一種納米纖維素的低能耗制備方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于纖維素衍生物技術(shù)領域，特別涉及一種納米纖維素的低能耗制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]纖維素是儲量最大的天然高分子材料，經(jīng)過不斷的探索研宄，人們開發(fā)了不同種類的衍生物，將其應用于化工、涂料、食品、化妝品等領域。代表性的衍生物有羧甲基纖維素、羥丙基纖維素、羥丙基甲基纖維素等。
[0003]納米纖維素是天然植物纖維通過機械法[A.N.Nakagaito, etal.Appl.Phys.A78, 547-552 (2004)]，化學法[Robert.J.Moon, et al.Chem.Soc.Rev., 2011, 40, 3941-3994],力化學法[Yong Huang, ChemSusChem 2012, 5, 2319-2322]等手段獲得的具有高長徑比，高比表面積，高強度(楊氏模量約為110~220Gpa)，具有比凱芙拉纖維高的楊氏模量和比一般陶瓷低的熱膨脹系數(shù)的納米材料[王鈰汶等.科學通報，2013，24: 2385-2392.]，同時兼具生物相容、可持續(xù)、可降解、綠色環(huán)保等優(yōu)點。
[0004]現(xiàn)有納米纖維素的制備方法都存在一定的缺點。酸水解法操作簡單，但產(chǎn)率低，產(chǎn)物熱穩(wěn)定差；機械法產(chǎn)率高，但耗能也高；力化學法產(chǎn)率高，耗能低，是一種非常適宜于工業(yè)化的生產(chǎn)方法。
[0005]現(xiàn)有的力化學法有:ΤΕΜΡ0氧化法[Akira Isogai, et al.B1macromolecules, 2006, 7 (6):1687-1691],接枝氣乙酸法[Lars ffagberg, etal.Langmuir2008, 24，784-795、申請?zhí)?201310600943.3],高碘酸氧化法[HenrikkiLiimatainen, etal.Cellulose (2013) 20:741-749]，反應球磨法[Yong Huang,ChemSusChem 2012，5，2319-2322]等。這些方法的原理是通過一定的反應在天然纖維素晶體表面接枝上一定基團(如羧基，氨基，磺酸基，烷基等)，然后通過機械的作用將其分散于特定的溶劑中(如水、二甲基甲酰胺等)。但以上方法也存在一定的缺陷。如TEMPO氧化法所用氧化劑較貴，同時需精確的控制條件；氯乙酸毒性較大；反應球磨法有機溶劑的環(huán)境污染和設備成本高等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有納米纖維素制備技術(shù)的不足，提供一種綠色環(huán)保的納米纖維素的低耗能制備方法。
[0007]具體步驟為:
(I)將天然纖維素浸泡在氫氧化鈉溶液中，于5~40°c下浸泡1~30分鐘，制得混合液；所述氫氧化鈉溶液是質(zhì)量分數(shù)為0~15%的氫氧化鈉水溶液，所述氫氧化鈉溶液與天然纖維素的體積質(zhì)量比為3~5暈升/克。
[0008](2)稱取氫氧化鈉和乙醇，混合后加入到步驟⑴制得的混合液中，緩慢攪拌下將反應升溫至50~78°C，再加入氯乙酸鈉，反應2.5-4小時，然后過濾，用蒸餾水洗滌至中性，制得處理后的纖維素；所述氯乙酸鈉的質(zhì)量為步驟(I)中所用天然纖維素質(zhì)量的0.30~0.62倍，所述氫氧化鈉與步驟(I)中所用氫氧化鈉的質(zhì)量之和為所用氯乙酸鈉質(zhì)量的0.8-1.8倍，所述乙醇的體積滿足以下條件:乙醇加入后使混合液中水的體積分數(shù)為9?17%。
[0009](3)將步驟(2)制得的處理后的纖維素與水混合，制得質(zhì)量分數(shù)為0.5-1.4%的纖維素混合液，然后在機械作用下進行剪切，最后通過過濾或離心分離，即制得納米纖維素；所述機械作用包括高速攪拌、超聲粉碎、球磨、盤磨和高壓均質(zhì)機。
[0010]本發(fā)明方法具有以下優(yōu)點:
(I)本發(fā)明方法能將納米纖維素的制備時間縮短至3~4小時，同時產(chǎn)率高，反應溶劑用量低，氯乙酸鈉用量少，所產(chǎn)生的環(huán)境污染小，且能耗低。
[0011](2)本發(fā)明方法工藝穩(wěn)定，重復性好，條件溫和，操作簡便，適宜于大規(guī)模推廣。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明實施例1~5所制得的納米纖維素的偏光數(shù)碼照片。
[0013]圖2為本發(fā)明實施例1所制得的納米纖維素的掃描電鏡圖像。
[0014]圖3為本發(fā)明實施例1所制得的納米纖維素的原子力顯微鏡圖像，其中(a)為原子力顯微鏡圖像的高度圖，(b)為(a)中白線對應的高度曲線。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
[0016]本領域技術(shù)人員將會理解，下列實施例僅用于說明本發(fā)明，而不應視為限定本發(fā)明的范圍。實施例中未注明具體技術(shù)或條件者，按照本領域內(nèi)的文獻所描述的技術(shù)或條件或者按照產(chǎn)品說明書進行。所用原料和化學試劑均為分析純。所用高速攪拌器為JK818型。
[0017]實施例1:
(I)稱取6克劍麻紙漿，用18毫升質(zhì)量分數(shù)為5%的氫氧化鈉水溶液在20°C下浸泡10分鐘，制得混合液。
[0018](2)稱取0.55克氫氧化鈉，與120毫升乙醇混合后加入到步驟(I)制得的混合液中，緩慢攪拌下將反應升溫至70°C ;再加入1.85克氯乙酸鈉，反應3小時；然后過濾，用蒸餾水洗滌至中性，制得處理后的纖維素。
[0019](3)將步驟⑵制得的處理后的纖維素加入1000毫升水中，制得纖維素混合液，然后在高速攪拌下進行剪切，成凝膠狀，最后稀釋并經(jīng)過高速離心分離，即制得納米纖維素膠體。
[0020]本實施例制得的產(chǎn)物通過測量可得其產(chǎn)率為99.0% ;所制備的納米纖維素的數(shù)碼照片(透過偏光拍攝)見圖1中的(1)，可以看出在偏光下呈明暗相間的圖像，說明制得的納米纖維素具有溶致液晶的現(xiàn)象；圖2為納米纖維素的掃描電鏡圖像，可以看出其為納米纖維的結(jié)構(gòu)，但其中有很多的納米纖維在干燥過程中聚集在一起，所以無法獲得準確的納米纖維素的直徑；為了更進一步的測量制得的納米纖維素的直徑，我們通過原子力顯微鏡圖像(見圖3a和圖3b)來測定。測試結(jié)果表明所制得的納米纖維素的直徑為4nm左右。
[0021]實施例2: (I)稱取6克劍麻紙漿，用18毫升質(zhì)量分數(shù)為7.7%的氫氧化鈉水溶液在20°C下浸泡10分鐘，制得混合液。
[0022](2)將120毫升乙醇加入到步驟⑴制得的混合液中，