[发明专利]一种纤维素II型纳米晶粒子及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及纤维素纳米晶领域，更具体地涉及一种纤维素II型纳米晶粒子及其制备方法和应用。该纤维素II型纳米晶粒子的结晶度≥80％；其数均分子量为1200～2500，分子量分布系数Mw/Mn≤1.30。该纤维素II型纳米晶粒子的制备方法包括：纤维素原料先进行非晶化重构，再晶化酸解，晶化酸解可以在低浓度酸性条件下进行，实现了纤维素纳米晶材料的高效、清洁生产和品质控制。该方法所制备的纤维素II型纳米晶粒子结晶度高、分子量小、分子量分布窄、尺寸分布窄、表面构象明确、表面化学修饰潜力大，可用于催化剂载体、复合材料增强相等用途。

技术领域：

本发明涉及纤维素纳米晶领域，更具体地涉及一种纤维素II型纳米晶粒子及其制备方法和应用。

背景技术：

纤维素纳米晶是近几十年来得到广泛研究的高端纤维素类材料，具有生物可降解性、生物相容性、高比表面积、高比强高比模、结构与形貌可控性强、表面可修饰等独特的物理、化学和生物学性质，在材料、轻工、化工、食品、医药、保健、环保、信息、能源等领域有着广阔的应用前景。

目前纤维素纳米晶有两种晶体结构，一种是纤维素I型，另一种是纤维素II型。现有纤维素II型纳米晶主要由以下三种方法制得:方法一，对纤维素原料进行丝光处理，而后再进行酸催化水解处理，得到直径50nm‐200nm的球状纤维素II型纳米晶；方法二，先利用酸水解法获得纤维素I型纳米晶，而后经过氢氧化钠溶液处理，得到宽度大于10nm、长度大于200nm的棒状或针状纤维素II型纳米晶；方法三，在冰浴条件下，将浓硫酸缓慢滴加到纤维素的水分散液中，而后加热反应得到透明水解液，再用清水清洗水解液使水解纤维素析出结晶，得到宽度5nm‐10nm、长度大于100nm的棒状纤维素II型纳米晶。前两种方法，本质上属于提取，而第三种方法本质上是纤维素原料降解后小分子纤维素的晶化重构。以上三种纤维素II型纳米晶制备方法具有以下缺点：

第一，在纤维素原料的降解过程中，必须使用高浓度、高倍数(酸液与纤维素原料质量比)硫酸或盐酸。采用硫酸时，酸液浓度高达65％，纤维素与酸液质量比值1:8—1:20，水解反应温度45℃。采用盐酸时，盐酸浓度2.5—6mol/L，纤维素与酸液质量比值1:20—1:60，水解反应温度70‐110℃。高倍数、高浓度强酸的使用，既造成设备严重腐蚀，又产生大量需要无害化处理的工业废水——每获得一份质量的纳米晶产品将产生数百倍乃至数千倍、甚至上万倍质量的工业废水，这些工业废水的无害化处理所需的高昂费用无疑是构成现有纤维素纳米晶生产成本畸高的重要原因。

第二，纤维素纳米晶的表面性质难以控制。表面性质是表征纤维素纳米晶品质的一项关键指标，表面性质的可控性对于其在复合材料中应用和各种功能化衍生品的开发至关重要。多种测试结果均表明现有制备方法获得的棒状、针状、晶须状、球状纤维素纳米晶并非完整的单晶，而是由若干微小纤维素结晶与非晶纤维素共混而成的、内部存在许多晶体缺陷的多晶结构。面对这种多晶结构，即便能通过精确控制物料比、温度、酸度、时间等可操作条件，实现对纤维素纳米晶尺寸和长径比的控制，也无法准确控制产品的结晶度、晶体学缺陷，因而必然导致纳米晶表面性质的不可控性。

纤维素纳米晶问世至今已近70年，也显示出令人期待的应用前景，但依然面临制备成本和产品品质的双重挑战，致使今日纤维素纳米晶的应用仍停留在研究层面。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纤维素II型纳米晶粒子及其制备方法和应用，纤维素II型纳米晶粒子结晶度高、分子量小、分子量分布窄、尺寸分布窄、表面构象明确、表面化学修饰潜力大，可用于催化剂载体、复合材料增强相等用途。

本发明的发明构思：

本发明人为解决现有技术存在的以上所述两个技术问题，利用结构疏松的非晶态纤维素易水解、单晶表面构造明确且性质易于控制等特点，结合有机溶剂对多糖分子结晶行为的调控效应，提出一种全新的纤维素II型纳米晶粒子的制备思路——纤维素原料先进行非晶化重构，再进行晶化酸解，实现纤维素纳米晶材料的高效、清洁生产和品质控制。