洗至中性，先加入一定量的20%氫氧化鈉溶液中和未反應(yīng)的酸，再經(jīng)布氏漏斗將預(yù)處理纖維反復(fù)去離子水水洗。水洗后的纖維離心分離調(diào)節(jié)至固含量％。第4步預(yù)處理纖維高壓高強(qiáng)機(jī)械剪切加工。水洗后的酸解預(yù)處理纖維溶液在微射流高壓均質(zhì)機(jī)內(nèi)機(jī)械剪切處理，其中在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5次，即可成型。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(diǎn)，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)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(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)，本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等效物界定。
權(quán)利要求
1.一種強(qiáng)酸預(yù)處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，其特點(diǎn)在于，包括以下步驟 第I步將漂白紙漿纖維在去離子水中潤(rùn)脹24h，然后高速攪拌分散O. 5h，調(diào)節(jié)成固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)1. 5^2. 0%的懸浮狀溶液，該混合液再經(jīng)超細(xì)膠體磨反復(fù)剪切3飛次，脹化和剪短原料纖維，預(yù)磨纖維溶液經(jīng)離心分離后去除上層液體后再高速離心甩干； 第2步甩干后的纖維進(jìn)行濃硫酸或濃鹽酸水解，酸的濃度為6(T70wt%，酸解時(shí)間1. (Tl. 5h，酸解溫度控制在4(T60°C，纖維與水解酸液的比配為2 8g/ml ； 第3步將酸解液反復(fù)水洗至中性，先加入一定量的堿中和未反應(yīng)的酸，再經(jīng)布氏漏斗將預(yù)處理纖維反復(fù)去離子水水洗，水洗后的纖維離心分離調(diào)節(jié)至固含量1. 5^2. 0% ； 第4步預(yù)處理纖維高壓高強(qiáng)機(jī)械剪切加工，水洗后的酸解預(yù)處理纖維溶液在微射流高壓均質(zhì)機(jī)內(nèi)機(jī)械剪切處理，其中在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5次即可成型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)酸預(yù)處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，其特征在于，所述第I步中超細(xì)膠體磨的運(yùn)行轉(zhuǎn)速為200(T3000 rpm，磨盤(pán)間距為-O. 2^0. 4mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)酸預(yù)處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，其特征在于，所述第2步中經(jīng)過(guò)離心甩干后的細(xì)磨纖維含水率1(Γ18%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)酸預(yù)處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，其特征在于，所述第2步中酸水解反應(yīng)在恒溫?fù)u床內(nèi)完成，搖床轉(zhuǎn)速15(T250rpm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)酸預(yù)處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，其特征在于，所述第2步中纖維與酸分別指甩干后的細(xì)磨纖維與6(T70wt%的鹽酸或硫酸，其比率為2 8g/ml。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)酸預(yù)處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，其特征在于，所述第3步中堿為氫氧化鈉溶液,堿濃度為1(Γ20%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)酸預(yù)處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，其特征在于，所述第3步中離心分離的轉(zhuǎn)速為300(T35000 rpm,除去上層離心液。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種強(qiáng)酸預(yù)處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，其特征在于，所述第4步中微射流高壓均質(zhì)機(jī)剪切處理時(shí)，在200 μ m反應(yīng)腔內(nèi)壓強(qiáng)為35 40MPa，在.87 μ m反應(yīng)腔內(nèi)壓強(qiáng)為140 150MPa。
全文摘要
一種強(qiáng)酸預(yù)處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，首先利用60-70wt%濃硫酸或鹽酸在40-60℃條件下將漂白紙漿纖維水解預(yù)處理1.0-1.5h，潤(rùn)脹、溶解和打開(kāi)纖維素部分無(wú)定形區(qū)，然后利用高速均質(zhì)化機(jī)械剪切快速獲得纖維素納米纖絲。通過(guò)這種方法獲得的纖維素納米纖絲生產(chǎn)過(guò)程能耗降低、纖維結(jié)晶度高、纖維長(zhǎng)徑比大、熱穩(wěn)定性好，能廣泛用于增強(qiáng)復(fù)合材料、吸塵過(guò)濾材料、生態(tài)環(huán)保材料、及生物醫(yī)用材料等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)D21B1/02GK103061174SQ20131001754
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)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(qiáng) 申請(qǐng)人:中南林業(yè)科技大學(xué)