本發(fā)明涉及一種酶預(yù)處理結(jié)合機(jī)械研磨制備納米纖維素的方法，該方法綠色環(huán)保、操作簡(jiǎn)易，獲得的纖維素納米纖絲，屬于天然高分子領(lǐng)域、也屬于林業(yè)工程、包裝工程、新材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

纖維素是木材及農(nóng)作物秸稈的主要組分，約占木材及農(nóng)作物秸稈重量的50%，是自然界中最豐富的生物材料，在植物界分布非常廣泛，屬于自然界中取之不盡，用之不竭的可再生天然高分子材料，隨著全球資源的減少以及環(huán)境污染等問(wèn)題的出現(xiàn)，纖維素及其衍生產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)利用成為極具重要意義的研究項(xiàng)目之一。纖維素資源的廉價(jià)、來(lái)源廣泛、綠色成為一種可持續(xù)發(fā)展的新資源。隨著納米科學(xué)的快速發(fā)展，在納米尺度范圍內(nèi)操控纖維素分子，并獲得性能優(yōu)異的納米纖維素新材料，成為目前林業(yè)科學(xué)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。

納米纖維素的粒徑一般在15～100nm之間，具有較高的比表面積，在水中易分散形成穩(wěn)定的納米纖維素膠體。納米纖維素顯現(xiàn)出的小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀(guān)量子隧道效應(yīng)等特點(diǎn)，使其在吸附、催化、擴(kuò)散燒結(jié)、電、磁、光等物理、化學(xué)、力學(xué)特性等都與宏觀(guān)物體顯著不同，具有許多優(yōu)良的特性，如高結(jié)晶度、高純度、高楊氏模量、高強(qiáng)度、高親水性、超精細(xì)結(jié)構(gòu)和高透明性等，加之具有天然纖維素輕質(zhì)、可降解、生物相容及可再生等特性，使其廣泛的應(yīng)用于造紙、生物醫(yī)藥、化妝品、食品工業(yè)、儲(chǔ)能、吸附過(guò)濾材料、建筑業(yè)等領(lǐng)域，被評(píng)為21世紀(jì)最具有應(yīng)用前景的新材料之一。纖維素本身具有納米尺度結(jié)構(gòu)的纖維，從天然纖維中分離出的納米纖絲具有低密度、高強(qiáng)度、比表面積大，表面活性高、可生物降解等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)藥衛(wèi)生，電子工業(yè)，精細(xì)化工，增強(qiáng)材料等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。從生物質(zhì)纖維素到納米材料，利用其分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)性能制備特殊功能化產(chǎn)品，提高生物質(zhì)纖維素的附加值和利用效率，不僅僅是林木產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，更已成為國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的迫切需要。

由于纖維素極具潛力的應(yīng)用價(jià)值，目前，世界各國(guó)均展開(kāi)了對(duì)纖維素的研究工作，包括對(duì)納米纖維素的大規(guī)模制備，同時(shí)也取得了許多成果。在目前的研究中，制備納米纖維素的方法多種多樣，簡(jiǎn)單的分為機(jī)械法（高壓均質(zhì)、微射流、研磨法、冷凍粉碎）、化學(xué)法（酸水解、tempo氧化），生物法等。由于機(jī)械法制備納米纖維素不需要添加化學(xué)試劑，污染程度小，因此，機(jī)械法是納米纖維素制備的主要方法，國(guó)外一些國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了納米纖維素的中試規(guī)模化制備。但是由于植物纖維的多層結(jié)構(gòu)以及纖維素聚集狀態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制備納米纖維素對(duì)設(shè)備要求高，耗能高，效率低。而采用化學(xué)法預(yù)處理，設(shè)備易腐蝕，且環(huán)境污染大。因此，采用纖維素酶預(yù)處理可以有效降低能量消耗，提高生產(chǎn)效率。纖維素酶可以通過(guò)將纖維素大分子鏈切斷成小片段以達(dá)到水解纖維素纖維的目的。酶處理是一個(gè)溫和的生物過(guò)程，纖維素酶可以柔化、脹化纖維，增加細(xì)胞壁的分層，加速纖維素納米化，有利于機(jī)械處理。此外，纖維素酶專(zhuān)一性強(qiáng)，為可再生資源，符合現(xiàn)代社會(huì)綠色環(huán)保的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種酶預(yù)處理結(jié)合機(jī)械研磨制備納米纖維素的綠色簡(jiǎn)易方法，其目的在于克服機(jī)械制備方法的高能耗，采用酶預(yù)處理實(shí)現(xiàn)綠色的工業(yè)化生產(chǎn)，該方法成本低，效率高，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，所制備的微、納米尺度的纖維素纖絲，可以用于電子紙、光學(xué)透明紙、太陽(yáng)能電池、高性能復(fù)合紙等具有高附加值產(chǎn)品或行業(yè)。

本發(fā)明的目的是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

（1）準(zhǔn)確稱(chēng)取一定質(zhì)量的紙漿，撕剪成小碎塊；

（2）在室溫條件下，用50-100倍原紙漿質(zhì)量的蒸餾水浸泡原料紙漿，浸泡時(shí)間為10-24小時(shí)。

（3）將潤(rùn)脹后的紙漿過(guò)濾，加入到錐形瓶中，并加入紙漿質(zhì)量25倍的緩沖溶液，緩沖溶液ph值為4.8~5.5，加入纖維素復(fù)合酶60-120ecu/g，放置于50℃搖床中恒溫反應(yīng)6-20小時(shí)，搖床震蕩頻率為150-180轉(zhuǎn)/分。

（4）反應(yīng)結(jié)束后將酶解紙漿過(guò)濾并洗滌至中性，再加入一定量的蒸餾水置于80℃搖床中恒溫震蕩反應(yīng)30min，搖床震蕩頻率為150-180轉(zhuǎn)/分，中止酶反應(yīng)。

（5）將酶解后的紙漿配制成體積1-2l的水懸濁液，然后進(jìn)行研磨處理，研磨轉(zhuǎn)速為1500rpm，研磨2-5次，視具體情況而定。

（6）得到納米纖維素溶液置于4℃冰箱儲(chǔ)存，防止纖維素溶液過(guò)熱團(tuán)聚。

上述酶預(yù)處理中，加入纖維素復(fù)合酶用量較大，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，纖絲束破壞較強(qiáng)，機(jī)械研磨次數(shù)可縮短。研磨機(jī)進(jìn)行研磨，磨盤(pán)中帶有溝槽，通過(guò)調(diào)節(jié)間隙來(lái)調(diào)整磨盤(pán)的距離，距離越近，研磨細(xì)度越大。酶處理后的纖維素溶液在轉(zhuǎn)子和定子的壓力和剪切力的作用下，被粉碎細(xì)化，實(shí)現(xiàn)纖維束的分離。

本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)該方法操作簡(jiǎn)單，快速，可進(jìn)行工業(yè)化批量生產(chǎn)，成本低，效率高，沒(méi)有任何化學(xué)處理，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，是一種綠色環(huán)保制備納米纖維素、微米纖維素的方法。2)本發(fā)明采用酶預(yù)處理，大大減少了了能耗，使得10-20次的研磨過(guò)程縮減為2-5次。3)本發(fā)明制備的納米纖維素外形呈現(xiàn)纖絲狀，直徑分布在30～100nm之間，長(zhǎng)度在0.5～3μm之間，長(zhǎng)徑比合適，利用掃描電鏡觀(guān)察呈纖絲網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有比表面積大，機(jī)械強(qiáng)度大等特點(diǎn)。

具體實(shí)施方式

在以下實(shí)施例中進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和其他細(xì)節(jié)，但實(shí)施例中引用的具體材料和用量以及其他條件不應(yīng)該認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了不恰當(dāng)?shù)南拗啤?/p>

實(shí)施例1

（1）準(zhǔn)確稱(chēng)取10g桉木紙漿，撕剪成小碎塊；

（2）在室溫條件下，用1l蒸餾水浸泡原料紙漿，浸泡10小時(shí)。

（3）將潤(rùn)脹后的紙漿過(guò)濾，加入到錐形瓶中，并加入250g緩沖溶液，緩沖溶液ph值為4.8，加入纖維素綠色木酶復(fù)合酶60ecu/g，放置于50℃搖床中恒溫反應(yīng)6小時(shí)，搖床震蕩頻率為150轉(zhuǎn)/分。

（4）反應(yīng)結(jié)束后將酶解紙漿過(guò)濾并洗滌至中性，再加入一定量的蒸餾水置于80℃搖床中恒溫震蕩反應(yīng)30min，搖床震蕩頻率為150轉(zhuǎn)/分，中止酶反應(yīng)。

（5）將酶解后的紙漿配制成體積為1l的水懸濁液，然后進(jìn)行研磨處理，研磨轉(zhuǎn)速為1500rpm，研磨5次定。

（6）得到納米纖維素溶液置于4℃冰箱儲(chǔ)存，防止纖維素溶液過(guò)熱團(tuán)聚。

實(shí)施例2

（1）準(zhǔn)確稱(chēng)取10g竹纖紙漿，撕剪成小碎塊；

（2）在室溫條件下，用1l蒸餾水浸泡原料紙漿，浸泡24小時(shí)。

（3）將潤(rùn)脹后的紙漿過(guò)濾，加入到錐形瓶中，并加入250g緩沖溶液，緩沖溶液ph值為5.0，加入纖維素復(fù)合酶100ecu/g，放置于50℃搖床中恒溫反應(yīng)8小時(shí)，搖床震蕩頻率為150轉(zhuǎn)/分。

（4）反應(yīng)結(jié)束后將酶解紙漿過(guò)濾并洗滌至中性，再加入一定量的蒸餾水置于80℃搖床中恒溫震蕩反應(yīng)30min，搖床震蕩頻率為150轉(zhuǎn)/分，中止酶反應(yīng)。

（5）將酶解后的紙漿配制成體積為1l的水懸濁液，然后進(jìn)行研磨處理，研磨轉(zhuǎn)速為1500rpm，研磨4次定。

（6）得到納米纖維素溶液置于4℃冰箱儲(chǔ)存，防止纖維素溶液過(guò)熱團(tuán)聚。

實(shí)施例3

（1）準(zhǔn)確稱(chēng)取10g桉木紙漿，撕剪成小碎塊；

（2）在室溫條件下，用1l蒸餾水浸泡原料紙漿，浸泡15小時(shí)。

（3）將潤(rùn)脹后的紙漿過(guò)濾，加入到錐形瓶中，并加入250g緩沖溶液，緩沖溶液ph值為5.0，加入纖維素復(fù)合酶120ecu/g，放置于50℃搖床中恒溫反應(yīng)12小時(shí)，搖床震蕩頻率為180轉(zhuǎn)/分。

（4）反應(yīng)結(jié)束后將酶解紙漿過(guò)濾并洗滌至中性，再加入一定量的蒸餾水置于80℃搖床中恒溫震蕩反應(yīng)30min，搖床震蕩頻率為180轉(zhuǎn)/分，中止酶反應(yīng)。

（5）將酶解后的紙漿配制成體積為1l的水懸濁液，然后進(jìn)行研磨處理，研磨轉(zhuǎn)速為1500rpm，研磨3次定。

（6）得到納米纖維素溶液置于4℃冰箱儲(chǔ)存，防止纖維素溶液過(guò)熱團(tuán)聚。

實(shí)施例4

（1）準(zhǔn)確稱(chēng)取10g桉木紙漿，撕剪成小碎塊；

（2）在室溫條件下，用1l蒸餾水浸泡原料紙漿，浸泡24小時(shí)。

（3）將潤(rùn)脹后的紙漿過(guò)濾，加入到錐形瓶中，并加入250g緩沖溶液，緩沖溶液ph值為5.0，加入纖維素復(fù)合酶120ecu/g，放置于50℃搖床中恒溫反應(yīng)15小時(shí)，搖床震蕩頻率為180轉(zhuǎn)/分。

（4）反應(yīng)結(jié)束后將酶解紙漿過(guò)濾并洗滌至中性，再加入一定量的蒸餾水置于80℃搖床中恒溫震蕩反應(yīng)30min，搖床震蕩頻率為180轉(zhuǎn)/分，中止酶反應(yīng)。

（5）將酶解后的紙漿配制成體積為2l的水懸濁液，然后進(jìn)行研磨處理，研磨轉(zhuǎn)速為1500rpm，研磨2次定。

（6）得到納米纖維素溶液置于4℃冰箱儲(chǔ)存，防止纖維素溶液過(guò)熱團(tuán)聚。

實(shí)施例5

（1）準(zhǔn)確稱(chēng)取5g竹纖紙漿，撕剪成小碎塊；

（2）在室溫條件下，用300ml蒸餾水浸泡原料紙漿，浸泡18小時(shí)。

（3）將潤(rùn)脹后的紙漿過(guò)濾，加入到錐形瓶中，并加入125g緩沖溶液，緩沖溶液ph值為5.0，加入纖維素復(fù)合酶80ecu/g，放置于50℃搖床中恒溫反應(yīng)20小時(shí)，搖床震蕩頻率為170轉(zhuǎn)/分。

（4）反應(yīng)結(jié)束后將酶解紙漿過(guò)濾并洗滌至中性，再加入一定量的蒸餾水置于80℃搖床中恒溫震蕩反應(yīng)30min，搖床震蕩頻率為170轉(zhuǎn)/分，中止酶反應(yīng)。

（5）將酶解后的紙漿配制成體積為1.5l的水懸濁液，然后進(jìn)行研磨處理，研磨轉(zhuǎn)速為1500rpm，研磨2次定。

得到納米纖維素溶液置于4℃冰箱儲(chǔ)存，防止纖維素溶液過(guò)熱團(tuán)聚。