CN104945517A - 一种制备纤维素纳米纤维的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备纤维素纳米纤维分散液的方法，将纤维素原料在pH为4～5水系缓冲溶液体系中进行分散，加入漆酶、TEMPO，配制漆酶-TEMPO氧化体系；对反应体系进行持续泵入氧气，氧化反应24～130小时；反应结束后，离心滤出上清液，上清液重复使用；沉淀为水不溶氧化纤维素，用去离子水清洗至中性；然后加入去离子水搅拌得到氧化纤维素水悬浮液，进行匀浆和超声处理，离心获得上清液即为氧化纤维素纳米纤维分散液。本发明不但在保证氧化效率的同时避免了卤族元素对环境的污染，而且该反应体系可以重复使用，提高了氧化体系的利用率，氧化效果均一，提高纤维素纳米纤维的得率，可得到高长径比的纳米纤维。

Description

一种制备纤维素纳米纤维的方法

技术领域

本发明涉及纤维素纳米纤维的制备方法技术领域，具体涉及使用一种选择性氧化体系选择性氧化纤维素，并结合机械处理制备纤维素纳米纤维分散液的方法，并可以进一步由纤维素纳米纤维分散液制备纳米纤维薄膜、凝胶等材料。

背景技术

纤维素是地球上含量最丰富的可再生有机物质，是植物光合作用将光能转化为化学能的主要产物。全世界范围内纤维素的产生量是巨大的，其中89％的天然纤维素资源被自然界中各种微生物降解消耗，最终转化为二氧化碳和水。虽然这是自然界中重要的碳循环，但从经济的角度来说，这无疑是巨大的资源浪费。

纤维素主要存在于植物细胞细胞壁的次生壁中，比如木材和棉絮。在生物合成过程中，纤维素是由直径在2-20nm的细长的纳米尺度微纤维组成。纤维素的基本单元分子的合成是受合成机制严格控制的，其并不是简单地平行分布在细胞的表面，而且在精确地控制机制下形成一定旋转角度。由于种种特异性的生物合成模式，纤维素分子形成了几乎完美的结晶排列。这些微纤维通过氢键相互紧密连接，从而构成细胞壁的多层次结构。从一个细胞单元提取出的纤维素呈现一个轴型的中空纤维，直径大约20-30μm，长约几个毫米。

现代生物技术研究应用

不同处理技术将纤维素做改性处理以扩大纤维素产品的应用范围。其中利用纤维素制备纤维素纳米纤维是一个很有应用前景的方向。

纳米纤维，指直径达到纳米尺度长度较大的线状材料，其直径一般小于100nm。由于纳米纤维小到以纳米论长短，其自身的物理和化学性能较常见材料已经有较大的改变，主要为以下几个方面：

1、表面效应。粒子的尺寸越小，其表面积越大，表面原子数、表面能迅速增加。由于表面粒子缺少相邻原子的配位，有许多悬空键，因而表面能增加后变得极不稳定，易于与其他原子结合，因而表现出很强的活性。

2、小尺寸效应。当微粒的尺寸小到与光波的波长、传导电子的德布罗意波长和超导态的相干长度透射深度近似或更小时，其周期性的边界条件将被破坏，粒子的声、光、电磁、热力学性质都将发生改变，如熔点降低、分色变色、吸收紫外线、屏蔽电磁波等。

3、量子尺寸效应。当粒子尺寸小到一定程度时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级，此时，原为导体的物质有可能变为绝缘体，繁殖，绝缘体也有可能变为超导体。

4、宏观量子的阳隧道效应。隧道效应指微小粒子在一定情况下具有贯穿势垒的能力。

目前制备纤维素纳米纤维的主要方法有化学水解法、物理机械法、生物细菌合成、化学人工合成和静电纺丝五种方法。其中化学方法可以同时表面改性纳米纤维素，赋予纳米级纤维素晶体以新的功能和特性；细菌生物合成时可调控纳米纤维素的结构、晶形、粒径分布等，容易实现工业化和商品化；物理机械方法工艺、设备简单，可以同时获得纳米纤维素和纳米纤维素复合物；人工合成纳米纤维素最容易调控纳米纤维素的结构、晶形、粒径分布等；静电纺丝方法可制备目前最细的纳米级纤维。

尽管纳米纤维素有许多制备方法，但是也有很多局限：化学方法需要用强酸水解，对反应设备要求高，回收和处理反应后的残留物困难；生物法制备细菌纤维素复杂、耗时长、成本高、价格贵；物理法制备微纤化纳米纤维素需要采用特殊的设备和使用高压，能量消耗比较高，制备的纳米纤维素粒径分布宽；人工合成的纤维素分子量小；静电纺丝制备微细纤维横截面大，横截面分布也很宽。因此研究发展出新型的简单、绿色、低能耗、快速、高效的制备纳米纤维素方法刻不容缓。

近前，一种新的制备纤维素纳米分散液的方法被广泛使用。其应用一种稳定的硝酰基化合物(比如2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基，TEMPO)作为氧化剂选择性氧化伯羟基为醛基或羧基。在TEMPO媒介氧化体系中，纤维素的氧化表现出了高度选择性的氧化效果。整个氧化体系中需利用NaClO和NaBr两种含卤族元素的化合物，这是一个弊端。

随着科学技术的发展，制备纤维素纳米纤维分散液的方法会更加成熟，而作为一种新兴的纳米生物材料，纳米纤维素日益受到各界的广泛关注。预计在不久的将来,纳米纤维素将会发展成一个大产业。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种利用漆酶-TEMPO氧化体系选择性氧化纤维素，然后通过机械处理制备纤维素纳米分散液的方法，以减少原氧化体系(TEMPO-NaBr-NaClO)中卤族元素对环境的污染，提高氧化体系的循环利用率，节约成本。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种制备纤维素纳米纤维的方法，包括如下步骤：

(1)将纤维素原料在pH为4～5水系缓冲溶液体系中进行分散；

(2)在纤维素原料的水悬浮液中加入漆酶、TEMPO，配制漆酶-TEMPO氧化体系；

(3)对反应体系进行持续泵入氧气以保证通氧量能够促使氧化反应持续充分进行，反应温度为室温，氧化反应24-130小时；

(4)反应结束后，将整个反应体系置于冰水中终止反应；离心滤出上清液，保存至4℃冰箱以重复使用；沉淀为水不溶氧化纤维素，用去离子水进行离心清洗水不溶氧化纤维素，直至将氧化纤维素清洗至中性；

(5)取水不溶氧化纤维素加入去离子水中，充分搅拌均匀，得到氧化纤维素水悬浮液；对氧化纤维素水悬浮液重复进行匀浆和超声处理，重复次数4-6次；将超声处理后的悬浮液置于离心机中离心，上清液即为氧化纤维素纳米纤维分散液。

步骤(2)中，配制的漆酶-TEMPO氧化体系中，漆酶的酶活用量范围为100～1000U/g纤维素原料。

所述的漆酶为漆酶酶系，包括真菌漆酶和植物漆酶等。

所述的纤维素原料采用如下方法制备：

取纸浆原料，用蒸馏水清洗至中性；配制质量分数为0.5％NaClO₂溶液，将纸浆加入NaClO₂溶液中至纸浆完全被浸没；向浸有纸浆的NaClO₂溶液中添加醋酸溶液，将体系的pH调至5以下；然后把整个体系置于70℃水浴锅中水浴处理2小时，期间每隔15-20分钟进行间歇搅拌；漂白结束，用蒸馏水将漂白纸浆洗至中性，得到漂白后的纸浆。

所述的纤维素原料来源为蔗渣纸浆、硬木纸浆或软木纸浆等。

漆酶-TEMPO氧化体系的建立方法如下：

取一定量煮沸5分钟以上的蒸馏水，冷却至室温后配制pH为4-5的0.1M水系缓冲液(如柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液)；取100mL缓冲液，加入5mM TEMPO配制成TEMPO溶液；分别加入1g纤维素原料和100～1000U漆酶；用磁力搅拌器将体系搅拌均匀，泵入氧气使反应持续进行；反应温度为室温，反应时间为24～130小时。

与现有技术相比，本发明将生物酶与常规的化学氧化体系相结合，提出生物酶氧化体系制备纤维素纳米纤维分散液的方法，不但在保证氧化效率的同时避免了卤族元素对环境的污染，而且该反应体系可以重复使用，提高了氧化体系的利用率，氧化效果均一，提高纤维素纳米纤维的得率，对纤维素的降解作用低，可得到高长径比的纳米纤维；为纤维素纳米纤维的制备提供了新思路和新方法。

附图说明

图1是纤维素纳米纤维原子力显微镜图；其中，左图为硬木纸浆，右图为蔗渣纸浆；

图2是纤维素原料及氧化纤维素X射线衍射图；

图3是纤维素及氧化纤维素红外图。

具体实施方式：

以下结合具体实施例对本发明作进一步的阐述。实施例是为说明而非限制本发明。本领域中任何普通技术人员能够理解这些实施例不以任何方式限制本发明，可做适当的修改而不违背本发明的实质和偏离本发明的范围。

以下实施例中，所使用的测定方法如下：

测定氧化纤维素的羧基含量：称取干重0.1g漆酶-TEMPO氧化体系氧化的纤维素加入60mL蒸馏水中，添加0.5mmol/L的NaOH溶液将体系的pH调至9以上，然后连续搅拌30分钟以上，使纤维素更好分散在体系中。添加0.5mol/L的HCl溶液将体系pH调至2.5，连续搅拌10分钟。然后利用pH滴定系统连续滴加0.05mol/L的NaOH溶液，每30秒记录pH和电导值的数据。当pH升至11以上时，停止反应。

测定漆酶酶活：配制pH为4.5的0.1mmol/L HAc-NaAc缓冲液。然后称取ABTS溶解于HAc-NaAc缓冲液制得0.5mmol/L的ABTS溶液。用移液枪移取3mL 0.5mmol/L的ABTS溶液于规格为1cm的比色皿中，迅速置于50℃水浴锅中预热5分钟。预热后将含有ABTS的比色皿用纸擦干，用移液枪移取0.1mL(要根据酶活的高低提前进行稀释保证曲线在测定范围内)酶液，将枪头伸入ABTS内部打出酶液后，将比色皿上下震荡3-4次，使之均匀后，迅速置于分光光度计中，在波长420nm处测定6分钟内吸光度(p)的变化，记录每分钟的吸光度(以0.1mmol/L HAc-NaAc缓冲液为基准)。酶活计算：

$\mathrm{laccase}=\frac{\mathrm{\Δp}\×n\×3.1\mathrm{mL}\×{10}^3}{0.1\mathrm{mL}\×4\min \×\mathrm{\ϵ}}$

即laccase＝Δp×n×0.21528

n表示酶液的稀释倍数，消光系数ε＝3.6×10⁴(M^-1·cm^-1)。

实施例1：漂白蔗渣纸浆的制备

取亚硫酸盐蔗渣纸浆，用蒸馏水将其清洗至中性。配制质量分数为0.5％NaClO₂(亚氯酸钠)溶液，将纸浆加入NaClO₂溶液中至纸浆完全被浸没。向浸有纸浆的NaClO₂溶液中添加醋酸溶液，将体系的pH调至5以下。然后把整个体系置于70℃水浴锅中水浴处理2小时，期间每隔15-20分钟进行间歇搅拌。漂白完成后，用蒸馏水将漂白纸浆洗至中性，得到漂白后的蔗渣纸浆，置于4℃冰箱中保存。

实施例2：漆酶-TEMPO体系氧化纸浆纤维素

配置0.1mol/L柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液。称取5mM TEMPO溶解于柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中配置TEMPO溶液。称取干重1g漂白蔗渣纸浆加入TEMPO溶液中，添加100U漆酶(来自Trametes versicolor)加入体系。室温下敞口放置，以200rpm的转速连续搅拌。反应130h后，停止搅拌。将反应体系以10000转每分钟离心8分钟，将上清液倾倒至试剂瓶中收集，不溶物添加蒸馏水继续离心清洗7次，收集水不溶物，即为漆酶-TEMPO氧化体系氧化纤维素。测定氧化纤维素的羧基含量为0.365mmol/g纤维素。氧化结束后，体系中所含漆酶酶活为9.3U。

实施例3：漆酶-TEMPO体系氧化纸浆纤维素

配置0.1mol/L柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液。称取5mM TEMPO溶解于柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中配置TEMPO溶液。称取干重1g漂白蔗渣纸浆加入TEMPO溶液中，添加1000U漆酶(来自Trametes versicolor)加入体系。室温下敞口放置，以200rpm的转速连续搅拌。反应24h后，停止搅拌。将反应体系以10000转每分钟离心8分钟，将上清液倾倒至试剂瓶中收集，不溶物添加蒸馏水继续离心清洗7次，收集水不溶物，即为漆酶-TEMPO氧化体系氧化纤维素。测定氧化纤维素的羧基含量为0.637mmol/g纤维素。氧化结束后，体系中所含漆酶酶活为156.4U。

实施例4：漆酶-TEMPO体系氧化纸浆纤维素

配置0.1mol/L柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液。称取5mM TEMPO溶解于柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中配置TEMPO溶液。称取干重1g漂白硬木纸浆(制备方法同实施例1)加入TEMPO溶液中，添加100U漆酶(来自Rhus vernicfera)加入体系。室温下敞口放置，以200rpm的转速连续搅拌。反应130h后，停止搅拌。将反应体系以10000转每分钟离心8分钟，将上清液倾倒至试剂瓶中收集，不溶物添加蒸馏水继续离心清洗7次，收集水不溶物，即为漆酶-TEMPO氧化体系氧化纤维素。测定氧化纤维素的羧基含量为0.348mmol/g纤维素。氧化结束后，体系中所含漆酶酶活为8.7U。

实施例5：漆酶-TEMPO体系氧化纸浆纤维素

配置0.1mol/L柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液。称取5mM TEMPO溶解于柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中配置TEMPO溶液。称取干重1g漂白硬木纸浆加入TEMPO溶液中，添加500U漆酶(来自Rhus vernicfera)加入体系。室温下敞口放置，以200rpm的转速连续搅拌。反应72h后，停止搅拌。将反应体系以10000转每分钟离心8分钟，将上清液倾倒至试剂瓶中收集，不溶物添加蒸馏水继续离心清洗7次，收集水不溶物，即为漆酶-TEMPO氧化体系氧化纤维素。测定氧化纤维素的羧基含量为0.523mmol/g纤维素。氧化结束后，体系中所含漆酶酶活为93.4U。

实施例6：漆酶-TEMPO体系氧化纸浆纤维素

配置0.1mol/L柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液。称取5mM TEMPO溶解于柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中配置TEMPO溶液。称取干重1g漂白软木纸浆加入TEMPO溶液中，添加500U漆酶(来自Pleuratus ostreatus)加入体系。室温下敞口放置，以200rpm的转速连续搅拌。反应72h后，停止搅拌。将反应体系以10000转每分钟离心8分钟，将上清液倾倒至试剂瓶中收集，不溶物添加蒸馏水继续离心清洗7次，收集水不溶物，即为漆酶-TEMPO氧化体系氧化纤维素。测定氧化纤维素的羧基含量为0.596mmol/g纤维素。氧化结束后，体系中所含漆酶酶活为87.6U。

实施例7：纤维素纳米分散液的制备

取干重0.2g漆酶-TEMPO氧化体系氧化纸浆纤维素加入100mL蒸馏水中，连续搅拌使纤维素分散均匀。然后用匀浆机匀浆处理，处理后进行超声处理。循环使用匀浆和超声处理6次。处理完的纤维素悬浮液以10000转每分钟的转速离心8分钟，倾倒上清液，即为氧化纤维素的纳米分散液。

实施例8

任选上述实施例所制备的漆酶-TEMPO体系氧化纸浆纤维素进行性能测定，结果如下：

1)纤维素纳米纤维原子力显微镜图如图1所示，左图为硬木纸浆，右图为蔗渣纸浆。由图1可知，本氧化体系制备的纳米纤维分散均匀，纳米纤维尺寸与纤维原料有很大关系。左图为以硬木纸浆为原料制备的纳米纤维，长度达到微米级别，直径为4-20纳米；右图以蔗渣纸浆为原料制备的纳米纤维，长度在1微米以上，有的甚至可达几十个微米，直径在3-16纳米不等。

2)纤维素原料及氧化纤维素X射线衍射图谱如图2所示，可见氧化过程中纤维素发生降解，无定形区结构疏松，更易发生降解，因此氧化后纤维素的结晶度增加。

3)纤维素及氧化纤维素红外图谱如图3所示，在1740cm^-1处，氧化纤维素出现羧基的吸收峰，证明漆酶-TEMPO氧化体系的可行性。

Claims (6)

1.一种制备纤维素纳米纤维分散液的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将纤维素原料在pH为4～5水系缓冲溶液体系中进行分散；

（2）在纤维素原料的水悬浮液中加入漆酶、TEMPO，配制漆酶-TEMPO氧化体系；

（3）对反应体系进行持续泵入氧气以保证通氧量能够促使氧化反应持续充分进行，反应温度为室温，氧化反应24～130小时；

（4）反应结束后，将整个反应体系置于冰水中终止反应；离心滤出上清液，保存至4℃冰箱以重复使用；沉淀为水不溶氧化纤维素，用去离子水进行离心清洗水不溶氧化纤维素，直至将氧化纤维素清洗至中性；

（5）取水不溶氧化纤维素加入去离子水中，充分搅拌均匀，得到氧化纤维素水悬浮液；对氧化纤维素水悬浮液重复进行匀浆和超声处理，重复次数4-6次；将超声处理后的悬浮液置于离心机中离心，上清液即为氧化纤维素纳米纤维分散液。

2.根据权利要求1所述的制备纤维素纳米纤维分散液的方法，其特征在于：步骤（2）中，配制的漆酶-TEMPO氧化体系中，漆酶的酶活用量范围为100～1000 U/g纤维素原料。

3.根据权利要求1或2所述的制备纤维素纳米纤维分散液的方法，其特征在于：所述的漆酶为漆酶酶系，包括真菌漆酶和植物漆酶。

4.根据权利要求1或2所述的制备纤维素纳米纤维分散液的方法，其特征在于：步骤（2）中，漆酶-TEMPO氧化体系的建立方法如下：

新配制pH为4-5的0.1M水系缓冲液；取100mL缓冲液，加入5 mM TEMPO配制成TEMPO溶液；分别加入1g纤维素原料和100～1000U漆酶；用磁力搅拌器将体系搅拌均匀即可。

5.根据权利要求1所述的制备纤维素纳米纤维分散液的方法，其特征在于：步骤（1）中，所述的纤维素原料采用如下方法制备：

取亚硫酸盐纸浆，用蒸馏水清洗至中性；配制质量分数为0.5% NaClO₂溶液，将纸浆加入NaClO₂溶液中至纸浆完全被浸没；向浸有纸浆的NaClO₂溶液中添加醋酸溶液，将体系的pH调至5以下；然后把整个体系置于70℃水浴锅中水浴处理2小时，期间每隔15-20分钟进行间歇搅拌；漂白结束，用蒸馏水将漂白纸浆洗至中性，得到漂白后的蔗渣纸浆。

6.根据权利要求1所述的制备纤维素纳米纤维分散液的方法，其特征在于：所述的纤维素原料来源为蔗渣纸浆、硬木纸浆或软木纸浆。