本發(fā)明屬于納米材料制備領(lǐng)域，特別涉及一種高長(zhǎng)徑比纖維素納米纖維的制備方法。

技術(shù)背景

由于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的需要，以天然可再生資源為基礎(chǔ)的生物可降解材料是近年來研究的熱點(diǎn)。纖維素納米纖維來源于天然纖維素，不僅具有天然纖維素儲(chǔ)量豐富、廉價(jià)易得、可再生、可生物降解等優(yōu)點(diǎn)還具有高強(qiáng)度、高楊氏模量、高比表面積、高透明性等特點(diǎn)。其在增強(qiáng)復(fù)合材料、過濾材料、模板材料、光學(xué)材料、電子器件等方面均有廣泛的應(yīng)用。

纖維素納米纖維的制備方法通常有強(qiáng)酸水解法、高壓勻質(zhì)法等。強(qiáng)酸水解法通過強(qiáng)酸水解掉纖維素的無定形區(qū)域，保留具有規(guī)整結(jié)構(gòu)的結(jié)晶區(qū)，得到長(zhǎng)徑比較小、具有高結(jié)晶度的棒狀或須狀纖維素納米纖維。此法存在后處理困難、產(chǎn)率低、對(duì)設(shè)備要求高、污染環(huán)境等問題。高壓勻質(zhì)法需要利用用高壓勻質(zhì)機(jī)對(duì)纖維素進(jìn)行多次高壓勻質(zhì)處理，此法對(duì)設(shè)備要求高、能耗巨大而且制備的纖維素納米纖維粒徑并不均一。因此，有必要尋找一種低能耗、環(huán)保高效、操作簡(jiǎn)單的纖維素納米纖維的制備方法。

目前國(guó)內(nèi)公開的纖維素納米纖維的制備方法所得產(chǎn)物多為棒狀或針狀，長(zhǎng)徑比較低，限制了其在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明針對(duì)目前纖維素納米纖維制備領(lǐng)域存在的不足，提供了一種低能耗、高效環(huán)保、操作簡(jiǎn)單的纖維素納米纖維的制備方法，制備得到一種性能優(yōu)良、具有高長(zhǎng)徑比的纖維素納米纖維。

技術(shù)方案：本發(fā)明的技術(shù)解決方案為

一種高長(zhǎng)徑比纖維素納米纖維懸浮液的制備方法，包括以下步驟：將纖維素原料與N-甲基嗎啉-N-氧化物水溶液混合，所述纖維素原料與N-甲基嗎啉-N-氧化物水溶液的質(zhì)量比為1:50-1:20，得到分散有纖維素原料的N-甲基嗎啉-N-氧化物水溶液；在一定溫度，攪拌速度300-800r/min的條件下，對(duì)上述分散有纖維素原料的N-甲基嗎啉-N-氧化物水溶液進(jìn)行溶脹處理，再加入去離子水，使溶脹液稀釋至10-20倍體積，得到稀釋液；再將稀釋液進(jìn)行超聲波分散，并用去離子水離心洗滌得到高長(zhǎng)徑比的纖維素納米纖維懸浮液。

上述纖維素原料為棉纖維、麻纖維、木漿纖維、竹纖維。

N-甲基嗎啉-N-氧化物水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%-80%。

纖維素原料進(jìn)行溶脹處理時(shí)，溫度為60-110℃，溶脹時(shí)間為1-5h。

超聲處理時(shí)超聲功率為800-1000W，超聲時(shí)間為1-3h。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢(shì)

(1)由于N-甲基嗎啉-N-氧化物水溶液對(duì)纖維素具有溶脹作用，因此，本發(fā)明采用N-甲基嗎啉-N-氧化物水溶液對(duì)纖維素進(jìn)行溶脹處理后，纖維素結(jié)構(gòu)松散，原纖間距變大，分散性大大提高，只需要短時(shí)間超聲就可以使纖維素裂纖至納米級(jí)別，從而大大降低了能耗。

(2)本發(fā)明制備的纖維素納米纖維直徑約30nm,長(zhǎng)度約幾微米,長(zhǎng)徑比較高(>100)，而纖維素納米纖維的長(zhǎng)徑比越大，其用途越廣泛。例如用纖維素納米纖維與聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合，纖維素納米纖維的長(zhǎng)徑比越大，納米復(fù)合材料的拉伸性能和透光性能越好，熱膨脹系數(shù)越低。

(3) 纖維素溶脹及超聲條件溫和、易于控制，不需要特殊的加工設(shè)備，且物理裂纖完成后只需要簡(jiǎn)單低速離心即可將溶劑分離出來，得到的纖維素納米纖維的純度高。

(4)本發(fā)明采用純物理法處理纖維素。減少了化學(xué)試劑的使用，而且N-甲基嗎啉-N-氧化物水溶液可以回收循環(huán)利用。綠色環(huán)保而且操作簡(jiǎn)單安全，產(chǎn)物產(chǎn)率較高。可產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)生態(tài)效益。

附圖說明

圖1是按實(shí)施例1制得纖維素納米纖維的掃描電鏡圖。

圖2是按實(shí)施例1制得纖維素納米纖維的透射電鏡圖。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例為本發(fā)明的一些舉例，不應(yīng)被看做是對(duì)本發(fā)明的限定。

實(shí)施例1：

稱取0.25g棉漿粕和9.75g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為76%的N-甲基嗎啉-N-氧化物水溶液混合加入到50ml圓底燒瓶中。在溫度為100℃，攪拌速度為400r/min的條件下，將混合液溶脹4h。再加入去離子水，使溶脹液稀釋至15倍體積，得到稀釋液；再將稀釋液進(jìn)行超聲波分散，超聲功率為1000W，超聲時(shí)間為1h，每工作2s間歇2s超聲過程中使用冰水浴防止溫度過高破壞纖維素結(jié)構(gòu)。再用去離子水將超聲后的溶液在2000r/min的條件下離心洗滌2次，得到高長(zhǎng)徑比的纖維素納米纖維懸浮液。

實(shí)施例2：

稱取0.5g棉漿粕和20g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為76%的N-甲基嗎啉-N-氧化物水溶液混合加入到50ml圓底燒瓶中。在溫度為110℃，攪拌速度為400r/min的條件下，將混合液溶脹3h。再加入去離子水，使溶脹液稀釋至15倍體積，得到稀釋液；再將稀釋液進(jìn)行超聲波分散，超聲功率為1000W，超聲時(shí)間為1h，每工作2s間歇2s超聲過程中使用冰水浴防止溫度過高破壞纖維素結(jié)構(gòu)。再用乙醇、去離子水將超聲后的溶液在400r/min的條件下離心洗滌2次，得到高長(zhǎng)徑比的纖維素納米纖維懸浮液。