一种木质纤维素全组分水凝胶及其制备方法与应用

本发明属于木质纤维素生物基材料，涉及一种木质纤维素全组分水凝胶，尤其涉及一种木质纤维素全组分水凝胶及其制备方法与应用。

背景技术：

1、水凝胶是一类具有三维网络结构的聚合物，它在水中能够吸收大量的水溶胀，并在溶胀之后能够继续保持其原有结构而不被溶解。低成本的天然高分子交联水凝胶主要通过接枝聚合反应将亲水性单体接枝到天然高分子材料的分子链上，具有优良的吸水性能，天然高分子材料的引入不仅改变了水凝胶的化学结构，而且提高了其生物降解性，产品废弃后对环境的影响较小。木质纤维素作为自然界最广泛存在的天然高分子材料，具有十分大的应用潜力，特别是农业废弃物和食品加工剩余物，将其作为原料凝胶化既可提升其利用价值又可解决凝胶生产成本问题。

2、目前，合成木质纤维素基水凝胶还面临着一系列的问题。木质纤维素本身结构致密导致反应可及性差，异质性强导致水凝胶产品性能不均一，目前木质纤维素水凝胶的制备多限于单一组分的利用且需化学改性以提升组分溶解度，无论是组分的分离纯化还是化学改性操作步骤均不利于大规模木质纤维素的转化。例如，cn105504315a公开了一种秸秆全组分水凝胶的制备方法及其应用，先将秸秆制成含有纤维素、半纤维素和木质素的水溶液，然后使用引发剂产生自由基，将丙烯酸进行接枝，再使用交联剂得到具有三维结构的水凝胶；cn110975832a公开了一种高效除去重金属离子的秸秆基水凝胶吸附剂及其制备方法，将秸秆进行改性，采用原子转移自由基聚合工艺在其表面接枝丙烯腈类聚合物，制备出秸秆基水凝胶。上述方法均存在操作繁琐的问题，且需要用到引发剂、交联剂等毒性化学产品，限制了其工业化生产及大规模利用。

3、因此，需要提供一种高效利用木质纤维素生物质全部组分，且简单快捷制备水凝胶的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种木质纤维素全组分水凝胶及其制备方法与应用，采用木质纤维素全组分为原料制备水凝胶，工艺简单快捷，不使用有毒化学试剂，制备的水凝胶力学性能优良，可用作固沙剂。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种木质纤维素全组分汽爆预处理制备水凝胶的方法，所述方法包括如下步骤：

4、（1）将木质纤维素原料进行汽爆处理后再进行破碎，得到破碎后的木质纤维素原料；

5、（2）将步骤（1）所得破碎后的木质纤维素原料与聚乙烯醇溶液混合后，进行冻融处理，得到水凝胶。

6、本发明提供的方法以汽爆预处理为手段生产全组分木质纤维素基水凝胶，通过汽爆预处理可破坏木质纤维素的致密结构，在汽爆预处理的活化作用下，木质纤维素的结构松散，化学组分部分降解，醇羟基、酚羟基、羧基可与pva中的羟基交联的官能团暴露出来，可以通过氢键相互作用与pva分子产生相互作用，所得的水凝胶因纤维素、半纤维素以及木质素的加入获得致密的三维网络结构，从而具有显著提升的力学性能；工艺过程中不需要对木质纤维素生物质原料进行其他分离纯化以及改性操作，不使用交联剂、引发剂等有毒有机溶剂，环境负担小，无残留，耗时短，绿色高效，简单快捷且普适性强。

7、优选地，步骤（1）所述木质纤维素原料包括农林废弃物、食品加工副产品、木材或竹材的任意一种或至少两种的组合。

8、示例性的，所述农林废弃物包括秸秆。

9、示例性的，所述食品加工副产品包括谷物麸皮和/或糠。

10、优选地，步骤（1）所述汽爆处理前，将木质纤维素原料进行预浸处理。

11、优选地，所述预浸处理的介质包括水或可溶性碱性盐溶液。

12、优选地，所述可溶性碱性盐包括碳酸氢盐。

13、优选地，所述预浸处理后的木质纤维素原料的含水量为30-66%，例如可以是30%、35%、40%、45%、50%、52%、54%、55%、56%、58%、60%、62%、64%、65%或66%，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

14、优选地，步骤（1）所述汽爆处理的压力为0.8-1.5mpa，例如可以是0.8mpa、0.9mpa、1.0mpa、1.1mpa、1.2mpa、1.3mpa、1.4mpa或1.5mpa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

15、优选地，步骤（1）所述汽爆处理的保压时间为5-20min，例如可以是5min、8min、10min、12min、15min、18min或20min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

16、优选地，步骤（1）所述汽爆处理的温度为170-200℃，例如可以是170℃、175℃、180℃、185℃、190℃、195℃或200℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

17、优选地，步骤（1）所述破碎后的木质纤维素原料的粒径为40-200目，例如可以是40目、50目、60目、80目、100目、120目、140目、150目、160目、180目或200目，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

18、步骤（2）所述聚乙烯醇的种类具体可选择本领域技术人员可以获得的任意pva原料。

19、优选地，步骤（2）所述聚乙烯醇的聚合度为1700。

20、优选地，步骤（2）所述聚乙烯醇的醇解度的范围为87-99%，例如可以是87%、88%、89%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%或99%，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

21、优选地，所述聚乙烯醇的型号包括pva1799、pva1788或pva1750±50的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括pva1799与pva1788的组合，pva1788与pva1750±50的组合，pva1799与pva1750±50的组合，或，pva1799、pva1788与pva1750±50的组合。

22、优选地，步骤（2）所述聚乙烯醇溶液的浓度为1-20wt%，例如可以是1wt%、3wt%、5wt%、8wt%、10wt%、12wt%、15wt%、18wt%或20wt%，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

23、优选地，步骤（2）所述聚乙烯醇溶液为聚乙烯醇粉末分散在水中后加热溶解制得。

24、优选地，所述加热的温度为90-95℃，例如可以是90℃、91℃、92℃、93℃、94℃或95℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

25、优选地，所述木质纤维素原料与聚乙烯醇的质量比为1-100%，例如可以是1%、5%、10%、30%、50%、80%或100%，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为20-50%。

26、当纤维素原料与聚乙烯醇的质量比小于1%时，木质纤维素底物无法起到对水凝胶的强化作用，当木质纤维素与聚乙烯醇的质量比大于100%时，木质纤维素吸水性导致体系无法均匀分散，从而无法通过冻融形成均质的凝胶结构。

27、优选地，所述混合时进行搅拌操作。

28、优选地，所述搅拌的转速为150-450rpm，例如可以是150rpm、200rpm、250rpm、300rpm、350rpm、400rpm或450rpm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

29、优选地，所述搅拌的时间为1-10min，例如可以是1min、3min、5min、8min或10min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

30、优选地，所述冻融处理的冷冻在0℃以下进行，例如可以是-4℃、-18℃、-50℃或-80℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

31、示例性的，所述冻融处理的冷冻方法包括液氮冷冻和/或冰箱冷冻。

32、示例性的，所述冻融处理的解冻方法包括在室温下自然解冻。

33、第二方面，本发明提供一种木质纤维素全组分水凝胶，所述木质纤维素全组分水凝胶由第一方面所述的方法制备。

34、本发明提供的水凝胶以木质纤维素原料中的纤维素、半纤维素和木质素与聚乙烯醇交联形成三维网络结构，显著提升了水凝胶的力学性能，其拉伸强度可以达到329.75kpa；且组分中以生物质为原料，不含交联剂、引发剂等有毒溶剂，具有生物可降解性；用作固沙剂性能优良，环境友好。

35、第三方面，本发明提供一种第二方面所述的木质纤维素全组分水凝胶的应用，所述木质纤维素全组分水凝胶作为固沙剂。

36、将水凝胶经粉碎分散后喷砂于沙子表面，在自然风干后结壳从而有效固定沙粒。水凝胶内含有大量生物质原料，具有生物可降解性，可在自然环境在被分解不对环境造成污染，水凝胶中生物质原料分解成有机质后还有望改善沙漠环境。

37、优选地，所述水凝胶作为固沙剂的使用方法包括将水凝胶在水中分散使用。

38、优选地，所述分散以水凝胶和水的质量比为1:(1-10)，例如可以是1:1、1:3、1:5、1:8或1:10，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

39、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

40、本发明提供的方法以木质纤维素全组分为原料进行汽爆预处理，经冻融处理与聚乙烯醇交联形成水凝胶，所得水凝胶的力学性能优异，其拉伸强度可以达到329.75kpa，拉伸应变可以达到380%以上；且组分中以生物质为原料，不含交联剂、引发剂等有毒溶剂，具有生物可降解性；30min的dpph自由基清除率达到77.23%；用作固沙剂性能优良，环境友好。