一種用苧麻精干麻制備微纖化納米纖維素的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用苧麻精干麻制備微纖化納米纖維素的方法，以苧麻精干麻為原料，利用物理機(jī)械方法，先將精干麻用粉碎機(jī)粉碎成短纖維，加入蒸餾水浸泡，用打漿機(jī)制成纖維素漿料；然后用超微細(xì)精制機(jī)不斷循環(huán)往復(fù)研磨，使纖維素受力不斷細(xì)化，制得懸浮液；最后采用離心洗滌的方法將納米纖維素與水分離，采用真空冷凍的方法進(jìn)行處理干燥，最終得到粉態(tài)的微纖化納米纖維素。本發(fā)明提供的方法簡(jiǎn)單高效，原料價(jià)格低廉，不需要添加化學(xué)試劑，易控制，能耗小，污染少，制備的微纖化納米纖維素得率較高，重復(fù)性好，性能優(yōu)良，具有重要的科學(xué)意義與可觀的應(yīng)用前景。
【專利說(shuō)明】一種用苧麻精干麻制備微纖化納米纖維素的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用苧麻精干麻制備微纖化納米纖維素的方法，屬于紡織領(lǐng)域麻類纖維綜合利用與材料科學(xué)領(lǐng)域納米纖維素制備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，天然纖維素是自然界蘊(yùn)藏最豐富的高分子聚合物，普遍存在于木、竹、棉、麻等天然植物中，其來(lái)源豐富，價(jià)格低廉，并具有生物降解性和可再生性。隨著環(huán)保觀念的增強(qiáng)和納米技術(shù)的發(fā)展，人們開始關(guān)注從天然纖維中制備納米纖維素。納米纖維素是指在尺度上至少有一維達(dá)到IOOnm或IOOnm以下的纖維素，是一種新型的高分子功能材料。微纖化纖維素(Microfibrilled cellulose,簡(jiǎn)稱MFC),屬于納米纖維素的一種,是在保留天然纖維素原有聚合度的基礎(chǔ)上，對(duì)纖維反復(fù)進(jìn)行高強(qiáng)度均質(zhì)化處理后得到的具有納米尺度的纖維素產(chǎn)品，為一種高度潤(rùn)脹的膠體狀纖維素產(chǎn)品，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的性能，擁有巨大的比表面積，超強(qiáng)的吸附能力和較高的反應(yīng)活性及親水性，其楊氏模量和抗張強(qiáng)度與普通纖維素相比有指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)。目前微纖化纖維素的制備、結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用研究是國(guó)內(nèi)外纖維素化學(xué)的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。未來(lái)微纖化納米纖維素將廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、信息，環(huán)保，食品包裝、復(fù)合材料等人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。
[0003]苧麻是一種重要的紡織作物，其纖維細(xì)長(zhǎng)，強(qiáng)力大，透氣性好，具備較好的可紡和服用性能。苧麻精干麻是指苧麻原麻經(jīng)過(guò)物理，化學(xué)或生物等方法脫膠，將木質(zhì)素，半纖維素，果膠等非纖維素成分除去，剩余主要組成為纖維素的纖維。中國(guó)苧麻資源豐富，是世界上苧麻產(chǎn)銷量最大的國(guó)家。目前，利用苧麻精干麻提取制備微纖化納米纖維素，在相關(guān)專利或其他文獻(xiàn)中報(bào)道比較少。通過(guò)研究從苧麻纖維中提取具有納米尺度的纖維素，對(duì)于提升苧麻纖維產(chǎn)品附加值，優(yōu)化麻類種植結(jié)構(gòu)以及探索在納米纖維素方面的應(yīng)用等方面具有積極的意義。
[0004]納米纖維素可用化學(xué)酸解，物理粉碎，生物提取及靜電紡絲的方法制備，目前各種制備方法都有一定的缺陷和局限性?；瘜W(xué)酸解法，反應(yīng)時(shí)間很長(zhǎng)，制備過(guò)程需要大量高濃度的硫酸或鹽酸，容易造成設(shè)備的腐蝕以及環(huán)境的污染，回收和處理反應(yīng)后的殘留物困難；采用高壓均質(zhì)解離的方法，需要高壓和特殊的設(shè)備，動(dòng)力和能源消耗比較大，并且容易出現(xiàn)因高壓均質(zhì)機(jī)的堵塞而使制備過(guò)程難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化；生物法從細(xì)菌或被囊類動(dòng)物纖維素中提取納米纖維素產(chǎn)量和效率低，成本高，最終產(chǎn)物的性能也較低；靜電紡絲的設(shè)備存在很多不足，制得的納米纖維素橫截面分布很寬，所得產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能不夠完善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種簡(jiǎn)單綠色、快速高效、易控制、低污染的用苧麻精干麻制備微纖化納米纖維素的方法。
[0006]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種用苧麻精干麻制備微纖化納米纖維素的方法，其特征在于:該方法由以下3個(gè)步驟組成:[0007]步驟1:纖維粉碎及預(yù)處理
[0008]將苧麻精干麻用粉碎機(jī)粉碎成設(shè)定細(xì)度的短纖維，將短纖維放入帶有密封圈的容器中平衡水分，測(cè)定短纖維的回潮率；稱量短纖維質(zhì)量，根據(jù)回潮率計(jì)算其纖維干重；在短纖維中加入蒸餾水，通過(guò)蒸餾水浸泡使纖維素充分潤(rùn)濕；
[0009]步驟2:纖維打漿及機(jī)械研磨
[0010]用打漿機(jī)攪拌短纖維，制成纖維素漿料；將制得的漿料放入超微細(xì)精制機(jī)中，超微細(xì)精制機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子圓盤表面有縫隙和凹槽，設(shè)定轉(zhuǎn)子和定子圓盤間的隔距，使?jié){料通過(guò)超微細(xì)精制機(jī)研磨石之間的縫隙；調(diào)節(jié)研磨石的轉(zhuǎn)速，循環(huán)往復(fù)研磨，研磨石研磨的高速剪切作用切斷微纖絲之間的氫鍵，從而使納米尺度的微纖化纖維分離出來(lái)，最后得到穩(wěn)定的線狀微纖化納米纖維素懸浮液；
[0011]步驟3:離心分離及冷凍干燥
[0012]研磨處理后，通過(guò)離心機(jī)采用離心洗滌的方法將微纖化納米纖維素與水初步分離，除去上層清液，下部離心液經(jīng)過(guò)超聲分散，之后測(cè)定納米懸浮液濃度，計(jì)算微纖化纖維素得率；把納米懸浮液放入真空冷凍干燥儀中，并采用液氮迅速冷凍干燥成型，以制得粉態(tài)的納米纖維素；制備的微纖化納米纖維素放入冷凍室儲(chǔ)存。
[0013]優(yōu)選地，所述步驟I中，粉碎成的短纖維細(xì)度為20~100目，在短纖維中加入蒸餾水使纖維素固體在蒸餾水中質(zhì)量百分比濃度為1%~10%，蒸餾水浸泡時(shí)間為12~48h。
[0014]優(yōu)選地，所述步驟2中，打漿機(jī)攪拌速度為800~1200rpm，攪拌時(shí)間為10~50mino
[0015]優(yōu)選地，所述步驟2中，設(shè)定超微細(xì)精制機(jī)轉(zhuǎn)子和定子圓盤間的隔距為-40~-120 μ rn,研磨石的轉(zhuǎn)速為1000~3000rpm。
[0016]優(yōu)選地，所述步驟2中，循環(huán)反復(fù)研磨次數(shù)為30~80次，研磨時(shí)間為3~7h。
[0017]優(yōu)選地，所述步驟3中，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為6000~12000rpm，離心次數(shù)為3~6次。
[0018]優(yōu)選地，所述步驟3中，下部離心液超聲分散的頻率為20~40kHz，超聲分散的輸出功率為100~300W，超聲分散的時(shí)間為20~50min。
[0019]優(yōu)選地，所述步驟3中，冷凍干燥成型的溫度為-40~-60°c，冷凍干燥成型的壓力10~60Pa，冷凍干燥成型的時(shí)間為4~IOh。
[0020]本發(fā)明提供的方法克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，制備條件要求較低，原料價(jià)格低廉，不需要添加化學(xué)試劑，能耗小，所需時(shí)間較少，制備過(guò)程對(duì)環(huán)境負(fù)面影響較小，制得的微纖化納米纖維素得率較高，重復(fù)性好，性能優(yōu)良，在納米增強(qiáng)材料、組織工程、紡織涂料、生物傳感等先進(jìn)功能材料領(lǐng)域具有較大的潛在應(yīng)用價(jià)值，具有重要的科學(xué)意義與可觀的應(yīng)用前
旦
-5^ O
【具體實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明提供的苧麻精干麻制備微纖化納米纖維素的方法通過(guò)粉碎、打漿、研磨等物理機(jī)械過(guò)程，使纖維受重復(fù)循環(huán)應(yīng)力而不斷微細(xì)化，從而從纖維素含量較高且纖維力學(xué)性能較為優(yōu)異的苧麻精干麻纖維中提取制備具有納米尺度的微纖化納米纖維素。為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，作詳細(xì)說(shuō)明如下。
[0022]實(shí)施例1[0023]—種苧麻精干麻制備微纖化納米纖維素的方法如下:
[0024]將芒麻精干麻用粉碎機(jī)(Wiley Mill Model4,美國(guó)Thomas Scientific公司)粉碎成細(xì)度為20目的短纖維，放入帶有密封圈的容器中平衡水分，測(cè)定短纖維的回潮率為9.2%。稱量短纖維質(zhì)量為21.20g，根據(jù)回潮率計(jì)算其纖維干重為19.25g。加入蒸餾水使纖維素質(zhì)量濃度在I %，浸泡24h使其充分潤(rùn)濕，用打漿機(jī)(73-18Pulp Disintegrator,美國(guó)TMI公司)以800rpm的速度攪拌20min制成纖維素衆(zhòng)料；將制得的衆(zhòng)料放入超微細(xì)精制機(jī)(Super Masscolloider MKCA6-2，日本增幸產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社)中，然后設(shè)定超微細(xì)精制機(jī)兩個(gè)圓盤間的隔距為-40 μ m，用超微細(xì)精制機(jī)以IOOOrpm的速度不斷循環(huán)往復(fù)研磨50次，研磨時(shí)間為4h,使纖維素不斷細(xì)化,制得懸浮液；最后采用轉(zhuǎn)速為6000rpm的離心機(jī)(SorvallST40,美國(guó)Thermo Scientific公司)離心洗漆4次,將納米纖維素與水初步分離；除去上層清液，下層離心液經(jīng)過(guò)頻率為20kHz，輸出功率為IOOW的超聲波分散30min，之后測(cè)定納米懸浮液濃度；通過(guò)真空冷凍干燥儀(VirTis Freeze Dryer,美國(guó)SP Scientif ic公司)采用真空冷凍的方法在_40°C溫度和20Pa壓力下進(jìn)行處理干燥5h，最終得到粉態(tài)的微纖化納米纖維素。制備的微纖化納米纖維素放入冷凍室儲(chǔ)存，留作透射電鏡和力學(xué)性能等表征測(cè)試。計(jì)算微纖化納米纖維得率為52.2%左右，直徑為9?32nm，長(zhǎng)徑比為90?142。
[0025]實(shí)施例2
[0026]一種苧麻精干麻制備微纖化納米纖維素的方法如下:
[0027]將苧麻精干麻用粉碎機(jī)粉碎成細(xì)度為60目的短纖維，放入帶有密封圈的容器中平衡水分，測(cè)定短纖維的回潮率為8.9%。稱量短纖維質(zhì)量為22.02g，根據(jù)回潮率計(jì)算其纖維干重為20.06g。加入蒸餾水使纖維素質(zhì)量濃度在3%，浸泡36h使其充分潤(rùn)濕，用打漿機(jī)以IOOOrpm的速度攪拌30min制成纖維素衆(zhòng)料；將制得的衆(zhòng)料放入超微細(xì)精制機(jī)中，然后設(shè)定超微細(xì)精制機(jī)兩個(gè)圓盤間的隔距為-80 μ m,用超微細(xì)精制機(jī)以3000rpm的速度不斷循環(huán)往復(fù)研磨80次，研磨時(shí)間為6h，使纖維素不斷細(xì)化，制得懸浮液；最后采用轉(zhuǎn)速為IOOOOrpm的離心機(jī)離心洗滌6次，將納米纖維素與水初步分離；除去上層清液，下層離心液經(jīng)過(guò)頻率為40kHz，輸出功率為300W的超聲波分散40min，之后測(cè)定納米懸浮液濃度；通過(guò)真空冷凍干燥儀采用真空冷凍的方法在_60°C溫度和IOPa壓力下進(jìn)行處理干燥6h，最終得到粉態(tài)的微纖化納米纖維素。制備的微纖化納米纖維素放入冷凍室儲(chǔ)存，留作透射電鏡和力學(xué)性能等表征測(cè)試。計(jì)算微纖化納米纖維得率為53.0%左右，直徑為10?28nm，長(zhǎng)徑比為89?143。
[0028]實(shí)施例3
[0029]一種苧麻精干麻制備微纖化納米纖維素的方法如下:
[0030]將苧麻精干麻用粉碎機(jī)粉碎成細(xì)度為40目的短纖維，放入帶有密封圈的容器中平衡水分，測(cè)定短纖維的回潮率為9.2%。稱量短纖維質(zhì)量為21.10g，根據(jù)回潮率計(jì)算其纖維干重為19.16g。加入蒸餾水使纖維素質(zhì)量濃度在6%，浸泡48h使其充分潤(rùn)濕，用打漿機(jī)以1200rpm的速度攪拌50min制成纖維素衆(zhòng)料；將制得的衆(zhòng)料放入超微細(xì)精制機(jī)中，然后設(shè)定超微細(xì)精制機(jī)兩個(gè)圓盤間的隔距為-90 μ m,用超微細(xì)精制機(jī)以2000rpm的速度不斷循環(huán)往復(fù)研磨70次，研磨時(shí)間為7h，使纖維素不斷細(xì)化，制得懸浮液；最后采用轉(zhuǎn)速為IlOOOrpm的離心機(jī)離心洗滌3次，將納米纖維素與水初步分離；除去上層清液，下層離心液經(jīng)過(guò)頻率為20kHz，輸出功率為100W的超聲波分散20min，之后測(cè)定納米懸浮液濃度；通過(guò)真空冷凍干燥儀采用真空冷凍的方法在_60°C溫度和50Pa壓力下進(jìn)行處理干燥4h，最終得到粉態(tài)的微纖化納米纖維素。制備的微纖化納米纖維素放入冷凍室儲(chǔ)存，留作透射電鏡和力學(xué)性能等表征測(cè)試。計(jì)算微纖化納米纖維得率為51.5%左右，直徑為10?31nm，長(zhǎng)徑比為88?143。
[0031]實(shí)施例4
[0032]一種苧麻精干麻制備微纖化納米纖維素的方法如下:
[0033]將苧麻精干麻用粉碎機(jī)粉碎成細(xì)度為100目的短纖維，放入帶有密封圈的容器中平衡水分，測(cè)定短纖維的回潮率為9.0%。稱量短纖維質(zhì)量為21.35g，根據(jù)回潮率計(jì)算其纖維干重為19.43g。加入蒸餾水使纖維素質(zhì)量濃度在10%，浸泡12h使其充分潤(rùn)濕,用打衆(zhòng)機(jī)以1200rpm的速度攪拌IOmin制成纖維素衆(zhòng)料；將制得的衆(zhòng)料放入超微細(xì)精制機(jī)中，然后設(shè)定超微細(xì)精制機(jī)兩個(gè)圓盤間的隔距為-120 μ m,用超微細(xì)精制機(jī)以3000rpm的速度不斷循環(huán)往復(fù)研磨30次，研磨時(shí)間為3h，使纖維素不斷細(xì)化，制得懸浮液；最后采用轉(zhuǎn)速為12000rpm的離心機(jī)離心洗滌5次，將納米纖維素與水初步分離；除去上層清液，下層離心液經(jīng)過(guò)頻率為40kHz，輸出功率為200W的超聲波分散50min，之后測(cè)定納米懸浮液濃度；通過(guò)真空冷凍干燥儀采用真空冷凍的方法在_50°C溫度和60Pa壓力下進(jìn)行處理干燥10h，最終得到粉態(tài)的微纖化納米纖維素。制備的微纖化納米纖維素放入冷凍室儲(chǔ)存，留作透射電鏡和力學(xué)性能等表征測(cè)試。計(jì)算微纖化納米纖維得率為52.8%左右，直徑為12?30nm，長(zhǎng)徑比為93?138。
【權(quán)利要求】
1.一種用苧麻精干麻制備微纖化納米纖維素的方法，其特征在于:該方法由以下3個(gè)步驟組成: 步驟1:纖維粉碎及預(yù)處理 將苧麻精干麻用粉碎機(jī)粉碎成設(shè)定細(xì)度的短纖維，將短纖維放入帶有密封圈的容器中平衡水分，測(cè)定短纖維的回潮率；稱量短纖維質(zhì)量，根據(jù)回潮率計(jì)算其纖維干重；在短纖維中加入蒸餾水，通過(guò)蒸餾水浸泡使纖維素充分潤(rùn)濕； 步驟2:纖維打漿及機(jī)械研磨 用打漿機(jī)攪拌短纖維，制成纖維素漿料；將制得的漿料放入超微細(xì)精制機(jī)中，超微細(xì)精制機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子圓盤表面有縫隙和凹槽，設(shè)定轉(zhuǎn)子和定子圓盤間的隔距，使?jié){料通過(guò)超微細(xì)精制機(jī)研磨石之間的縫隙；調(diào)節(jié)研磨石的轉(zhuǎn)速，循環(huán)往復(fù)研磨，研磨石研磨的高速剪切作用切斷微纖絲之間的氫鍵，從而使納米尺度的微纖化纖維分離出來(lái)，最后得到穩(wěn)定的線狀微纖化納米纖維素懸浮液； 步驟3:離心分離及冷凍干燥 研磨處理后，通過(guò)離心機(jī)采用離心洗滌的方法將微纖化納米纖維素與水初步分離，除去上層清液，下部離心液經(jīng)過(guò)超聲分散，之后測(cè)定納米懸浮液濃度，計(jì)算微纖化纖維素得率；把納米懸浮液放入真空冷凍干燥儀中，并采用液氮迅速冷凍干燥成型，以制得粉態(tài)的納米纖維素；制備的微纖化納米纖維素放入冷凍室儲(chǔ)存。
2.如權(quán)利要求1所述的一種用苧麻精干麻制備微纖化納米纖維素的方法，其特征在于:所述步驟I中，粉碎成的短纖維細(xì)度為20?100目，在短纖維中加入蒸餾水使纖維素固體在蒸餾水中質(zhì)量百分比濃度為1%?10%，蒸餾水浸泡時(shí)間為12?48h。
3.如權(quán)利要求1所述的一種用苧麻精干麻制備微纖化納米纖維素的方法，其特征在于:所述步驟2中，打漿機(jī)攪拌速度為800?1200rpm，攪拌時(shí)間為10?50min。
4.如權(quán)利要求1所述的一種用苧麻精干麻制備微纖化納米纖維素的方法，其特征在于:所述步驟2中，設(shè)定超微細(xì)精制機(jī)轉(zhuǎn)子和定子圓盤間的隔距為-40?-120 μ m，研磨石的轉(zhuǎn)速為1000?3000rpm。
5.如權(quán)利要求1或4所述的一種用苧麻精干麻制備微纖化納米纖維素的方法，其特征在于:所述步驟2中，循環(huán)反復(fù)研磨次數(shù)為30?80次，研磨時(shí)間為3?7h。
6.如權(quán)利要求1所述的一種用苧麻精干麻制備微纖化納米纖維素的方法，其特征在于:所述步驟3中，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為6000?12000rpm，離心次數(shù)為3?6次。
7.如權(quán)利要求1所述的一種用苧麻精干麻制備微纖化納米纖維素的方法，其特征在于:所述步驟3中，下部離心液超聲分散的頻率為20?40kHz，超聲分散的輸出功率為100?300W，超聲分散的時(shí)間為20?50min。
8.如權(quán)利要求1所述的一種用苧麻精干麻制備微纖化納米纖維素的方法，其特征在于:所述步驟3中，冷凍干燥成型的溫度為-40?_60°C，冷凍干燥成型的壓力10?60Pa，冷凍干燥成型的時(shí)間為4?IOh。
【文檔編號(hào)】D21C5/00GK103938477SQ201410157427
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】李召嶺, 孟超然, 李可欣, 郁崇文, 白洋, 臧英明 申請(qǐng)人:東華大學(xué), 大連東原紡織有限公司