一种纤维素纳米纤丝及其绿色制备方法和应用

本发明属于生物高分子材料，具体涉及到一种纤维素纳米纤丝及其绿色制备方法和应用。

背景技术：

1、随着社会经济持续快速发展，化石能源日益短缺问题日益突出，因此急需开发可再生和可降解的可持续性材料进而缓解当前的环境和能源危机。麦麸，是小麦加工过程的副产物，麦麸中纤维素含量丰富，然而，目前其主要被用作动物饲料或农村燃料，附加值较低，导致巨大的资源浪费。因此，实现麦麸的有效利用，提高麦麸的附加值对缓解环境问题、提高经济效益具有重要意义。纤维素是自然界中最为丰富的天然高分子，广泛存在于植物细胞壁中。纤维素因来源丰富、价格低廉、可再生、且具有生物可降解性及生物相容性等而被广泛地应用在材料、化工、食品、医药、环境等领域。

2、纤维素经物理或化学处理后得到的纤维素纳米纤丝(英文名称为cellulosenanofibril，简写为cnf)是一种纤丝状的纳米纤维素，通常由木材或其他植物纤维经机械或化学和机械联合处理制备得到直径为纳米级，长度为微米级的纤维素材料。纳米纤维素的原料来源广泛，可从木材、农业副产物和废纸等纤维素含量丰富的原料中提取；具有高表面积、高长径比、高抗杨氏模量、高强度和生物可降解性等优点；使其能够赋予材料新的性质，能够广泛应用于食品包装、涂料、造纸、3d打印、化妆品、聚合物增强和其他一些新兴功能性材料领域。

3、cnf的制备方法有许多种，目前多采用物理方法即在机械力作用下将纤维素纤丝化处理制备cnf，但机械法处理的能耗较大，制备出的cnf粒径不均一且分散性较差。为此，国内外学者研究出一系列化学或生物处理预处理方法，包括tempo催化氧化、羧甲基化法和酶水解法等。但是仍然存在以下问题：酶水解法处理过程中所需酶解时间较长，且酶的价格高昂；tempo催化所使用的催化剂价格昂贵且不易回收再利用；羧甲基化法制备过程中需要使用大量有机试剂，易对环境造成污染。

4、因此，开发一种植物基纳米纤维素纤丝及其绿色制备方法，对于缓解环境污染和能源危机具有重要意义。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

3、因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种纤维素纳米纤丝。

4、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：所述纳米纤维素纤丝由低共熔溶剂协同芬顿试剂对植物原料进行预处理后，经过高强度超声处理得到，其中：

5、(i)所述植物基纳米纤维素纤丝表面羧基含量>0.4mmol/g；

6、(ii)所述植物基纳米纤维素纤丝的结晶度>50％；

7、(iii)所述植物基纳米纤维素纤丝悬浮液zeta电位＜-35mv。

8、本发明的另一目的是，克服现有技术中的不足，提供一种纤维素纳米纤丝的绿色制备方法。

9、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：包括，

10、除去脂质和淀粉的植物原料加入低共熔溶剂、芬顿试剂，在80℃下搅拌后进行离心，之后使用去离子水洗涤沉淀，使ph为7，将沉淀在0℃冰浴中进行超声处理，得到植物基纤维素纳米纤丝。

11、作为本发明所述的植物基纳米纤维素纤丝的绿色制备方法一种优选方案，其中：所述低共熔溶剂为草酸与氯化胆碱混合而成，其中草酸与氯化胆碱的摩尔比为1:1～3。

12、作为本发明所述的植物基纳米纤维素纤丝的绿色制备方法一种优选方案，其中：所述植物原料与低共熔溶剂的料液比为1:10～100。

13、作为本发明所述的植物基纳米纤维素纤丝的绿色制备方法一种优选方案，其中：所述芬顿试剂为h2o2和feso4·7h2o组成，每1g低共熔溶剂需加入0.25～1mmol的h2o2和0.45～1.8μmol的feso4·7h2o。

14、作为本发明所述的植物基纳米纤维素纤丝的绿色制备方法一种优选方案，其中：所述加热为80～90℃油浴加热。

15、作为本发明所述的植物基纳米纤维素纤丝的绿色制备方法一种优选方案，其中：所述搅拌的时间为2～3h。

16、作为本发明所述的植物基纳米纤维素纤丝的绿色制备方法一种优选方案，其中：所述超声功率为300w，频率20khz，超声强度10w/ml。

17、作为本发明所述的植物基纳米纤维素纤丝的绿色制备方法一种优选方案，其中：所述超声时间持续10～30min，且每超声2s间歇1s。

18、本发明的又一目的是，克服现有技术中的不足，提供一种纤维素纳米纤丝在制备可降解的纳米纤维素薄膜中的应用。

19、本发明有益效果：

20、(1)本发明制备的纳米纤维素纤丝表面羧基含量>0.4mmol/g，结晶度为原材料结晶度的3倍以上，具有较好的热稳定性和分散性，悬浮液zeta电位＜-35mv，稳定性极高。

21、(2)本发明制备的纳米纤维素纤丝应用于纳米纤维素薄膜，可显著提高薄膜的断裂伸长率等机械性能，并且可以赋予薄膜良好的水稳定性和生物降解性，使其能够在土壤中自然降解，可作为一种环保的材料。为麦麸的高附加值开发利用提供理论依据。

22、(3)本发明与传统酶水解预处理、无机酸水解预处理、羧甲基化预处理、tempo催化氧化预处理相比，耗时短，无大量废液产出，低共熔溶剂绿色环保并且可通过旋蒸等方法回收，在保证效果的同时可循环使用7次以上，对环境友好，符合绿色化学的生产标准，具备良好的实际应用价值；与机械预处理相比，节能降耗且获得的cnfs产品性质优良。

技术特征：

1.一种植物基纳米纤维素纤丝，其特征在于：所述纳米纤维素纤丝由低共熔溶剂协同芬顿试剂对植物原料进行预处理后，经过高强度超声处理得到，其中：

2.如权利要求1所述的植物基纳米纤维素纤丝的绿色制备方法，其特征在于：包括，

3.如权利要求2所述的一种植物基纤维素纳米纤丝的绿色制备方法，其特征在于：所述低共熔溶剂为草酸与氯化胆碱混合而成，其中草酸与氯化胆碱的摩尔比为1:1～3。

4.如权利要求2所述的一种植物基纤维素纳米纤丝的绿色制备方法，其特征在于：所述植物原料与低共熔溶剂的料液比为1:10～100。

5.如权利要求2所述的一种植物基纤维素纳米纤丝的绿色制备方法，其特征在于：所述芬顿试剂为h2o2和feso4·7h2o组成，每1g低共熔溶剂需加入0.25～1mmol的h2o2和0.45～1.8μmol的feso4·7h2o。

6.根据权利要求2所述的一种植物基纤维素纳米纤丝的绿色制备方法，其特征在于：所述加热为80～90℃油浴加热。

7.根据权利要求2所述的一种植物基纤维素纳米纤丝的绿色制备方法，其特征在于：所述搅拌的时间为2～3h。

8.根据权利要求2所述的一种植物基纤维素纳米纤丝的绿色制备方法，其特征在于：所述超声功率为300w，频率20khz，超声强度10w/ml。

9.根据权利要求2所述的一种植物基纤维素纳米纤丝的绿色制备方法，其特征在于：所述超声时间持续10～30min，且每超声2s间歇1s。

10.如权利要求2～9任一所述的制备方法制得的植物基纤维素纳米纤丝在制备可降解的纳米纤维素薄膜中的应用。

技术总结本发明公开了一种植物基纳米纤维素纤丝及其绿色制备方法和应用，属于生物质纳米纤维素制备技术领域。所述纳米纤维素纤丝由低共熔溶剂协同芬顿试剂对植物原料进行预处理后，经过高强度超声处理得到，其中：所述植物基纳米纤维素纤丝表面羧基含量>0.4mmol/g；所述植物基纳米纤维素纤丝的结晶度>50％。所述植物基纳米纤维素纤丝悬浮液Zeta电位＜‑35mV。本发明制备的纳米纤维素纤丝表面羧基含量高，结晶度可提高3倍以上，应用于纳米纤维薄膜，可显著增加薄膜的机械性能，赋予薄膜良好的水稳定性和生物降解性；制备方法简单，易于实现，反应条件温和，所使用低共熔溶剂对环境友好，并且经简单回收后可重复利用7次以上，可实现工业化连续生产且生产投入低。技术研发人员：刘锐,齐翠萍受保护的技术使用者：天津科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2