專利名稱：一種強酸預處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法
技術領域：
本發明涉及一種植物纖維納米纖絲材料的制備方法，具體為一種強酸預處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法。
背景技術：
近年來，植物基納米纖維正在悄然推動聚合物復合材料、包裝裝飾材料、節能環保材料、生物制藥材料、傳導導電材料等領域的快速發展。纖維素納米纖絲作為一類重要的納米纖維材料，常利用高速機械剪切或化學氧化的方法，將植物纖維中的纖維素微纖絲分離拆解成直徑在納米級(低于IOOnm)的細長纖維。這種納米纖維擁有優異的力學性能，彈性模量高達IOOGPa ;同時還具有很高的長徑比，且其長徑比通常超過100。就納米結構來說，這種納米纖維在干燥狀態下，納米纖絲形成天然的納米網狀結構，能有效阻止小分子物質如水、氧氣、二氧化碳的滲透，此外，納米纖絲還具有良好的透光性和熱穩定性。由于化學氧化制備纖維素納米纖絲的成本較高、工序復雜，其大規模商業化生產還是以機械剪切加工為主。為了將普通的漂白紙漿纖維剪切成納米纖絲，在加工過程中需要反復機械剪切，導致能耗較大，生產成本也較高，這些已成為制約纖維素納米纖絲飛躍式發展的主要技術瓶頸。因此，對原料紙漿進行合適的預處理，提高纖維納米化拆解效率，具有重大的現實意義和應用前景，對于推動納米纖維以及生物質納米材料的發展有不可估量的作用。
發明內容
本發明所解決的技術問題在于提供一種強酸預處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，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
一種強酸預處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，區別于其它工藝的顯著特點是引入強酸水解預處理漂白紙漿纖維，潤脹、溶解和打開纖維素部分無定形區，然后利用高速均質化機械剪切快速獲得纖維素納米纖絲，包括以下步驟
第I步將漂白紙漿纖維在去離子水中潤脹24h，然后高速攪拌分散O. 5h，調節成固體質量分數1. 5^2. 0%的懸浮狀溶液。該混合液再經超細膠體磨反復剪切3飛次，脹化和剪短原料纖維。細磨纖維溶液經離心分離后去除上層液體后再高速離心甩干。第2步甩干后的纖維進行濃硫酸或濃鹽酸水解，酸的濃度為6(T70wt%，酸解時間1.(Tl. 5h，酸解溫度控制在4(T60°C，纖維與水解酸液的比配為2 8g/ml。第3步將酸解液反復水洗至中性，先加入一定量的堿中和未反應的酸，再經布氏漏斗將預處理纖維反復去離子水水洗。水洗后的纖維離心分離調節至固含量1. 5^2. 0%。第4步預處理纖維高壓高強機械剪切加工。水洗后的酸解預處理纖維溶液在微射流高壓均質機內機械剪切處理，其中在200 μ m反應腔內循環剪切10次，再在87 μ m反應腔內剪切5次，即可成型。
本發明中，所述第I步過程中超細膠體磨的運行轉速為200(T3000 rpm，磨盤間距為-O. 2 O. 4mm。本發明中，所述第I步過程中經過離心甩干后的細磨纖維含水率1(Γ18%。本發明中，所述第2步過程中酸水解反應在恒溫搖床內完成，搖床轉速150 250rpm。本發明中，所述第2步過程中纖維與酸分別指甩干后的細磨纖維與6(T70wt%的鹽酸或硫酸，其比率為2 8g/ml。本發明中，所述第3步過程中堿為氫氧化鈉溶液，堿濃度為15 20%。本發明中，所述第3步過程中離心分離的轉速為300(T35000 rpm,除去上層離心液。本發明中，所述第4步過程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強酸預處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法。通過強酸水解預處理漂白紙漿纖維，潤脹、 溶解和打開纖維素部分無定形區，然后利用高速均質化機械剪切快速獲得纖維素納米纖絲。該方法不僅能夠降低纖維素納米纖絲制備過程的能耗，同時強酸水解能提高纖維素的結晶度，在一定程度上提高了納米纖維的力學強度。因此，通過該方法獲得的纖維素納米纖絲能廣泛用于增強聚合物材料、吸塵過濾材料、生態環保材料、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步將漂白紙漿纖維在去離子水中潤脹24h，然后高速攪拌分散O. 5h，調節成固體質量分數1. 5%的懸浮狀溶液。該混合液再經超細膠體磨反復剪切3次，脹化和剪短原料纖維；磨盤轉速2500 rpm，磨盤間距為 O. 1mm。預磨纖維溶液經離心分離后去除上層液體后再高速離心甩干至含水率12%。第2步甩干后的纖維進行濃硫酸水解，酸的濃度為64wt%，酸解時間1. 5h，酸解溫度控制在50°C，纖維與水解酸液的比配為4g/ml。酸解反應在恒溫(設置溫度50°C)搖床內完成，搖床轉速180rpm。第3步將酸解液反復水洗至中性，先加入一定量的15%氫氧化鈉溶液中和未反應的酸，再經布氏漏斗將預處理纖維反復去離子水水洗。水洗后的纖維離心分離調節至固含量1. 5%ο第4步預處理纖維高壓高強機械剪切加工。水洗后的酸解預處理纖維溶液在微射流高壓均質機內機械剪切處理，其中在200 μ m反應腔內循環剪切10次，再在87 μ m反應腔內剪切5次，即可成型。實施例2
第I步將漂白紙漿纖維在去離子水中潤脹24h，然后高速攪拌分散O. 5h，調節成固體質量分數2. 0%的懸浮狀溶液。該混合液再經超細膠體磨反復剪切4次，脹化和剪短原料纖維；磨盤轉速3000 rpm，磨盤間距為1mm。預磨纖維溶液經離心分離后去除上層液體后再高速離心甩干至含水率16%。第2步甩干后的纖維進行濃硫酸水解，酸的濃度為70wt%，酸解時間1. Oh,酸解溫度控制在55°C，纖維與水解酸液的比配為6g/ml。酸解反應在恒溫(設置溫度55°C)搖床內完成，搖床轉速180rpm。第3步將酸解液反復水洗至中性，先加入一定量的16%氫氧化鈉溶液中和未反應的酸，再經布氏漏斗將預處理纖維反復去離子水水洗。水洗后的纖維離心分離調節至固含量 2. 0%。第4步預處理纖維高壓高強機械剪切加工。水洗后的酸解預處理纖維溶液在微射流高壓均質機內機械剪切處理，其中在200 μ m反應腔內循環剪切10次，再在87 μ m反應腔內剪切5次，即可成型。實施例3 第I步將漂白紙漿纖維在去離子水中潤脹24h，然后高速攪拌分散O. 5h，調節成固體質量分數2%的懸浮狀溶液。該混合液再經超細膠體磨反復剪切5次，脹化和剪短原料纖維；磨盤轉速3000 rpm,磨盤間距為"O. 1mm。預磨纖維溶液經離心分離后去除上層液體后再高速離心甩干至含水率18%。第2步甩干后的纖維進行濃鹽酸水解，酸的濃度為70wt%，酸解時間1. 5h，酸解溫度控制在50°C，纖維與水解酸液的比配為8g/ml。酸解反應在恒溫(設置溫度50°C)搖床內完成，搖床轉速200rpm。第3步將酸解液反復水洗至中性，先加入一定量的20%氫氧化鈉溶液中和未反應的酸，再經布氏漏斗將預處理纖維反復去離子水水洗。水洗后的纖維離心分離調節至固含量％。第4步預處理纖維高壓高強機械剪切加工。水洗后的酸解預處理纖維溶液在微射流高壓均質機內機械剪切處理，其中在200 μ m反應腔內循環剪切10次，再在87 μ m反應腔內剪切5次，即可成型。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
1.一種強酸預處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，其特點在于，包括以下步驟 第I步將漂白紙漿纖維在去離子水中潤脹24h，然后高速攪拌分散O. 5h，調節成固體質量分數1. 5^2. 0%的懸浮狀溶液，該混合液再經超細膠體磨反復剪切3飛次，脹化和剪短原料纖維，預磨纖維溶液經離心分離后去除上層液體后再高速離心甩干； 第2步甩干后的纖維進行濃硫酸或濃鹽酸水解，酸的濃度為6(T70wt%，酸解時間1. (Tl. 5h，酸解溫度控制在4(T60°C，纖維與水解酸液的比配為2 8g/ml ； 第3步將酸解液反復水洗至中性，先加入一定量的堿中和未反應的酸，再經布氏漏斗將預處理纖維反復去離子水水洗，水洗后的纖維離心分離調節至固含量1. 5^2. 0% ； 第4步預處理纖維高壓高強機械剪切加工，水洗后的酸解預處理纖維溶液在微射流高壓均質機內機械剪切處理，其中在200 μ m反應腔內循環剪切10次，再在87 μ m反應腔內剪切5次即可成型。
2.根據權利要求1所述的一種強酸預處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，其特征在于，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-O. 2^0. 4mm。
3.根據權利要求1所述的一種強酸預處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，其特征在于，所述第2步中經過離心甩干后的細磨纖維含水率1(Γ18%。
4.根據權利要求1所述的一種強酸預處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，其特征在于，所述第2步中酸水解反應在恒溫搖床內完成，搖床轉速15(T250rpm。
5.根據權利要求1所述的一種強酸預處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，其特征在于，所述第2步中纖維與酸分別指甩干后的細磨纖維與6(T70wt%的鹽酸或硫酸，其比率為2 8g/ml。
6.根據權利要求1所述的一種強酸預處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，其特征在于，所述第3步中堿為氫氧化鈉溶液,堿濃度為1(Γ20%。
7.根據權利要求1所述的一種強酸預處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，其特征在于，所述第3步中離心分離的轉速為300(T35000 rpm,除去上層離心液。
8.根據權利要求1所述的一種強酸預處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，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
一種強酸預處理輔助制備纖維素納米纖絲的方法，首先利用60-70wt%濃硫酸或鹽酸在40-60℃條件下將漂白紙漿纖維水解預處理1.0-1.5h，潤脹、溶解和打開纖維素部分無定形區，然后利用高速均質化機械剪切快速獲得纖維素納米纖絲。通過這種方法獲得的纖維素納米纖絲生產過程能耗降低、纖維結晶度高、纖維長徑比大、熱穩定性好，能廣泛用于增強復合材料、吸塵過濾材料、生態環保材料、及生物醫用材料等領域。
文檔編號D21B1/02GK103061174SQ20131001754
公開日2013年4月24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