CN106065081A - 一种高分散纳米纤维素胶的制备方法及所得产品和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高分散纳米纤维素胶的制备方法及所得产品和应用，步骤是：将椰果超微粉碎成糊状，水洗除杂，得初步除杂的纳米细菌纤维素乳液；向初步除杂后的纳米细菌纤维素乳液中加入带有羟基自由基的分散除杂剂进行处理，处理后再次水洗除杂；将再次除杂后的纳米细菌纤维素乳液脱水至纳米细菌纤维素含量为0.5%‑10%，得高分散纳米纤维素胶。本发明方法简单、成本低、绿色环保,所得高分散纳米细菌纤维素胶分散性好，可做为涂料、橡胶、海绵、食品、医药材料等的高性能改性剂来改善产品结构和提高产品理化性能，从而拓展了纳米细菌纤维素在工业方面的应有范围，提高了椰果的附加值，有利于促进我国椰果加工及其相关产业的发展。

Description

一种高分散纳米纤维素胶的制备方法及所得产品和应用
技术领域
本发明涉及一种高分散纳米纤维素胶的制备方法及所得产品和应用，具体涉及一种以椰果或压缩椰果为原料制备高分散纳米纤维素胶的方法及所得产品和应用。
背景技术
椰果（nata）是由木醋杆菌发酵而成的一种具有独特凝胶结构的纳米细菌纤维素。纳米细菌纤维素(nano bacterial cellulose) 是由直径1.78nm的微纤丝、通过氢键连接成直径为3-4nm的微纤丝束、然后由微纤丝束相互缠绕进一步形成的一定长度的纳米纤维丝带，其厚度一般为3-8nm，纤维丝带之间相互交织，形成三维网状多孔结构。由于纳米细菌纤维素具有优异的分子取向性、显著的稳定性、优良的机械性能以及较高的结晶度而受到广泛关注，纳米细菌纤维素及其衍生物在造纸、纺织、食品、涂料、过滤膜和医疗材料等领域得到广泛应用。
将椰果的三维网状多孔结构分散、解离，使其成为无序的纳米细菌纤维素短纤维是其与植物纤维、天然橡胶、聚乙烯醇等高分子材料制备复合材料的关键步骤，而纳米细菌纤维素的分散程度和分散体的稳定性直接影响到对纳米细菌纤维素的有效利用。如果纳米细菌纤维素分散不佳，纤维素分子链上的羟基就会发生氢键缔合从而被封装在纤维束内部，这将影响纤维素与复合材料之间的氢键结合，而且其分散不佳还会导致凝聚现象严重，从而阻碍与复合材料的结合，降低复合材料的理化性能。目前对于纳米细菌纤维素的分散主要采用酸碱处理分散、超声分散、机械匀浆分散等方法。酸碱处理分散降低了纳米细菌纤维素的结晶度，且产生大量的污染；超声分散、机械匀浆分散制备的纳米细菌纤维素长时间放置仍然会有沉淀、悬浮现象，且超声分散、机械匀浆不能将蛋白、脂肪、菌体等杂质去除，所得的纳米细菌纤维素长期放置会有异味，影响其应用。此外，经充分分散的纳米细菌纤维具有较高的表面能，在水介质中容易发生絮聚，影响细菌纤维分散体稳定,从而限制了纳米细菌纤维素在工业方面的广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种高分散纳米纤维素胶的制备方法及所得高分散纳米纤维素胶，该方法工艺简单、成本低、绿色环保,所得纳米纤维素胶加入水中能快速分散成均匀的纳米纤维素乳液，分散性高，可做为纸张、涂料、橡胶、海绵、食品、医药材料、纺织品等的高性能改性剂，改善产品结构、提高产品理化性能，拓展了纳米细菌纤维素的应用范围，提高了椰果的附加值，有利于促进我国椰果加工及其相关产业的发展。
本发明的另一目的是提供该高分散纳米纤维素胶作为纸张、涂料、橡胶、海绵、食品、医药材料、纺织品等的改性剂的应用。
本发明具体技术方案如下：
一种高分散纳米纤维素胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）将椰果超微粉碎成糊状，得纳米细菌纤维素乳液；
（2）将纳米细菌纤维素乳液放入过滤装置中，加水洗至中性，完成初步除杂；
（3）向初步除杂后的纳米细菌纤维素乳液中加入带有羟基自由基的分散除杂剂进行处理，处理后再放入过滤装置中，加水洗至中性，完成再次除杂；
（4）将再次除杂后的纳米细菌纤维素乳液脱水至纳米细菌纤维素含量为0.5%-10%，得高分散纳米纤维素胶。
本发明以椰果为原料，通过粉碎、分散等操作得到分散性好的纳米纤维素胶。上述步骤（1）中，先将椰果粉碎至粒度≤300μm，在该粒度范围内椰果呈糊状，便于后续的分散除杂处理，使纳米细菌纤维素能更好的分散、解离成纳米短纤维。所用椰果为新鲜椰果或压缩椰果，其中的纳米细菌纤维素含量约0.5%-5%。椰果使用液体超微粉碎机等粉碎装置粉碎至规定粒度，在椰果进行粉碎前，需要进行水洗除杂，以将其表面的杂质去除。当使用压缩椰果时，还需要将其先进行复水，再水洗除杂。
上述步骤（1）中，椰果加入粉碎装置进行粉碎时，最好先切割成条状或方状，这样更利于粉碎。
上述方法进行两次水洗除杂，第一次为步骤（2），第二次为步骤（3），两次除杂均是通过水洗的方式将杂质从细菌纤维素乳液中除去，杂质随着水进入滤液中，完成除杂。除杂所用的过滤装置优选采用滤布式过滤装置，所用滤布优选采用多层纤维材质制成，这样除杂效果更好，也能避免纳米细菌纤维素的损失。
进一步的，步骤（2）过滤所得的滤液中含有杂质，直接排放对环境造成污染，优选将步骤（2）和（3）过滤产生的滤液混合，利用步骤（3）中的羟基自由基对步骤（2）滤液中的杂质进行氧化降解处理，废液充分利用，更利于环保。
上述步骤（3）中，分散除杂剂带有羟基自由基，具有氧化、降解有机物的作用，能降低细菌纤维素纤维间的氢键活性，在纤维表面生成部分羧基，增大纤维的亲水性，从而提高其在水中的分散性和分散的稳定性，同时分散除杂剂能将纤维上的蛋白、脂肪等有机物杂质降解除去，提高了产品的纯度，避免了这些有机杂质的异味对应用造成的不良影响。分散除杂后，将纳米细菌纤维素乳液进行水洗除杂，洗去降解的有机物杂质和分散除杂剂，进一步提高产品纯度。
进一步的，所述分散除杂剂为双氧水或臭氧。双氧水中的过氧化氢或臭氧的用量为纳米细菌纤维素乳液质量的0.5%-10%。
进一步的，分散除杂剂进行处理的方式是：向初步除杂后的纳米细菌纤维素乳液中加入分散除杂剂，在室温下处理3h～5d（天）,纳米细菌纤维素乳液颜色呈现乳白色。
进一步的，分散除杂剂优选为碱性双氧水，所述碱性双氧水为pH为碱性的双氧水。当分散除杂剂为碱性双氧水时，可以大大缩减处理时间，在室温下处理3h即可满足要求，而使用中性双氧水和臭氧时的处理时间需要1-5d。碱性双氧水可以采用向双氧水中加碱调节pH的方式得到。
上述步骤（4）中，通过脱水的方式将纳米细菌纤维素的浓度控制在0.5-10%，例如1-10%、2-10%、3-10%、5-10%、7-10%。浓度越低，越利于分散，但是会增加运输成本，浓度过高，产品分散不佳，影响应用。在此范围内，不仅提高了纳米细菌纤维素纯度，增加了其含量，减轻了运输成本，产品中的纳米细菌纤维素也能快速的分散到水中，不会絮聚、成粒。
进一步的，为了便于运输和储存，还可以包括将步骤（4）制得的高分散细菌纤维素胶高温灭菌后密封包装的步骤。这样处理的产品可以直接销售，保质期限长，便于运输、储存和使用。
进一步的，在105-120℃下进行高温灭菌。
按照上述方法所得的高分散纳米纤维素胶也在本发明保护范围之内。该产品为白色、纳米细菌纤维素含量为0.5-10%，其他成分主要为水。本发明所得产品分散性好，在使用时，加水搅拌能快速分散形成纳米细菌纤维素乳液，均匀稳定，无絮聚现象。因其高分散性和在水中的良好的稳定性，该高分散纳米纤维素胶可以作为纸张、海绵、食品、医药材料、橡胶、纺织品等的改性剂，拓宽了细菌纤维素的应用。
本发明以新鲜的椰果或压缩椰果为原料，先进行粉碎得糊状纳米细菌纤维素乳液、然后经初步除杂后用带有羟基自由基的分散除杂剂进行处理，对纳米细菌纤维素进行处理，处理后再次进行水洗除杂，然后脱水至纳米细菌纤维素至一定浓度，得高分散纳米纤维素胶。该方法工艺简单、成本低、绿色环保，所得纳米纤维素胶杂质少、纳米细菌纤维素分散性好、稳定性高，可做纸张、海绵、食品、医药材料、橡胶和纺织品等的改性剂，改善产品结构、提高产品理化性能，拓展了纳米细菌纤维素在工业方面的应用范围，提高了椰果的附加值，有利于促进我国椰果加工及其相关产业的发展。
附图说明
图1为本发明高分散纳米纤维素胶制备工艺流程图。
图2 为本发明高分散纳米纤维素胶产品。
图3为本发明高分散纳米纤维素胶在水中分散的效果图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行进一步说明，下述说明仅是示例性的，并不对其内容进行限定。
实施例1
1、原料：取压缩椰果果片，加自来水复水、洗涤、除去椰果表面杂物，得纳米纤维素含量约1%的椰果果片。
2、切割粉碎：利用切割机切割成条状，加入到液体超微粉碎机中粉碎成糊状，得到物料粒度约10μm的纳米细菌纤维素乳液。
3、过滤：将纳米细菌纤维素乳液转移到多层纤维滤布过滤装置中，使用自来水洗涤至中性，完成初步除杂。
4、分散除杂：将初步除杂的纳米细菌纤维素乳液转移到分散除杂处理池中，加入双氧水至H2O2含量为纳米细菌纤维素乳液质量的0.5%，室温处理3d。
5过滤：将分散除杂处理后的纳米细菌纤维素乳液转移至多层纤维滤布过滤装置中，加自来水过滤洗去双氧水及其他杂质，并使用纯水洗涤3次至中性，完成再次除杂。脱水至纳米细菌纤维素含量为2%，得白色高分散纳米纤维素胶。此步所得滤液与步骤3中的滤液混合转移到污水处理池中，利用未反应的双氧水氧化处理污水。
6包装：将纳米纤维素胶在105℃高温灭菌，密封包装得含量为2%纳米细菌纤维素的高分散纳米纤维素胶成品，如图2所示。将该成品加入水中搅拌，纳米纤维素胶能快速均匀的分散在水中，无絮聚现象，见图3。
实施例2
1、原料：取新鲜椰果用自来水洗涤、除去椰果表面杂物，得椰果果片。
2、切割粉碎：利用切割机将椰果果片切割成条状，加入到液体超微粉碎机中粉碎成糊状，得物料粒度约50μm的纳米细菌纤维素乳液。
3、过滤：将纳米细菌纤维素乳液转移到多层纤维滤布过滤装置中，使用自来水洗涤至中性，完成初步除杂。
4、分散除杂：将初步除杂的纳米细菌纤维素乳液转移到分散除杂处理池中，间歇通入臭氧，使臭氧的用量为纳米细菌纤维素质量的0.5%，室温处理1天。
5过滤：将分散除杂后的纳米细菌纤维素乳液转移到多层纤维滤布过滤装置中，加自来水过滤除去臭氧及其他杂质，再使用纯水洗涤3次至中性，完成再次除杂。脱水至纳米细菌纤维素含量为3%，得白色高分散纳米纤维素胶。此步所得滤液与步骤3中的滤液混合转移到污水处理池中利用未反应的臭氧氧化处理污水。
6包装：将纳米纤维素胶在110℃高温灭菌，密封包装得纳米细菌纤维素含量为3%的高分散纳米纤维素胶成品。将该成品加入水中搅拌，纳米纤维素胶能快速均匀的分散在水中，无絮聚现象。
实施例3
1、原料：取压缩椰果果片，加自来水复水、洗涤、除去椰果表面杂物，得纳米细菌纤维素含量约2%的椰果果片。
2、切割粉碎：利用切割机切割成方状，加入到液体超微粉碎机中粉碎成糊状，得物料粒度约100μm的纳米细菌纤维素乳液。
3、过滤：将糊状纳米细菌纤维素乳液转移至多层纤维滤布过滤装置中，使用自来水洗涤至中性，完成初步除杂。
4、分散除杂：将初步除杂的纳米细菌纤维素乳液转移到分散除杂处理池，加入双氧水至H2O2含量为纳米细菌纤维素乳液质量的4%，室温处理2d。
5过滤：将分散除杂处理后的纳米细菌纤维素乳液转移到多层纤维滤布过滤装置中，加自来水过滤除去双氧水及其他杂质，再使用纯水洗涤3次至中性，完成再次除杂。脱水至纳米细菌纤维素含量为7%，得白色高分散纳米纤维素胶。将此步滤液与步骤3中的滤液混合转移到污水处理池中，利用未反应的双氧水氧化处理污水。
6包装：将纳米纤维素胶在115℃高温灭菌，密封包装得纳米细菌纤维素含量为4%的高分散纳米纤维素胶成品。将该成品加入水中搅拌，纳米纤维素胶能快速均匀的分散在水中，无絮聚现象。
实施例4
1、原料：取压缩椰果果片，加自来水复水、洗涤、除去椰果表面杂物，得纳米纤维素含量约3%的椰果果片。
2、切割粉碎：利用切割机切割成方状，加入到液体超微粉碎机中粉碎成糊状，得物料粒度约200μm的纳米细菌纤维素乳液。
3、过滤：将糊状纳米纤维素乳液转移至多层纤维滤布过滤装置中，使用自来水洗涤至中性。
4、分散除杂：将纳米细菌纤维素乳液转移到分散除杂处理池，加入pH=10的碱性双氧水调节H2O2含量为纳米细菌纤维素乳液质量的1%，室温处理3h。
5过滤：将分散除杂处理后的纳米细菌纤维素乳液转移到多层纤维滤布过滤装置中，加自来水过滤除去双氧水及其他杂质，再使用纯水洗涤3次至中性，完成再次除杂。脱水至纳米细菌纤维素含量为5%，得白色纳米纤维素胶。将此步滤液与步骤3中的滤液混合转移到污水处理池中，利用未反应的双氧水氧化处理污水。
6包装：将纳米纤维素胶在120℃高温灭菌，密封包装得含量为5%纳米细菌纤维素的高分散纳米纤维素胶成品。将该成品加入水中搅拌，纳米纤维素胶能快速均匀的分散在水中，无絮聚现象。
实施例5
1、原料：取压缩椰果果片，加自来水复水、洗涤、除去椰果表面杂物，得纳米纤维素含量约2%的椰果果片。
2、切割粉碎：利用切割机切割成方状，加入到液体超微粉碎机中粉碎成糊状，得物料粒度约10μm的纳米细菌纤维素乳液。
3、过滤：将糊状纳米纤维素乳液转移至多层纤维滤布过滤装置中，使用自来水洗涤至中性。
4、分散除杂：将纳米细菌纤维素乳液转移到分散除杂处理池，加入pH>9的碱性双氧水调节H2O2含量含量为纳米细菌纤维素乳液质量的10%，室温处理3h。
5过滤：将分散除杂处理后的纳米细菌纤维素乳液转移到多层纤维滤布过滤装置中，加自来水过滤除去双氧水及其他杂质，再使用纯水洗涤3次，完成再次除杂。脱水至纳米细菌纤维素含量为10%，得白色纳米细菌纤维素胶。将此步滤液与步骤3中的滤液混合转移到污水处理池中，利用未反应的双氧水氧化处理污水。
6包装：将纳米纤维素胶在115℃高温灭菌，密封包装得含量为10%纳米细菌纤维素的高分散纳米纤维素胶成品。将该成品加入水中搅拌，纳米纤维素胶能快速均匀的分散在水中，无絮聚现象。
对比例1
按照实施例1的方法制备纳米细菌纤维素胶成品，不同的是：步骤2中将椰果粉碎至粒度约500μm。
对比例2
按照实施例1的方法制备纳米细菌纤维素胶成品，不同的是：步骤4分散除杂按照以下方式进行：将初步除杂的纳米细菌纤维素乳液转移到分散除杂处理池中，加入pH=5的过硫酸铵至其含量为纳米细菌纤维素乳液质量的2%，室温处理3天。
对比例3
按照实施例1的方法制备纳米细菌纤维素胶成品，不同的是：步骤5中脱水至纳米细菌纤维素含量为20%再进行包装。
为了验证所得产品的性能，进行以下实验：
取上述实施例和对比例所得的产品100g，分别加入到500ml水中，按照相同的搅拌速度快速搅拌，至产品在水中均匀分散成乳液，记录产品均匀分散所需的时间、静置两天后的分散状态以及气味变化，结果如下表1所示。

Claims (10)

1.一种高分散纳米纤维素胶的制备方法，其特征是包括以下步骤：
（1）将椰果超微粉碎成糊状，得纳米细菌纤维素乳液；
（2）将纳米细菌纤维素乳液放入过滤装置中，加水洗至中性，完成初步除杂；
（3）向初步除杂后的纳米细菌纤维素乳液中加入带有羟基自由基的分散除杂剂进行处理，处理后再放入过滤装置中，加水洗至中性，完成再次除杂；
（4）将再次除杂后的纳米细菌纤维素乳液脱水至纳米细菌纤维素含量为0.5%-10%，得高分散纳米纤维素胶。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：步骤（1）中，将椰果粉碎至粒度≤300μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：步骤（3）中，所述分散除杂剂为双氧水或臭氧，优选为碱性双氧水，所述碱性双氧水为pH为碱性的双氧水。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是：步骤（3）中，双氧水中的过氧化氢或臭氧的用量为纳米细菌纤维素乳液质量的0.5%-10%；加入分散除杂剂后，在室温下处理3h～5d。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：步骤（1）中，采用液体超微粉碎机进行粉碎；步骤（2）和（3）中，采用滤布过滤装置进行过滤，所述滤布优选由多层纤维材质组成。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：将步骤（2）和（3）中过滤、水洗产生的滤液混合，利用未分解的分散除杂剂对步骤（2）的滤液进行氧化降解处理。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征是：为了延长高分散纳米纤维素胶的寿命，还包括将高分散纤维素胶高温灭菌包装的步骤。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是：高温灭菌温度为105-120℃。
9.按照权利要求1-8中任一项所述的高分散纳米纤维素胶的制备方法制得的高分散纳米纤维素胶。
10.权利要求9所述的高分散纳米纤维素胶作为纸张、海绵、食品、医药材料、橡胶或纺织品改性剂的应用。
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