一種較高濃度納米纖維素纖絲的清潔生產方法與流程

本發明屬天然高分子材料領域，具體涉及一種較高濃度納米纖維素纖絲的清潔生產方法。

背景技術：

木質纖維素是由植物通過光合作用合成的取之不盡、用之不竭的天然高分子聚合物，像其它結晶性高分子一樣存在結晶區和非結晶區的結構，即木質纖維素是由許多原纖絲聚集而成的高分子聚合物。通過可控的化學、物理或生物的方法，可將木質纖維素原料轉化為直徑小于100nm的纖維素纖絲，即納米纖維素。與非納米纖維素相比，納米纖維素具有許多優良特性，如高結晶度、高純度、高楊氏模量、高強度、高親水性等，加之具有天然纖維素可降解及可再生等特性，使其在高性能復合材料中顯示出巨大的應用前景。

目前，納米纖維素的制備通常需要經過離心、透析等純化工藝將其與反應物分離，最終得到中性的納米纖維素膠體的固體含量較低。然而，低固含量增加納米纖維素的運輸成本，限制其廣泛推廣使用。中國專利cn201310236188.5和cn104072787a均公開了一種較高濃度納米纖維素膠體的制備方法，前者通過減壓蒸餾的工藝將低濃度的納米微晶纖維素膠體濃縮至較高濃度（質量分數在40%以上），但濃縮前的納米微晶纖維素需要經過較長的時間進行透析，從而除去納米微晶纖維素中的殘余酸，整個過程耗時較長；后者通過過濾、冷凍、解凍使納米纖維素團聚沉淀，再將其壓濾為濾餅，最后機械法再分散到水中，從而得到較高濃度（3.77%）納米纖維膠體，但由于分子間氫鍵和纏結作用，團聚沉淀、壓濾后的納米纖維素，經過再分散后很難與原始較膠體的形態保持一致，且酸法所制的納米微晶纖維素的尺寸較小，只能通過超濾方法分離，整個過程耗時依然較長。因此，有必要研究開發一種更加高效、經濟的工藝方法制備較高濃度納米纖維素，從而實現納米纖維素的規模化生產、降低運輸成本。

通過生物酶處理能夠使聚集態纖維素纖維的表面變得疏松，易于吸水膨脹。在機械力的作用下易于使木質纖維素開纖為納米纖維素。且整個過程中不使用對環境有害的化學試劑、不產生廢酸、廢水排放量低、工藝簡單。

技術實現要素：

本發明的目的是為了克服現有技術的不足，通過酶處理法制備出了較高濃度納米纖維素纖絲，為較高濃度納米纖維素纖絲的生產提供了一種環境友好型工藝。

本發明采取的技術方案如下。

一種較高濃度納米纖維素纖絲的清潔生產方法，包括如下步驟：

將木質纖維素進行機械法預處理和生物酶處理后，再進行納米化研磨、濃縮、高壓均質處理得到較高濃度納米纖維素纖絲。

優選的，該方法具體包括如下步驟：

（1）將木質纖維素漿料進行磨漿預處理；

（2）將步驟（1）處理后的漿料進行生物酶處理；

（3）將步驟（2）生物酶處理后的漿料進行攪拌分散處理；

（4）將步驟（3）攪拌分散后的漿料進行納米化機械研磨處理；

（5）將步驟（4）研磨后的漿料過濾分離；

（6）將步驟（5）過濾分離后的漿料進行高壓均質處理；

（7）將步驟（6）均質后的漿料過濾分離，得較高濃度納米纖維素纖絲。

進一步優選的，步驟（1）中，處理后木質纖維素漿料的濃度為10wt%-25wt%。

進一步優選的，所述生物酶處理時漿料的濃度為2wt%-10wt%，ph為4.5-6；生物酶處理的溫度為35-60℃，時間為1-40h。

進一步優選的，步驟（2）中，所述生物酶是能夠使纖維結構松散的酶。

進一步優選的，所述生物酶為纖維素復合酶、打漿酶或內切酶。

進一步優選的，步驟（3）中，所述攪拌分散處理的轉速為500-1500r/min，時間為0.5-10h。

進一步優選的，步驟（4）中，進行納米化機械研磨處理時調節漿料濃度為0.01wt%-3wt%，壓力為0-60mpa。

進一步優選的，步驟（5）中，所述過濾的濾網為100-2000目。

進一步優選的，步驟（6）中，進行高壓均質處理時均質內部流體壓力為70-250mpa，均質機喂料口處壓力大于大氣壓力；所述的納米纖維素纖絲的濃度為3-10wt%。

進一步優選的，步驟（7）中，所述過濾的濾網為100-2000目。

進一步優選的，一種制備較高濃度納米纖維素的清潔生產工藝的具體步驟如下：

（1）將纖維素漿料進行磨漿處理，漿料濃度在10wt%-25wt%之間；

（2）將上述處理后的漿料進行酶解，漿料濃度為1wt%-10wt%，ph為4.5-6，溫度為40-60℃，酶解時間為1-36h；

（3）將上述酶解后的漿料進行攪拌分散處理，轉速為500-1500r/min，時間為1-10h；

（4）向上述分散處理后的漿料進行機械研磨處理，調節漿料濃度為0.01wt%-3wt%，壓力為0-80mpa；

（5）將上述研磨后的漿料過濾分離，濾網在100-2000目；

（6）將上述過濾后的漿料進行高壓均質處理，均質壓力70-250mpa；

（7）將上述研磨后的漿料過濾分離，濾網在100-2000目。

與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

（1）本發明所制得的納米纖維素具有較高的得率和濃度；

（2）本發明無廢酸、廢液、廢渣排出，酶處理液可循環使用，為納米纖維素規模化生產提供了經濟、環保的方法；

（3）本發明可將廉價的木質纖維素轉化為高附加值的納米纖維素，具有良好的社會效益和經濟效益。

附圖說明

圖1a為實施例1所得納米纖維素纖絲的尺寸特征原子力顯微鏡圖。

圖1b為實施例2所得納米纖維素纖絲的尺寸特征原子力顯微鏡圖。

圖1c為實施例3所得納米纖維素纖絲的尺寸特征原子力顯微鏡圖。

具體實施方式

以下結合實例對本發明的具體實施作進一步的具體說明，但本發明的實施方式不限于此。

本發明對木質纖維素原料的種類、來源并沒有特殊的限制，下面以針葉木漿為例，結合附圖與實例對本發明作進一步詳細說明。

實施例1

本發明將針葉木漿按下列步驟制備較高濃度納米纖維素：

（1）將60g針葉木漿料進行磨漿處理，處理后漿料濃度為10wt%；

（2）將步驟（1）處理后的漿料進行酶解，先把纖維素復合酶（酶活力為180pfu/g）溶解于去離子水中，得酶液；再用酶液調節漿料濃度為5wt%，酶用量為50g/kg（相對于絕干漿），在ph為5.5，溫度為50℃下酶解5h；

（3）將步驟（2）酶解后的漿料用蒸餾水洗滌5次、攪拌分散處理，轉速為9000r/min，時間為3h；

（4）將步驟（3）分散處理后的漿料進行機械研磨處理，加去離子水調節漿料濃度為1wt%，壓力為40mpa；

（5）將步驟（4）研磨后的漿料用200目的濾網過濾分離；

（6）將步驟（5）過濾后的漿料進行高壓均質處理，均質壓力為80mpa，均質機喂料口處壓力大于大氣壓力；

（7）將步驟（6）均質后的漿料用200目的濾網過濾分離，得納米纖維素纖絲；

結果：所得納米纖維素纖絲的得率為94.1wt%，濃度為6.7wt%，形態如圖1a所示，納米纖絲的直徑在20-60nm，長度為1-4μm，屬于納米級纖維素纖絲。

實施例2

（1）將60g針葉木漿料進行磨漿處理，處理后漿料濃度為17wt%；

（2）將步驟（1）處理后的漿料進行酶解，先把纖維素復合酶（酶活力為180pfu/g）溶解于去離子水中，得酶解液；再用酶解液調節漿料濃度為5wt%，酶用量為50g/kg（相對于絕干漿），在ph為5.5，溫度為60℃下酶解15h；

（3）將步驟（2）酶解后的漿料用蒸餾水洗滌5次、攪拌分散處理，轉速為9000r/min，時間為5h；

（4）向步驟（3）分散處理后的漿料進行機械研磨處理，加蒸餾水調節漿料濃度為1wt‰，在壓力為40mpa下循環4次；

（5）將步驟（4）研磨后的漿料用500目的濾網過濾分離；

（6）將步驟（5）過濾后的漿料進行高壓均質處理，均質壓力為80mpa，均質機喂料口處壓力大于大氣壓力；

（7）將步驟（6）均質后的漿料用500目的濾網過濾分離，得納米纖維素纖絲；

結果：所得納米纖維素纖絲的得率為80.1wt%，濃度為6.8wt%，形態如圖1b所示，納米纖絲的直徑在10-30nm，長度為1-4μm，屬于納米級纖維素纖絲。

實施例3

（1）將60g針葉木漿料進行磨漿處理，處理后漿料濃度為15wt%；

（2）將步驟（1）處理后的漿料進行酶解，先把纖維素復合酶（酶活力為180pfu/g）溶解于去離子水中，得酶液；再用酶液調節漿料濃度為5wt%，酶用量為50g/kg（相對于絕干漿），在ph為5.5，溫度為40℃下酶解25h；

（3）將步驟（2）酶解后的漿料用蒸餾水洗滌5次、攪拌分散處理，轉速為9000r/min，時間為10h；

（4）向步驟（3）分散處理后的漿料進行機械研磨處理，加蒸餾水調節漿料濃度為1wt‰，在壓力為40mpa下循環4次；

（5）將步驟（4）研磨后的漿料用1000目的濾網過濾分離；

（6）將步驟（6）過濾后的漿料進行高壓均質處理，均質壓力為80mpa，均質機喂料口處壓力大于大氣壓力；

（7）將步驟（6）均質后的漿料用1000目的濾網過濾分離，得納米纖維素纖絲；

結果：所得納米纖維素纖絲的得率為60.7wt%，濃度為5.3wt%，形態如圖1c所示,納米纖絲的直徑在10-30nm，長度為1-4μm，屬于納米級纖維素纖絲。