CN103643578B - 一种利用n-甲基氧化吗啉与磁性石墨烯的耦合体系制备纳米微晶纤维素的方法 - Google Patents

一种利用n-甲基氧化吗啉与磁性石墨烯的耦合体系制备纳米微晶纤维素的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用N-甲基氧化吗啉与磁性石墨烯的耦合体系制备纳米微晶纤维素的方法，包括以下步骤：用N-甲基氧化吗啉水溶液处理微晶纤维素，使其纤维膨胀，得混合溶液；将混合溶液先用微波处理，接着加入磁性石墨烯搅拌，再进行微波处理，然后加水搅拌，再用磁铁回收磁性石墨烯，溶液沉降分为上下层：取上清液减压蒸馏回收N-甲基氧化吗啉；取下层除去其杂质，冷冻干燥获得纳米微晶纤维素。本发明的优点为将微晶纤维素作原料，来源广泛，提高了天然植物纤维的利用率；将N-甲基氧化吗啉与磁性石墨烯耦合使用，处理得到片段化的纳米微晶纤维素，制备方法简单易行、绿色环保；两种处理剂使用后均可回收利用，降低生产成本。

Description

一种利用N-甲基氧化吗啉与磁性石墨烯的耦合体系制备纳米微晶纤维素的方法
技术领域
本发明涉及一种纳米纤维的制备方法，尤其涉及一种利用N-甲基氧化吗啉与磁性石墨烯的耦合体系制备纳米微晶纤维素的方法，属于生物化工和化学工程领域。
背景技术
纤维素是棉花、木材、亚麻、草类等高等植物细胞壁的主要成分，每年由光合作用可产生几百亿吨，是自然界取之不尽、用之不竭、可降解无污染的可再生资源；但是其作为天然高分子物质，无论在物理形态或是化学性能上存在一些缺陷，例如热溶解性差、不耐化学腐蚀、强度有限等。而纳米微晶纤维素（Nanocrystalline Cellulose,NCC)是指在尺度上至少有一维达到100nm或100nm以下的纤维素，具备小尺寸效应、量子效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，其作为一种高附加值可再生的纳米新材料，现已成为生命科学、材料科学和化学工程领域交叉研究的技术热点，尤其在近十年受到了各国科研人员的高度关注，人们相信将纳米微晶纤维素的这些特性应用于人类生活中的各个领域，必能产生良好的经济效益和社会价值。
目前，人们采用机械、化学或生物学等方法从植物纤维素、细菌纤维素、被囊类动物(tunicate)纤维素中提取出纳米微晶纤维素。尤其是物理机械法、硫酸水解法或者次氯酸钠等降解处理方法较常见于众多的研究纳米微晶纤维素的报道中。尽管采用高压机械解离的方法已经开始进入中等规模的批量生产阶段，然而，动力消耗过大的问题仍然未被解决。尽管硫酸法水解所制备出来的纳米微晶纤维素悬浮液具有高稳定性，然而由于制备过程中需要大量高浓度的硫酸和较高浓度的盐酸，因此容易造成设备的腐蚀以及环境的污染，所以硫酸法水解至今仍然仅局限于实验室研究的阶段，无法进入批量生产的工业化阶段。从制取纳米微晶纤维素的原料分析，通过木材提取纳米微晶纤维素，同样面临与造纸工业一样的环境污染问题；从细菌纤维素中提取纳米微晶纤维素时，面临产量低，生产速率低下的问题；从被囊类动物纤维素中提取纳米微晶纤维素时，也一样面临产量低的问题；从一些纤维素含量低的农产品副产物中提取时，则面临效能低下，以及最终产物的性能较低的问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种成本低廉、绿色环保的利用N-甲基氧化吗啉与磁性石墨烯的耦合体系制备纳米微晶纤维素的方法。
技术方案：本发明所述的利用N-甲基氧化吗啉与磁性石墨烯的耦合体系制备纳米微晶纤维素的方法，包括如下步骤：
（1）用N-甲基氧化吗啉水溶液处理微晶纤维素，使微晶纤维素的纤维膨胀，得到混合溶液；
（2）将混合溶液先用微波处理，接着加入磁性石墨烯搅拌均匀，再进行微波处理，然后加水搅拌均匀，再用磁铁回收磁性石墨烯，溶液自然沉降分为上下层：取上层清液减压蒸馏除去水分，回收N-甲基氧化吗啉；同时收集下层，除去其中的杂质，冷冻干燥获得纳米微晶纤维素。
其中，步骤（1）中，所述N-甲基氧化吗啉水溶液的质量浓度为50%-80%。
所述微晶纤维素与N-甲基氧化吗啉的重量比为1:50-100。
步骤（2）中，加入的磁性石墨烯与N-甲基氧化吗啉的重量比为1:10-100。
所述微波处理的功率为100w-200w，微波时间为1-5min。
加入的水为N-甲基氧化吗啉溶液体积的0.5-3倍。
所述磁性石墨烯为磁性氧化石墨烯。
所述微波处理是在微波合成仪中密闭处理。
所述减压蒸馏时的温度梯度为100-120℃减压蒸馏20min，150-160℃减压蒸馏20min。
使用透析袋透析除去下层中的杂质。
反应机理：质量浓度为50%-80%的N-甲基氧化吗啉水溶液对纤维素的长纤维起到膨胀作用，而磁性氧化石墨烯表面具有磺酸根、盐酸根等活性基团，这些活性基团可以将膨胀的长纤维断裂为小的短片段，因而的到片段化的纳米微晶纤维素。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点为：1、以微晶纤维素为原料，而微晶纤维素可从植物中提取，不仅来源广泛，而且大大提高了天然植物纤维的利用率；2、将N-甲基氧化吗啉与磁性石墨烯耦合使用，处理得到片段化的纳米微晶纤维素，且制备方法简单易行、绿色环保、无污染；3、N-甲基氧化吗啉与磁性石墨烯处理后均可以回收再利用，降低纳米微晶纤维素的生产成本。
附图说明
图1为采用本发明方法制备的纳米微晶纤维素SEM表面形貌图（放大倍数10000倍）。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1：
首先，在500ml的三口烧瓶中将1g微晶纤维素加入到100g质量浓度为50%N-甲基氧化吗啉水溶液中，60℃保温搅拌处理30min，使微晶纤维素的纤维膨胀，得到N-甲基氧化吗啉与膨胀纤维素的混合溶液；
接着，用微波合成仪密闭处理该混合溶液，其中，微波为100w，处理时间为5min。然后5g加入磷酸氢根类磁性石墨烯，搅拌均匀，再用100w微波处理5min后加入N-甲基氧化吗啉溶液体积50%的水，搅拌均匀，然后让液体流过磁性管道，磁性氧化石墨烯可以完全回收。得到的悬浮液自然沉降分为上下层：取上层清液10000r/min离心5min，100℃减压蒸馏20min，除去水分。150℃减压蒸馏30min，N-甲基氧化吗啉升华，将升华的气体通入去离子水，可回收N-甲基氧化吗啉；同时收集下层固体，使用透析袋透析除去其中的杂质，冷冻干燥获得纳米微晶纤维素。
实施例2：
首先，在500ml的三口烧瓶中取1g微晶纤维素加入到质量浓度为125g80%N-甲基氧化吗啉水溶液处理，70℃保温搅拌处理15min，使微晶纤维素的纤维膨胀，得到N-甲基氧化吗啉与膨胀纤维素的混合溶液；
接着，用微波合成仪密闭处理该混合溶液，其中，微波为200w，处理时间为1min。然后加入1g磁性氧化石墨烯，搅拌均匀，再用200w微波处理1min后加入与N-甲基氧化吗啉溶液等体积的水，搅拌均匀，然后让液体流过磁性管道，磁性氧化石墨烯可以完全回收。得到的悬浮液自然沉降分为上下层：取上层清液10000r/min离心5min，120℃减压蒸馏20min，除去水分。160℃减压蒸馏30min，，N-甲基氧化吗啉华，将升华的气体通入去离子水，可回收N-甲基氧化吗啉；同时收集下层固体，使用透析袋透析除去其中的杂质，冷冻干燥获得纳米微晶纤维素。
实施例3：
首先，在500ml的三口烧瓶中取1g微晶纤维素加入到质量浓度为100g70%N-甲基氧化吗啉水溶液处理，65℃保温搅拌处理20min，使微晶纤维素的纤维膨胀，得到N-甲基氧化吗啉与膨胀纤维素的混合溶液；
接着，用微波合成仪密闭处理该混合溶液，其中，微波为150w，处理时间为3min。然后加入5g磁性氧化石墨烯，搅拌均匀，再用150w微波处理3min后加入与N-甲基氧化吗啉溶液3倍体积的水，搅拌均匀，然后让液体流过磁性管道，磁性氧化石墨烯可以完全回收。得到的悬浮液液自然沉降分为上下层：取上层清液10000r/min离心5min，110℃减压蒸馏20min，除去水分，155℃减压蒸馏30min，N-甲基氧化吗啉华，将升华的气体通入去离子水，可回收N-甲基氧化吗啉；同时收集下层固体，使用透析袋透析除去其中的杂质，冷冻干燥获得纳米微晶纤维素。
实施例4：
为表征纳米纤维素表面形状，用扫描电子显微镜（SEM）测定实施例1-3制备的纳米微晶纤维素。图1为纳米纤维素的SEM表面形貌图，表面形貌分析结果显示，本发明方法制备的纤维素至少有一维可达到纳米尺度，观测到纳米纤维素呈颗粒状，直径由50nm到110nm不等。

Claims (9)

1.一种利用N-甲基氧化吗啉与磁性氧化石墨烯的耦合体系制备纳米微晶纤维素的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)用N-甲基氧化吗啉水溶液处理微晶纤维素，使微晶纤维素的纤维膨胀，得到混合溶液；
(2)将混合溶液先用微波处理，接着加入磁性氧化石墨烯搅拌均匀，再进行微波处理，然后加水搅拌均匀，再用磁铁回收磁性氧化石墨烯，溶液自然沉降分为上下层：取上层清液减压蒸馏除去水分，回收N-甲基氧化吗啉；同时收集下层，除去其中的杂质，冷冻干燥获得纳米微晶纤维素。
2.根据权利要求1所述的利用N-甲基氧化吗啉与磁性氧化石墨烯的耦合体系制备纳米微晶纤维素的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述N-甲基氧化吗啉水溶液的质量浓度为50％-80％。
3.根据权利要求1所述的利用N-甲基氧化吗啉与磁性氧化石墨烯的耦合体系制备纳米微晶纤维素的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述微晶纤维素与N-甲基氧化吗啉的重量比为1:50-100。
4.根据权利要求1所述的利用N-甲基氧化吗啉与磁性氧化石墨烯的耦合体系制备纳米微晶纤维素的方法，其特征在于：步骤(2)中，加入的磁性氧化石墨烯与N-甲基氧化吗啉的重量比为1:10-100。
5.根据权利要求1所述的利用N-甲基氧化吗啉与磁性氧化石墨烯的耦合体系制备纳米微晶纤维素的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述微波处理的功率为100w-200w，微波时间为1-5min。
6.根据权利要求1所述的利用N-甲基氧化吗啉与磁性氧化石墨烯的耦合体系制备纳米微晶纤维素的方法，其特征在于：步骤(2)中，加入的水为N-甲基氧化吗啉溶液体积的0.5-3倍。
7.根据权利要求1所述的利用N-甲基氧化吗啉与磁性氧化石墨烯的耦合体系制备纳米微晶纤维素的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述微波处理是在微波合成仪中密闭处理。
8.根据权利要求1所述的利用N-甲基氧化吗啉与磁性氧化石墨烯的耦合体系制备纳米微晶纤维素的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述减压蒸馏时的温度梯度为100-120℃减压蒸馏20min，150-160℃减压蒸馏20min。
9.根据权利要求1所述的利用N-甲基氧化吗啉与磁性氧化石墨烯的耦合体系制备纳米微晶纤维素的方法，其特征在于：步骤(2)中，使用透析袋透析除去下层中的杂质。
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