一種制備超輕質(zhì)纖維素的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及纖維素的改性工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種制備超輕質(zhì)纖維素的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]纖維素是自然界中年再生量大、分布廣、且可生物降解的天然高分子。具有無(wú)毒、生物相容性好等特點(diǎn)。但由于分子內(nèi)和分子間存在大量的氫鍵，造成天然纖維素不熔融，也很難溶于常規(guī)溶劑。這些問(wèn)題極大地限制了纖維素材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。
[0003]作為第三代材料輕質(zhì)纖維素，在具備傳統(tǒng)輕質(zhì)特性的同時(shí)融入了自身的優(yōu)異性能，如良好的生物相容性、可降解性及綠色可再生，具有很大的潛在應(yīng)用，是一個(gè)不斷發(fā)展的生物類聚合物材料，是研究的方向及熱點(diǎn)。
[0004]傳統(tǒng)的纖維素超輕質(zhì)化途徑主要有兩種:一種是先使用非衍生化溶劑破壞天然纖維素中的氫鍵，直接溶解纖維素，再借助凝固浴使纖維素再生輕質(zhì)化；另一種是將從天然纖維素中提取的纖維素納米纖維(CNF)，包括纖維素納米長(zhǎng)纖維或纖維素納米晶須，直接分散在水中自發(fā)形成。其的制備過(guò)程分為三個(gè)關(guān)鍵步驟:原料的溶解或分散；凝膠的形成和溶劑置換；凝膠的干燥。所得到的輕質(zhì)纖維素密度大于30.00 mg/cm3。高聚合度及低密度是輕質(zhì)纖維素發(fā)展的需要突破的瓶頸。作為高分子材料，其性能是由構(gòu)成材料的結(jié)構(gòu)單元化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量(聚合度)、以及分子鏈的空間結(jié)構(gòu)(超分子結(jié)構(gòu))所決定的。
[0005]在上述方法中，產(chǎn)品的化學(xué)結(jié)構(gòu)與DP大于2800的天然纖維素的結(jié)構(gòu)單元化學(xué)結(jié)構(gòu)相比沒(méi)有變化。分子量(聚合度)、以及分子鏈的空間結(jié)構(gòu)(超分子結(jié)構(gòu))發(fā)生了變化，限制了輕質(zhì)纖維素的使用性能。方法一，除聚合度降到DP200-400外還存在纖維素直接溶解再生后，原料中的高強(qiáng)高模的纖維素I型晶體被破壞特別是纖維素I。，分子鏈重排產(chǎn)生強(qiáng)度較低的纖維素Π型晶體，導(dǎo)致得到的產(chǎn)品力學(xué)性能較差，而且在制備過(guò)程中纖維素有較大程度的收縮。方法二存在CNF聚合度DP低于100 ο限制了其產(chǎn)品的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種制備超輕質(zhì)纖維素的方法。該方法能有效保證輕質(zhì)纖維素的密度，聚合度。
[0007]本發(fā)明的目的通過(guò)以下方案實(shí)現(xiàn)。
[0008]一種制備超輕質(zhì)纖維素的方法，該方法包括如下步驟:
第一步:將纖維素、水混合攪拌分散后采用均質(zhì)機(jī)均質(zhì)、膠體磨均質(zhì)或進(jìn)行高速攪拌混合均勻，得纖維素溶液;所述水的用量為纖維素溶液質(zhì)量的98.0 — 99.9%，纖維素的用量為纖維素溶液質(zhì)量的0.1-2.0%；
第二步:將第一步所得纖維素溶液進(jìn)行超聲處理；
第三步:將第二步超聲處理得到的溶液在-20 — -50°C下保持3-24小時(shí)，得固態(tài)樣品； 第四步:將第三步得到固態(tài)樣品干燥，得到超輕質(zhì)纖維素。
[0009]進(jìn)一步地，第一步所述纖維素為細(xì)菌纖維素。
[0010]進(jìn)一步地，第一步所述高速攪拌的速率為1000—3000rpm，每次攪拌時(shí)間10-30分鐘，重復(fù)5-15次；所述均質(zhì)機(jī)均質(zhì)的壓力為30-50Mpa;所述膠體磨均質(zhì)的轉(zhuǎn)速為1000 —3000rpmo
[0011]進(jìn)一步地，第二步超聲處理前進(jìn)行惰性氣體保護(hù)處理，在真空度為0.05—0.10MPa下脫氣5 -20分鐘，充入惰性氣體;所述超聲處理，處理時(shí)間I?15分鐘，超聲處理頻率為15?104 kHz，功率密度為0.1?1.5 kW/m3;所述超聲處理為間歇性超聲處理，每次0.5?5分鐘。
[0012]進(jìn)一步地，所述惰性氣體是高純氮?dú)饣驓鍤狻?br>[0013 ]進(jìn)一步地，第四步所述干燥為冷凍干燥。
[0014]進(jìn)一步地，第四步所述超輕質(zhì)纖維素的特征:聚合度大于800，密度小于8.0Omg/cm3的纖維素I ο
[0015]以上方法制得一種聚合度高、密度小、纖維素I結(jié)晶結(jié)構(gòu)的超輕質(zhì)纖維素。本發(fā)明的超輕質(zhì)纖維素，可作為基礎(chǔ)原料進(jìn)行進(jìn)一步改性，所制得輕質(zhì)纖維素在生物醫(yī)學(xué)、催化劑負(fù)載、環(huán)境保護(hù)、輕工食品等諸多領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。所述的制備方法條件溫和，具有很高的科學(xué)價(jià)值和社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。
[0016]本發(fā)明采用的超聲處理技術(shù)，是利用超聲的具有的湍流效應(yīng)、微擾效應(yīng)、界面效應(yīng)、聚能效應(yīng)，使得纖維素分散進(jìn)行更加完全。本發(fā)明采用的惰性氣體技術(shù)，使得超聲技術(shù)發(fā)揮更加充分。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明能得到密度小于8.0Omg/cm3、聚合度大于800、可進(jìn)一步改性的輕質(zhì)纖維素I。
[0018]2、本發(fā)明的制備方法使用試劑少，無(wú)污染。
[0019]3、本發(fā)明使用超聲處理技術(shù)，節(jié)能，省時(shí)。
[0020]4、本發(fā)明使用的設(shè)備清洗及操作簡(jiǎn)單、方便。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)范圍不限于此。
[0022]發(fā)明人對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了深入地創(chuàng)造性研究和試驗(yàn)，有許多成功的實(shí)施例，下面列舉六個(gè)實(shí)施例。
[0023]實(shí)施例一
第一步:將細(xì)菌纖維素(聚合度2400)2g，水98g(即細(xì)菌纖維素質(zhì)量組百分?jǐn)?shù)2.0%，水質(zhì)量組百分?jǐn)?shù)98.0%)混合攪拌分散，將所得溶液進(jìn)行轉(zhuǎn)數(shù)為100rpm高速攪拌15次，每次10分鐘，直到溶液均勻，得纖維素溶液；
第二步:將所得到纖維素溶液在真空度為0.05 MPa下脫氣5分鐘，充入高純氮?dú)?，超聲處理I分鐘，超聲處理頻率為15 kHz，功率密度為1.5 kW/m3，間歇3分鐘超聲處理2次，每次
0.5分鐘；
第三步:將第二步得到的溶液在_20°C下保持24小時(shí)，得固態(tài)樣品；
第四步:將第三步得到固態(tài)樣品冷凍干燥，得到聚合度2000，密度8.0Omg/cm3的纖維素I產(chǎn)品。
[0024]在同樣的時(shí)間，沒(méi)有超聲處理得到的產(chǎn)品為密度為25.0Omg/cm3的纖維素I。
[0025]實(shí)施例二
第一步:將細(xì)菌纖維素(聚合度2000) lg，水99g(即纖維素質(zhì)量組百分?jǐn)?shù)1.0%，水質(zhì)量組百分?jǐn)?shù)99.0%)混合攪拌分散，將所得到溶液在50MPa進(jìn)行均質(zhì)機(jī)均質(zhì)，得纖維素溶液；
第二步:將所得到纖維素溶液在真空度為0.05 MPa下脫氣10分鐘，充入高純氬氣，超聲處理10分鐘，超聲處理頻率為25 kHz，功率密度為0.5 kW/m3;間歇1.5分鐘超聲處理5次，每次2分鐘