專利名稱：一種生物酶解與機械剪切聯合制備纖維素納米晶體的方法
技術領域：
本發明涉及一種植物基纖維素納米晶體的制備方法，具體為一種生物酶解與機械剪切聯合制備纖維素納米晶體的方法。
背景技術：
目前，植物基纖維素納米晶體在增強聚合物復合材料、生物醫用材料、生物制藥、環保材料等領域得到廣泛運用。由于其主要成分是纖維素晶體，因此擁有優異的力學性能，理論彈性模量高達150GPa。在這種植物基纖維素納米晶體的晶體區域內的纖維素分子排列整齊，因而熱穩定性較好。纖維素納米晶體直徑通常在20~50nm之間，長度約為100~300nm，長徑比小，易于均勻分布于聚合物基料中。基于上述原因這種植物基纖維素納米晶體作為一種新型材料，具備較佳的使用前景。而在現有技術中，這種植物基纖維素納米晶體一般常采用濃硫酸或濃鹽酸等強酸水解植物纖維紙漿制取。這種傳統方法可迅速將纖維素無定形區溶解破壞，得到結晶度較高的納米纖維材料。然而，強酸水解是非常激烈的化學反應，強酸本身能腐蝕反應容器，對設備要求較高；在操作過程中強酸濺漏也能腐蝕操作人員的衣物和皮膚，操作安全性不高。同時，水解后的物料還需先用堿將未反應的殘留酸中和，再反復水洗至中性，所得水洗廢液也需要進一步回收處理，增加生產成本。總的來說，傳統的制備方法不僅對設備要求高，操作安全程度低，制備過程復雜，而且在生產過程中伴隨著大量化學污染物的排放，生產成本高。因此，開發和設計一種綠色環保的制備纖維素納米晶體的方法具有極大的現實意義和應用前景。
發明內容
本發明所解決的技術問題在于提供一種生物酶解與機械剪切聯合制備纖維素納米晶體的方法，以解決上述背景技術中的缺點。本發明所解決的技術問題采用以下技術方案來實現:
一種生物酶解與機械剪切聯合制備纖維素納米晶體的方法，區別于其它工藝的顯著特點在于，首先利用內切葡聚糖酶將纖維初步水解、拆解或破壞纖維素無定形區1，Γβ 葡萄糖苷鍵，然后借助高速高壓機械剪切獲得纖維素納米晶體。其主要包括以下步驟:
第I步:將漂白紙漿纖維與去離子水充分混合，調節成固體質量分數1.5^2%的懸浮狀溶液，該混合液先在高速攪拌條件下分散0.5h，然后經超細膠體磨反復剪切3飛次，充分潤漲纖維表面，同時也將部分纖維剪短，提高反應表面積及反應效率。第2步:將一定量的內切葡聚糖酶加入經初步剪切的纖維混合溶液中酶解處理。酶的添加量視酶的反應活力而定，一般每克干態纖維的酶添加量3 10FPU，反應溫度3(T60°C，反應條件為弱酸性pH=5.5飛.5，反應時間視目標納米纖維直徑而定，通常為12 24h。第3步:經酶解的纖維溶液先在10°C條件下冷凍0.5h，再在90°C條件下加熱0.5h，抑制消除酶的活性。然后將反應液在布式漏斗中反復水洗過濾、離心分離調節固體含量至1.5%。第4步:酶解纖維高壓高強機械剪切加工。經水洗后的酶解纖維溶液在微射流高壓均質機內機械剪切處理，其剪切次數視目標納米纖維而定，通常在200 μ m反應腔內循環剪切10次，再在87 μ m反應腔內剪切15次即可。本發明中，所述第I步中超細膠體磨的運行轉速為200(T3000 rpm，磨盤間距為-0.2 0.3mm。本發明中，所述第2步中酶解反應在恒溫搖床內完成，搖床的轉速15(T250rpm。本發明中，所述第2步中反應條件為弱酸性，反應液pH值用稀鹽酸調節，每隔0.5h檢測一次，保持在5.(Γ6.5之間。本發明中，所述第2步中酶水解處理時間隨酶的反應活力而定，為完全水解所需時間的35% 45%，通常為12 24h。本發明中，所述第3步中離心分離的轉速為500(T6000 rpm，除去上層離心液。本發明中，所述第4步中微射流高壓均質機剪切處理時，在200 μ m反應腔內壓強為35 40MPa，在87μπι反應腔內壓強為140 150MPa。有益效果:本發明所述是一種綠色環保高效制備植物基纖維素納米晶體的方法。該方法不僅不需要傳統的高強濃酸水解，提高了操作安全性和可靠性，同時還可以通過調控酶解預處理與機械剪切程度調節納米晶體的直徑與長徑比。通過該方法獲得的納米纖維素晶體力學強度好、結晶程度高、光透射性強、表面未吸附酸根離子，能取代傳統纖維素晶體廣泛用于聚合物復合材料、過濾材料、環保材料、及生物醫用材料等領域。
具體實施例方式下面舉實例對本發明進行詳細描述。為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。實施例1:
第I步:將漂白紙漿纖維與去離子水充分混合，調節成固體質量數1.5%的懸浮狀溶液，該液體先在高速攪拌條件下分散0.5h，然后再在超細膠體磨內反復剪切5次，磨盤轉速2500rpm,磨盤間距 0.1mm。第2步:將一定量的內切葡聚糖酶加入經初步剪切的纖維混合溶液中水解處理。酶的添加量為每克干態纖維的酶添加量5 FPU，反應溫度48飛(TC，反應條件為弱酸性pH=5.5飛.0，反應時間18h。酶解反應在恒溫(設置溫度50°C)搖床內完成，搖床轉速180rpmo第3步:經酶解的纖維溶液先在10°C條件下冷凍0.5h，再在90°C條件下加熱
0.5h，抑制消除酶的活性。然后將反應液在布式漏斗中反復過濾水洗，離心分離、調節固體含量至1.5%。
第4步:酶解纖維高壓高強機械剪切加工。經水洗后的酶解纖維溶液在微射流高壓均質機內機械剪切處理，首先在200 μ m反應腔內循環剪切10次，再在87 μ m反應腔內剪切15次。
實施例2:
第I步:將漂白紙漿纖維與去離子水充分混合，調節成固體質量數2.0%的懸浮狀溶液，該液體先在高速攪拌條件下分散0.5h，然后再在超細膠體磨內反復剪切4次，磨盤轉速2500rpm,磨盤間距-0.2mm。第2步:將一定量的內切葡聚糖酶加入經初步剪切的纖維混合溶液中水解處理。酶的添加量為每克干態纖維的酶添加量8 FPU，反應溫度48飛(TC，反應條件為弱酸性pH=5.5飛.0,反應時間20h。酶解反應在恒溫(設置溫度為50°C)搖床內完成，搖床轉速200rpmo第3步:經酶解的纖維溶液先在10°C條件下冷凍0.5h，再在90°C條件下加熱
0.5h，抑制消除酶的活性。然后將反應液在布式漏斗中反復過濾水洗，離心分離、調節固體含量至1.5%。第4步:酶解纖維高壓高強機械剪切加工。經水洗后的酶解纖維溶液在微射流高壓均質機內機械剪切處理，首先在200 μ m反應腔內循環剪切15次，再在87 μ m反應腔內剪切15次。實施例3:
第I步:將漂白紙漿纖維與去離子水充分混合，調節成固體質量數2.0%的懸浮狀溶液，該液體先在高速攪拌條件下分散0.5h，然后再在超細膠體磨內反復剪切5次，磨盤轉速3000rpm,磨盤間距-0.2mm。第2步:將一定量的內切葡聚糖酶加入經初步剪切的纖維混合溶液中水解處理。酶的添加量為每克干態纖維的酶添加量10 FPU，反應溫度48飛(TC，反應條件為弱酸性pH=5.5飛.0，反應時間24h。酶解反應在恒溫(設置溫度50°C)搖床內完成，搖床轉速200rpmo第3步:經酶解的纖維溶液先在10°C條件下冷凍0.5h，再在90°C條件下加熱
0.5h，抑制消除酶的活性。然后將反應液在布式漏斗中反復過濾水洗，離心分離、調節固體含量至1.5%。第4步:酶解纖維高壓高強機械剪切加工。經水洗后的酶解纖維溶液在微射流高壓均質機內機械剪切處理，首先在200 μ m反應腔內循環剪切10次，再在87 μ m反應腔內剪切10次。以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征及本發明的優點，本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內，本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1.一種生物酶解與機械剪切聯合制備纖維素納米晶體的方法，其特征在于，包括以下步驟: 第I步:將漂白紙漿纖維與去離子水充分混合，調節成固體質量分數1.5^2%的懸浮狀溶液，該混合液先在高速攪拌條件下分散0.5h，然后經超細膠體磨反復剪切3飛次，充分潤漲纖維表面，同時也將部分纖維剪短，提高反應表面積及反應效率； 第2步:將一定量的內切葡聚糖酶加入經初步剪切的纖維混合溶液中酶解處理，酶的添加量視酶的反應活力而定，一般每克干態纖維的酶添加量:T10FPU，反應溫度3(T60°C，反應條件為弱酸性pH=5.5 6.5，反應時間為12 24h ； 第3步:經酶解的纖維溶液先在10°C條件下冷凍0.5h，再在90°C條件下加熱0.5h，抑制消除酶的活性，然后將反應液在布式漏斗中反復水洗過濾、離心分離調節固體含量至1.5% ； 第4步:酶解纖維高壓高強機械剪切加工，經水洗后的酶解纖維溶液在微射流高壓均質機內機械剪切處理，其剪切次數視目標納米纖維而定，通常在200 μ m反應腔內循環剪切10次，再在87 μ m反應腔內剪切15次即可。
2.根據權利要求1所述的一種生物酶解與機械剪切聯合制備纖維素納米晶體的方法，其特征在于，所述第一步中超細膠體磨的運行轉速為200(T3000 rpm，磨盤間距為-0.2 0.3mm。
3.根據權利要求1所述的一種生物酶解與機械剪切聯合制備纖維素納米晶體的方法，其特征在于，所述第2步中酶解反應在恒溫搖床內完成，搖床轉速15(T250rpm。
4.根據權利要求1所述的`一種生物酶解與機械剪切聯合制備纖維素納米晶體的方法，其特征在于，所述第2步中反應條件為弱酸性，反應液pH值用稀鹽酸調節，每隔0.5h檢測一次，保持在5.0 6.5之間。
5.根據權利要求1所述的一種生物酶解與機械剪切聯合制備纖維素納米晶體的方法，其特征在于，所述第2步中酶水解處理時間視酶的反應活力而定，為完全水解所需時間的35% 45%，通常為12 24h。
6.根據權利要求1所述的一種生物酶解與機械剪切聯合制備纖維素納米晶體的方法，其特征在于，所述第3步中離心分離的轉速為500(T6000 rpm,除去上層離心液。
7.根據權利要求1所述的一種生物酶解與機械剪切聯合制備纖維素納米晶體的方法，其特征在于，所述第4步中微射流高壓均質機剪切處理時，在200 μ m反應腔內壓強為35 40MPa，在87 μ m反應腔內壓強為140 150MPa。
全文摘要
一種生物酶解與機械剪切聯合制備植物基纖維素納米晶體的方法，首先利用內切葡聚糖酶將纖維初步水解、拆解或破壞纖維素無定形區1，4～β～D葡萄糖苷鍵，然后借助高速高壓機械剪切獲得纖維素納米晶體。該方法不需經過傳統的強酸水解，提高了操作安全和可靠性，同時還可以通過調控酶解與機械剪切程度調節納米晶體的直徑與長徑比。通過該方法獲得的納米纖維素晶體力學強度好、結晶度高、長徑比適中，透光射性強、表面未吸附酸根離子，有望取代傳統纖維素晶體應用于聚合增強、過濾、環保、節能以及生物醫用等材料領域。
文檔編號D21C5/00GK103103847SQ20131001742
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月18日 優先權日2013年1月18日
發明者卿彥, 吳義強 申請人:中南林業科技大學