[发明专利]一种原位萃取与制备木质素复合纳米纤维的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种原位萃取木质素制备木质素复合纳米纤维的新方法，属于生物质利用与新材料领域。

背景技术

为了保持人类文明的可持续性发展，人类必须找到一种化石资源的替代品来满足人类日益发展的物质文化、生活需要。据统计，每年全球生物质产量超过2x1010吨，其中90%是以木质纤维素的形式存在。据统计，到2025年，全球化学工业25%-30%的原料将来自于生物质资源。木质纤维素主要由纤维素(35-50%)、半纤维素(35%)和木质素(15-30%)组成，其化学组成随生物质种类的改变、产地的不同以及植物细胞发育阶段的不同而不同。纤维素与半纤维素作为重要的材料或糖源制备生物能源与化学品获得了广泛的研究。木质素是植物体骨架的基本组成成分,是自然界中蕴藏量仅次于纤维素的第二大天然高分子材料，尚未被良好的利用。其主要原因是木质素具有显著的多分散性导致木质素无明确的热转变温度,给热塑体成型加工带来困难。同时由于其高度交联的顽固结构，使其后续转化效率较低。因此，木质素的高效利用很大部分依赖于其有效分离方法。众所周知，自然界中尚未发现只有纯木质素的植物。植物中的天然木质素总是与半纤维素和纤维素共存的，它不像棉花几乎是纯天然纤维素，为研究纤维素提供了方便。而且天然木质素又是活性很强的物质，在空气中或在分离过程中，极易发生氧化和自身缩合反应，而使其结构和性质发生变化，人们很难从植物中得到原生的木质素。在工业木质素应用研究方面，同样也存在木质素分离、纯化问题，工业木质素的来源主要是制浆废液，其中所含的纤维素、半纤维素降解物和灰分影响木质素应用性能，必须将其中的木质素提取、纯化，才能获得性能优良的高附加值木质素产品。木质素分离与纯化比较困难，因而经济又无二次污染的工业木质素分离技术是木质素利用的重要一步，也是工业木质素利用的难题之一。

离子液体能够广泛的溶解生物质高聚物，也可以用来预处理生物质，甚至被设计成多功能的溶剂，无论是对生物质进行预处理（溶胀和选择性萃取生物质组分，如木质素），或是完全将生物质溶解然后进行整体的生物质转化制备附加值高的产品，离子液体都提供一个很有前途的溶剂选择。如今离子液体已经广泛应用在纳米材料的制备中，离子液体用于生物质高聚物纺丝对改善生态环境，发展新材料具有重要意义，离子液体已经成为一种新兴的静电纺丝制备纤维的有效溶剂。

静电纺丝工艺是实现直接、连续制备聚合物纳米纤维的理想方法。利用静电纺丝技术制得的纤维为纳、微米级纤维，在航空，医疗，以及复合纤维的应用前景广泛。而基于工业木质素的纳米纤维也有文献及专利报道，由于其多苯环结构，制备获得的木质素纳米纤维或木质素复合纳米纤维通过氧化、碳化后可以制备性能较好的碳纤维。如马晓军等（马晓军,赵广杰.西北林学院学报,2007,22(5):155-158）利用木材苯酚液化物加入六次甲基四胺等调制纺丝液,在合适的温度下高压静电纺丝制得纳米级纤维,然后将这些纤维在盐酸与甲醛混合溶液中加热固化,最终获得强度较高的纳米纤维。但是所用溶剂有毒，且过程复杂，并不利于广泛使用。Kadla等人（Dallmeyera I,Frank K,Kadlaa J.F.Journal of Wood Chemistry and Technology,2012,30(4):315-329）对七种不同材料不同制备方法得到的工业木质素进行了研究，研究表明单独纺任何一种工业木质素均不能得到光滑的纤维，而且工业木质素提取复杂。2007年，专利（200710043185.4）保护了一种利用工业木质素通过熔融纺丝制备木质素纤维，再经过氧化、碳化制备碳纤维的方法。

本专利综合利用离子液体有机电解质溶液对天然木质纤维素良好的溶解及选择性萃取分离木质素能力，以及良好的导电性，实现纤维素、半纤维素活化与木质素分离，一锅法再通过电纺丝方法实现木质素到纳米纤维材料的转化，具有过程简单、经济的特点，对于天然生物质高效利用具有重要意义。

发明内容

为了提供一种更加高效、简单的实现天然木质纤维素主要组分的分级利用的方法，本发明的目的是提供一种以天然木质纤维素为原料，以离子液体与传统有机溶剂组成的电解质为溶剂，一锅法实现木质素分离及制备木质素/合成聚合物复合纳米纤维的新方法，其特征在于：它是按照如下的步骤进行的：

（1）以天然木质纤维素为原料；

（2）将天然木质纤维素溶解在离子液体和有机溶剂组成的共混电解质；

（3）以反溶剂沉淀木质纤维素里的纤维素与半纤维素，分离、浓缩后获得木质素电解质溶液；