[发明专利]一种应用水溶液析出的纳米纤维素薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纤维素，特别是涉及一种纳米纤维素，具体是涉及一种应用水溶液析出的纳米纤维素薄膜的制备方法，属于材料加工领域。

背景技术

随着人类社会的快速发展以及对化石能源的不合理利用，能源紧缺和环境污染的问题日益严重，人们也日益关注纤维素这一取之不尽、用之不竭的可再生资源的研究。与普通的纤维素相比，纳米纤维素在聚集态结构和物性上的特殊性使其在纳米精细化工、纳米医药、纳米食品、纳米复合材料和新能源等领域具有广阔的应用前景。

目前纳米纤维素的制备方法包括：（1）酸法制备纳米纤维素，即利用无机酸或有机酸为催化剂，提供高浓度氢离子进入纤维素的无定形区破坏氢键，使其水解生成葡萄糖等糖类，同时纤维素链发生一定程度的裂解，导致纤维素聚合度的下降，从而得到纳米纤维素，1947年由Nickerson和Habrle用盐酸和硫酸水解木材和棉絮制备纳米纤维素胶体分散液，但该方法需要用到强酸，对反应设备要求高，会产生酸废液，回收和处理反应困难；（2）酶解法制备纳米纤维素，即利用纤维素酶选择性地酶解掉无定形的纤维素而剩下部分纤维素晶体，该方法可提高纳米纤维素的质量和纯度，不需使用化学品，但存在产率低、成本高的缺陷；（3）TEMPO氧化法制备纳米纤维素，即利用TEMPO催化氧化来制备纳米纤维素，TEMPO作为催化剂促进氧化剂对纤维素C6上伯羟基的选择性氧化，将其氧化成聚葡萄糖醛酸，使纤丝表面带有负电荷，纤丝之间产生静电斥力从而得到稳定的纳米纤维素胶体分散液，该方法中TEMPO价格昂贵。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种方法简单、能耗少、绿色环保的应用水溶液析出的纳米纤维素薄膜的制备方法，该方法通过制备含有纳米纤维素胶体分散液，最终制备得到强度可达64.72MPa的纤维素薄膜。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种应用水溶液析出的纳米纤维素薄膜的制备方法，包括以下步骤：

在-15℃～-8℃，将纤维素溶解于氢氧化钠、尿素和水的混合溶液中，得到纤维素溶液；所述纤维素溶液中纤维素的浓度为10～40g/L，所述混合溶液中氢氧化钠质量百分含量为5～10%，尿素的质量百分含量为10～15%；

将所述纤维素溶液自然升温至室温，滴加水使纤维素析出，得到纳米纤维素胶体分散液；所述滴加水的体积与纤维素溶液的体积比为（1～3）∶1；

将所述纳米纤维素胶体分散液进行压滤得到纳米纤维素薄膜。

本发明提供的应用水溶液析出的纳米纤维素薄膜的制备方法是在-15℃～-8℃的温度条件下，将纤维素溶解于氢氧化钠、尿素和水的混合溶液中，破坏纤维素分子间的氢键作用力，对纤维素进行溶解，形成纤维素均相溶液，再加水改变纤维素的溶液环境，使纤维素析出形成纳米纤维素，实现对纤维素尺寸及析出过程的控制，得到聚集程度小的纳米级纤维素胶体分散液，再经压滤得到强度显著提高的纳米纤维素薄膜。

所述纤维素的溶解过程没有特殊要求，为了使纤维素均匀分散，优选在溶解过程中进行搅拌。所述纤维素溶液中可能含有原料带入的杂质，优选通过离心分离除去，得到澄清的纤维素溶液，该溶液为澄清的粘稠溶液。所述离心过程要求时间短，避免溶液发生变化。

优选地，所述滴加水的体积与纤维素溶液的体积比为1.5∶1。

优选地，所述混合溶液中氢氧化钠与尿素的重量比为（6～8）∶(11～14)。

优选地，所述纤维素溶液中，纤维素与氢氧化钠的重量比为1∶（2.25～10）,。该重量比的换算过程中，按照所述纤维素溶液的密度为1g/ml计。

优选地，所述滴加水的体积与纤维素溶液的体积比为1.5∶1。

更优选地，所述滴加的水与纤维素溶液中纤维素的用量比为（75～100）ml∶1g，该条件下纤维素均匀析出，纳米纤维素长径比大，聚集程度低。该用量比的换算过程中，水及纤维素溶液的密度均以1g/ml计。

所述滴加水可以为自来水或蒸馏水，对纤维素的析出过程影响较小。所述滴加水的过程优选边搅拌边滴加，搅拌及滴加速率以使水与纤维素混合均匀为目的，具体操作没有特殊限制。

优选地，所述压滤是采用孔径为0.22μm的聚偏氟乙烯（PVDF）过滤膜进行压滤。

本发明使用的纤维素来自常规的纤维素原料，包括阔叶木浆、针叶木浆、竹浆、麦草浆、芦苇浆、蔗渣浆、龙须草浆、微晶纤维素和棉短绒中的一种或多种的混合物。