[发明专利]一种金属盐/有机酸协同处理制备纤维素纳米纤丝（CNF）的方法

说明书

本发明公开了一种采用金属盐/有机酸协同处理制备纤维素纳米纤丝(CNF)的方法，属于天然高分子材料领域。金属盐可有效提高有机酸的活性，降低纤维素水解反应活化能，从而降低CNF的制备能耗。以化学浆为原料，首先通过金属盐/有机酸协同处理解聚纤维素，继而进行氧化处理改善CNF的分散性，最后对氧化的浆料进行高压均质，得到CNF胶体。该法制备的CNF的具有得率高(＞90％)、分散性好(Zeta电位＜‑35mV)、尺寸分布均匀(直径5‑50nm)等特点，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明提供一种金属盐/有机酸协同处理制备纤维素纳米纤丝(CNF)的方法，具有得率高、分散性好、制备能耗低等属性。

背景技术

CNF是保留了纤维素中的结晶区和非结晶区且具有高长径比的纳米纤维材料，它的直径为5-60nm，长度为几微米。CNF具有许多优异的特性，如高长径比、高强度、高结晶度、高亲水性、超精细结构、比表面积大、良好的生物相容性、生物降解性好等，以CNF为原材料制备的纳米纤维素薄膜、气凝胶在化工、材料、食品和医药等领域都有广阔的应用前景。单纯使用机械法制备CNF所需的能耗较大，现阶段多采用化学预处理结合机械方法制备。

目前，高压均质法是制备CNF的最常用方法，而在高压均质前进行化学处理可有效降低 CNF的制备能耗。其中，酸水解属于一类比较常见的化学处理方法。纤维素的酸水解可以使用无机酸，也可以使用有机酸。酸起催化作用，其提供的氢离子首先进入纤维素的非结晶区并破坏氢键，结晶区的一些晶形不规则部分也会发生水解，使纤维素结晶度增大。此外，葡萄糖单元环的糖苷键在适合的氢离子浓度下发生一定程度的裂解，使纤维素聚合度降低。金属离子与氢离子共同作用能显著降低纤维素水解反应的活化能。金属离子与纤维素分子中羟基形成络合物，使水解反应容易进行。另外，金属离子所带的电荷会破坏纤维素大分子链之间的电荷平衡，有助于分子链的断裂，促进纤维素超分子结构的部分解体。基于上述理论，本发明提出金属盐/有机酸协同处理制备CNF。

本发明提供一种金属盐/有机酸协同处理制备CNF的方法，该方法具有低污染、低能耗、制备时间短和成本低等特点。所制备的CNF具有得率高、尺寸分布均匀、分散性好和长径比大等优点。因此，该制备方法具有较好的商业应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足之处，提供一种制备高得率和高分散性 CNF的方法，降低其制备能耗和成本，为商业化应用奠定基础。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种金属盐/有机酸协同处理制备CNF的方法，所述方法包括原料的金属盐/有机酸协同处理、氧化处理、高压均质等步骤，具体步骤如下：

(1)纸浆原料的预处理：将化学浆原料撕碎成小块，用水浸泡备用，或用疏解机疏解1-2min 后，脱水备用；

(2)金属盐/有机酸协同处理：将上述步骤(1)中所得到的纸浆原料置于反应器内，加入水、金属盐、有机酸与原料混合，进行高温短时处理。反应器内采用的固液比(原料与药液的质量比)为1∶5-1∶15，金属盐的加入量为0.01-0.3mol/L，有机酸的加入量为0.05-0.5mol/L，反应器内混合物在100-180℃的温度下处理5min-2h。反应结束后，停止加热和搅拌等操作，立即对反应器进行卸压降温，终止反应；

(3)浆料的洗涤：将上述步骤(2)中所得到的浆料进行洗涤处理，至洗涤液为中性，得到水解浆料；

(4)浆料的氧化：将上述步骤(3)中所得到的水解浆料置于反应器中，与水和氧化剂混合，进行氧化处理。反应器内采用的浆浓为5％-20％，氧化剂的用量为3％-20％(对绝干原料)，反应初始pH为7-12，反应器内混合物在70-120℃的温度下氧化处理0.5h-3h。

(5)浆料的洗涤：将上述步骤(4)中所得到的浆料进行洗涤处理，去除残余氧化剂，得到氧化后的浆料。