一種高性能納米纖維素及其綠色制備方法與應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明公開一種高性能納米纖維素及其綠色制備方法與應(yīng)用，屬于納米纖維素技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括如下步驟：將微晶纖維素與有機(jī)弱酸溶液混合均勻，水解，得到懸浮液；將懸浮液進(jìn)行高壓均質(zhì)處理，得到穩(wěn)定、透明的納米纖維素懸浮液；將納米纖維素懸浮液進(jìn)一步進(jìn)行超聲、離心、干燥處理，得到固態(tài)的高性能納米纖維素。本發(fā)明制備納米纖維素的設(shè)備和操作簡單，適宜于規(guī)?；拇笊a(chǎn)。本發(fā)明提出了一種環(huán)境友好型“有機(jī)弱酸+高壓均質(zhì)法制備NCC工藝”：用有機(jī)弱酸取代濃硫酸，殘余的有機(jī)酸可以進(jìn)行回收利用，再對產(chǎn)物進(jìn)行高壓均質(zhì)處理，整個過程綠色環(huán)保節(jié)能，制得粒徑均一、性能優(yōu)良、得率高、產(chǎn)量大的納米纖維素，將其應(yīng)用于電子器件領(lǐng)域。
【專利說明】
一種高性能納米纖維素及其綠色制備方法與應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于納米纖維素技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高性能納米纖維素及其綠色制備方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，納米纖維素(NCC)作為一種新型的可再生納米材料已引起了許多研究者的關(guān)注。NCC具有許多優(yōu)良性能，如高純度、較大比表面積、高結(jié)晶度、高親水性、高楊氏模量、高強度、超精細(xì)結(jié)構(gòu)和高透明性等，加之其具有生物材料的輕質(zhì)、可降解、生物相容性及可再生等特性，使其在高性能復(fù)合材料中顯示出巨大的應(yīng)用前景。
[0003]目前NCC的制備方法中存在許多局限，有的成本高、價格昂貴，有的耗時長、制備復(fù)雜，都將制約著NCC進(jìn)一步的發(fā)展。如何通過優(yōu)化制備方法，制備生產(chǎn)出成本低、高效快速、綠色的NCC是亟待解決的問題。其中酸水解是最為簡單的方法，目前比較常用的是硫酸，但傳統(tǒng)酸水解法制備過程中存在設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、產(chǎn)品穩(wěn)定性差等技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種高性能納米纖維素的綠色制備方法。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供一種由上述制備方法制備得到的高性能納米纖維素。
[0006]本發(fā)明的再一目的在于提供一種上述高性能納米纖維素的應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):
[0008]—種高性能納米纖維素的綠色制備方法，包括以下操作步驟:
[0009](I)弱酸水解:將微晶纖維素(MCC)與有機(jī)弱酸溶液混合均勻，水解，得到懸浮液；
[0010](2)高壓均質(zhì):將步驟(I)得到的懸浮液進(jìn)行高壓均質(zhì)處理，得到穩(wěn)定、透明的納米纖維素懸浮液；
[0011](3)后處理:將步驟(2)得到的納米纖維素懸浮液進(jìn)一步進(jìn)行超聲、離心、干燥處理，得到固態(tài)的高性能納米纖維素。
[0012]步驟(I)中所述的有機(jī)弱酸溶液優(yōu)選為醋酸溶液、甲酸溶液、草酸溶液或丙酸溶液；
[0013]步驟(I)中所述的有機(jī)弱酸溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25?40%;
[0014]步驟(I)中所述的微晶纖維素(MCC)與有機(jī)弱酸溶液以固液比(w/v) I /10?I /20混合均勻；
[0015]步驟(I)中所述的水解的條件為溫度控制在30?500C，水解時間2?4小時;溫度控制優(yōu)選在30?45 °C。
[0016]步驟(2)所述的高壓均質(zhì)處理的條件為:濃度0.2?0.8% (w/w)，操作壓力150?180MPa，循環(huán)次數(shù)3?8次，均質(zhì)過程溫度控制在25?35°C。
[0017]步驟(2)所述的高壓均質(zhì)處理的條件優(yōu)選為:濃度0.2?0.7% (w/w)，操作壓力150?180MPa，循環(huán)次數(shù)3?6次，均質(zhì)過程溫度控制在25?35°C。
[0018]步驟(3)所述的超聲處理的條件為處理時間10?30min，功率100?300W，溫度控制在 25 ?30°C。
[0019]步驟(3)所述的超聲處理的條件優(yōu)選為處理時間10?30min，功率100?200W，溫度控制在25°C。
[0020]步驟(3)所述的離心處理的條件為速度為4000?1000rpm，離心時間10?30min。
[0021]步驟(3)所述的干燥處理為冷凍干燥處理；所述的冷凍干燥處理的條件為:溫度為-50?-20°C ;時間為24?48小時。
[0022]所述的冷凍干燥處理的條件為:溫度為-50?_30°C ;時間為24?48小時。
[0023]一種高性能納米纖維素，通過上述制備方法制備得到。
[0024]所述的高性能納米纖維素的性能指標(biāo):得率:20.96?34.17%；直徑:13?405nm;長度:79?1352nm。優(yōu)選為:得率:24.17?34.17% ;直徑:13?405nm;長度:79?983nm。
[0025]所述的高性能納米纖維素在電子器件領(lǐng)域中的應(yīng)用。
[0026]本發(fā)明的原理是:本發(fā)明提出了一種環(huán)境友好型“有機(jī)弱酸+高壓均質(zhì)法制備NCC工藝”:用有機(jī)弱酸(醋酸)取代濃硫酸，殘余的有機(jī)酸可以進(jìn)行回收利用，再對產(chǎn)物進(jìn)行高壓均質(zhì)處理，整個過程綠色環(huán)保節(jié)能，制得高性能的納米纖維素，將其應(yīng)用于電子器件領(lǐng)域。
[0027]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點及效果:
[0028](I)本發(fā)明采用有機(jī)弱酸水解，解決傳統(tǒng)酸(H2SO4, HCl)水解法制備納米纖維素過程中產(chǎn)生大量的廢酸，對設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，增加廢水處理成本等難題。
[0029](2)本發(fā)明采用的“有機(jī)醋酸水解+高壓均質(zhì)”結(jié)合法制備納米纖維素是一種綠色制備方法，醋酸廉價，更大的優(yōu)勢是可以進(jìn)行回收利用，回收利用的有機(jī)酸可以繼續(xù)作為酸水解的原料。因此符合綠色環(huán)保的理念。
[0030](3)本發(fā)明采用的“有機(jī)醋酸水解+高壓均質(zhì)”結(jié)合法能解決單一的高壓均質(zhì)過程易出現(xiàn)均質(zhì)機(jī)堵塞而無法實現(xiàn)制備過程連續(xù)化的問題，能顯著降低成本。
[0031](4)本發(fā)明制備納米纖維素的設(shè)備和操作簡單，適宜于規(guī)?；拇笊a(chǎn)。
[0032](5)本發(fā)明制得的納米纖維素粒徑均一(即得到的納米纖維素顆粒的直徑分布比較均勻)、性能優(yōu)良(即得到的納米纖維素尺寸比較小，有利于在材料復(fù)合中均勻分散，從而能得到高性能的復(fù)合材料)、得率高、產(chǎn)量大的優(yōu)勢，可以作為符合材料的增強相應(yīng)用于電子器件領(lǐng)域。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0034]本發(fā)明實施例中使用的微晶纖維素(MCC)購于購于山東瑞泰化工有限公司，其它試劑藥品均可從市場購買或按照現(xiàn)有技術(shù)方法制得。
[0035]實施例1
[0036]本實施例的一種高性能納米纖維素的綠色制備方法，具體制備步驟如下:
[0037](I)弱酸水解:將微晶纖維素(MCC)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的醋酸溶液以固液比(w/v)1/10混合均勻，水解過程溫度控制在30°C，水解時間2小時，得到懸浮液；
[0038](2)高壓均質(zhì):將步驟(I)中的懸浮液稀釋至0.2% (w/w)濃度，然后進(jìn)行高壓均質(zhì)處理，均質(zhì)過程中的操作壓力150MPa，循環(huán)3次，溫度控制在25°C，得到穩(wěn)定、透明的納米纖維素懸浮液；
[0039](3)后處理:將步驟(2)得到的納米纖維素懸浮液先在超聲波功率為100W下超聲處理lOmin，溫度控制為25°C ;接著在4000rpm轉(zhuǎn)速下離心1min;最后在溫度為_50°C下冷凍干燥處理24小時，得到固態(tài)的高性能納米纖維素。
[0040]本實施例的高性能納米纖維素的性能指標(biāo):得率:20.96 % ;直徑:61?274nm;長度:219?1352nm。
[0041 ] 實施例2
[0042]本實施例的一種高性能納米纖維素的綠色制備方法，具體制備步驟如下:
[0043](I)弱酸水解:將微晶纖維素(MCC)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的醋酸溶液以固液比(w/v)1/15混合均勻，水解過程溫度控制在30°C，水解時間2小時，得到懸浮液；
[0044](2)高壓均質(zhì):將步驟(I)中的懸浮液稀釋至0.3% (w/w)濃度，然后進(jìn)行高壓均質(zhì)處理，均質(zhì)過程中的操作壓力155MPa，循環(huán)3次，溫度控制在25°C，得到穩(wěn)定、透明的納米纖維素懸浮液；
[0045](3)后處理:將步驟(2)得到的納米纖維素懸浮液先在超聲波功率為10W下超聲處理lOmin，溫度控制為25°C ;接著在5000rpm轉(zhuǎn)速下離心1min;最后在溫度為_45°C下冷凍干燥處理24小時，得到固態(tài)的高性能納米纖維素。
[0046]本實施例的高性能納米纖維素的性能指標(biāo):得率:22.73 % ;直徑:53?236nm;長度:198 ?1165nm。
[0047]實施例3
[0048]本實施例的一種高性能納米纖維素的綠色制備方法，具體制備步驟如下:
[0049](I)弱酸水解:將微晶纖維素(MCC)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的醋酸溶液以固液比(w/v)1/15混合均勻，水解過程溫度控制在35°C，水解時間2小時，得到懸浮液；
[0050](2)高壓均質(zhì):將步驟(I)中的懸浮液稀釋至0.4% (w/w)濃度，然后進(jìn)行高壓均質(zhì)處理，均質(zhì)過程中的操作壓力160MPa，循環(huán)4次，溫度控制在25°C，得到穩(wěn)定、透明的納米纖維素懸浮液；
[0051 ] (3)后處理:將步驟(2)得到的納米纖維素懸浮液先在超聲波功率為10W下超聲處理20min，溫度控制為25°C ;接著在6000rpm轉(zhuǎn)速下離心1min;最后在溫度為_40°C下冷凍干燥處理24小時，得到固態(tài)的高性能納米纖維素。
[0052]本實施例的高性能納米纖維素的性能指標(biāo):得率:24.17 % ;直徑:41?205nm;長度:162?983nm。
[0053]實施例4
[0054]本實施例的一種高性能納米纖維素的綠色制備方法，具體制備步驟如下:
[0055](I)弱酸水解:將微晶纖維素(MCC)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的醋酸溶液以固液比(w/v)1/15混合均勻，水解過程溫度控制在40°C，水解時間2小時，得到懸浮液；
[0056](2)高壓均質(zhì):將步驟(I)中的懸浮液稀釋至0.5% (w/w)濃度，然后進(jìn)行高壓均質(zhì)處理，均質(zhì)過程中的操作壓力165MPa，循環(huán)4次，溫度控制在30°C，得到穩(wěn)定、透明的納米纖維素懸浮液；
[0057](3)后處理:將步驟(2)得到的納米纖維素懸浮液先在超聲波功率為200W下超聲處理lOmin，溫度控制為25°C ;接著在7000rpm轉(zhuǎn)速下離心20min;最后在溫度為_35°C下冷凍干燥處理24小時，得到固態(tài)的高性能納米纖維素。
[0058]本實施例的高性能納米纖維素的性能指標(biāo):得率:26.87 % ;直徑:34?186nm;長度:132?786nm。
[0059]實施例5
[0060]本實施例的一種高性能納米纖維素的綠色制備方法，具體制備步驟如下:
[0061 ] (I)弱酸水解:將微晶纖維素(MCC)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的醋酸溶液以固液比(w/v)1/20混合均勻，水解過程溫度控制在45°C，水解時間2小時，得到懸浮液；
[0062](2)高壓均質(zhì):將步驟(I)中的懸浮液稀釋至0.6% (w/w)濃度，然后進(jìn)行高壓均質(zhì)處理，均質(zhì)過程中的操作壓力170MPa，循環(huán)5次，溫度控制在30°C，得到穩(wěn)定、透明的納米纖維素懸浮液；
[0063](3)后處理:將步驟(2)得到的納米纖維素懸浮液先在超聲波功率為200W下超聲處理20min，溫度控制為25°C ;接著在8000rpm轉(zhuǎn)速下離心20min;最后在溫度為_30°C下冷凍干燥處理24小時，得到固態(tài)的高性能納米纖維素。
[0064]本實施例的高性能納米纖維素的性能指標(biāo):得率:28.17 % ;直徑:28?163nm;長度:118 ?716nm。
[0065]實施例6
[0066]本實施例的一種高性能納米纖維素的綠色制備方法，具體制備步驟如下:
[0067](I)弱酸水解:將微晶纖維素(MCC)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的醋酸溶液以固液比(w/v)1/20混合均勻，水解過程溫度控制在40°C，水解時間2小時，得到懸浮液；
[0068](2)高壓均質(zhì):將步驟(I)中的懸浮液稀釋至0.7% (w/w)濃度，然后進(jìn)行高壓均質(zhì)處理，均質(zhì)過程中的操作壓力175MPa，循環(huán)6次，溫度控制在35°C，得到穩(wěn)定、透明的納米纖維素懸浮液；
[0069](3)后處理:將步驟(2)得到的納米纖維素懸浮液先在超聲波功率為200W下超聲處理20min，溫度控制為25°C ;接著在9000rpm轉(zhuǎn)速下離心20min;最后在溫度為_35°C下冷凍干燥處理24小時，得到固態(tài)的高性能納米纖維素。
[0070]本實施例的高性能納米纖維素的性能指標(biāo):得率:29.07 % ;直徑:23?147nm;長度:103?624nm。
[0071 ] 實施例7
[0072]本實施例的一種高性能納米纖維素的綠色制備方法，具體制備步驟如下:
[0073](I)弱酸水解:將微晶纖維素(MCC)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的醋酸溶液以固液比(w/v)1/20混合均勻，水解過程溫度控制在35°C，水解時間4小時，得到懸浮液；
[0074](2)高壓均質(zhì):將步驟(I)中的懸浮液稀釋至0.6% (w/w)濃度，然后進(jìn)行高壓均質(zhì)處理，均質(zhì)過程中的操作壓力175MPa，循環(huán)6次，溫度控制在30°C，得到穩(wěn)定、透明的納米纖維素懸浮液；
[0075](3)后處理:將步驟(2)得到的納米纖維素懸浮液先在超聲波功率為200W下超聲處理30min，溫度控制為25°C ;接著在9000rpm轉(zhuǎn)速下離心20min;最后在溫度為_40°C下冷凍干燥處理36小時，得到固態(tài)的高性能納米纖維素。
[0076]本實施例的高性能納米纖維素的性能指標(biāo):得率:31.27%;直徑:19?95nm;長度:96?614nm。
[0077]實施例8
[0078]本實施例的一種高性能納米纖維素的綠色制備方法，具體制備步驟如下:
[0079](I)弱酸水解:將微晶纖維素(MCC)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的醋酸溶液以固液比(w/v)1/20混合均勻，水解過程溫度控制在40°C，水解時間4小時，得到懸浮液；
[0080](2)高壓均質(zhì):將步驟(I)中的懸浮液稀釋至0.6% (w/w)濃度，然后進(jìn)行高壓均質(zhì)處理，均質(zhì)過程中的操作壓力180MPa，循環(huán)5次，溫度控制在30°C，得到穩(wěn)定、透明的納米纖維素懸浮液；
[0081 ] (3)后處理:將步驟(2)得到的納米纖維素懸浮液先在超聲波功率為200W下超聲處理30min，溫度控制為25°C ;接著在1000rpm轉(zhuǎn)速下離心20min;最后在溫度為-40°C下冷凍干燥處理36小時，得到固態(tài)的高性能納米纖維素。
[0082]本實施例的高性能納米纖維素的性能指標(biāo):得率:32.81%;直徑:17?91nm;長度:89?604nm。
[0083]實施例9
[0084]本實施例的一種高性能納米纖維素的綠色制備方法，具體制備步驟如下:
[0085](I)弱酸水解:將微晶纖維素(MCC)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的醋酸溶液以固液比(w/v)1/20混合均勻，水解過程溫度控制在40°C，水解時間3小時，得到懸浮液；
[0086](2)高壓均質(zhì):將步驟(I)中的懸浮液稀釋至0.6% (w/w)濃度，然后進(jìn)行高壓均質(zhì)處理，均質(zhì)過程中的操作壓力170MPa，循環(huán)4次，溫度控制在35°C，得到穩(wěn)定、透明的納米纖維素懸浮液；
[0087](3)后處理:將步驟(2)得到的納米纖維素懸浮液先在超聲波功率為200W下超聲處理20min，溫度控制為25°C;接著在1000rpm轉(zhuǎn)速下離心20min;最后在溫度為-45°C下冷凍干燥處理48小時，得到固態(tài)的高性能納米纖維素。
[0088]本實施例的高性能納米纖維素的性能指標(biāo):得率:33.57%;直徑:15?84nm ；長度:83?592nm。
[0089]實施例10
[0090]本實施例的一種高性能納米纖維素的綠色制備方法，具體制備步驟如下:
[0091 ] (I)弱酸水解:將微晶纖維素(MCC)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的醋酸溶液以固液比(w/v)1/20混合均勻，水解過程溫度控制在45°C，水解時間3小時，得到懸浮液；
[0092](2)高壓均質(zhì):將步驟(I)中的懸浮液稀釋至0.5% (w/w)濃度，然后進(jìn)行高壓均質(zhì)處理，均質(zhì)過程中的操作壓力175MPa，循環(huán)5次，溫度控制在30°C，得到穩(wěn)定、透明的納米纖維素懸浮液；
[0093](3)后處理:將步驟(2)得到的納米纖維素懸浮液先在超聲波功率為200W下超聲處理20min，溫度控制為25°C ;接著在1000rpm轉(zhuǎn)速下離心30min;最后在溫度為-45°C下冷凍干燥處理48小時，得到固態(tài)的高性能納米纖維素。
[0094]本實施例的高性能納米纖維素的性能指標(biāo):得率:34.17%;直徑:13?74nm;長度:79?545nm0
[0095]上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種高性能納米纖維素的綠色制備方法，其特征在于包括以下操作步驟: (1)弱酸水解:將微晶纖維素與有機(jī)弱酸溶液混合均勻，水解，得到懸浮液； (2)高壓均質(zhì):將步驟(I)得到的懸浮液進(jìn)行高壓均質(zhì)處理，得到納米纖維素懸浮液； (3)后處理:將步驟(2)得到的納米纖維素懸浮液進(jìn)一步進(jìn)行超聲、離心、干燥處理，得到高性能納米纖維素。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能納米纖維素的綠色制備方法，其特征在于: 步驟(I)中所述的有機(jī)弱酸溶液為醋酸溶液、甲酸溶液、草酸溶液或丙酸溶液； 步驟(I)中所述的有機(jī)弱酸溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25?40 %。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能納米纖維素的綠色制備方法，其特征在于: 步驟(I)中所述的微晶纖維素與有機(jī)弱酸溶液以固液比1/10?1/20混合均勻。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能納米纖維素的綠色制備方法，其特征在于: 步驟(I)中所述的水解的條件為溫度控制在30?50°C，水解時間2?4小時。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能納米纖維素的綠色制備方法，其特征在于: 步驟(2)所述的高壓均質(zhì)處理的條件為:濃度0.2?0.8%，操作壓力150?180MPa，循環(huán)次數(shù)3?8次，均質(zhì)過程溫度控制在25?35 °C。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能納米纖維素的綠色制備方法，其特征在于: 步驟(3)所述的超聲處理的條件為處理時間10?30min，功率100?300W，溫度控制在25?30 cC ο7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能納米纖維素的綠色制備方法，其特征在于: 步驟(3)所述的離心處理的條件為速度為4000?1000rpm，離心時間10?30min。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能納米纖維素的綠色制備方法，其特征在于: 步驟(3)所述的干燥處理為冷凍干燥處理;所述的冷凍干燥處理的條件為:溫度為-50?-20°C ;時間為24?48小時。9.一種高性能納米纖維素，其特征在于通過權(quán)利要求1?8任一項所述的制備方法制備得到。10.權(quán)利要求9所述的高性能納米纖維素在電子器件領(lǐng)域中的應(yīng)用。
【文檔編號】C08L1/04GK106084070SQ201610393553
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月3日 公開號201610393553.7, CN 106084070 A, CN 106084070A, CN 201610393553, CN-A-106084070, CN106084070 A, CN106084070A, CN201610393553, CN201610393553.7
【發(fā)明人】楊仁黨, 程崢, 王溦
【申請人】華南理工大學(xué)