专利名称：一种纳米硝化纤维素的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米硝化纤维素的制备方法，属于特种化工技术领域。
背景技术：
硝化纤维素是一种含能化工材料，被广泛地用于火药，炸药和推进剂领域。由于我 国制备硝化纤维素所用的原料绝大多数是棉纤维素，因此，也通俗地称硝化纤维素为硝化 棉。目前，传统的以精制棉为原料制备硝化棉的工艺是以硝酸/硫酸/水三组分为硝化液， 硝化时间为30min。通过调节硝化液中硝酸/硫酸/水三组分的比例可以得到含氮量最高 为13. 5%左右的硝化纤维素。由于硝化液中含有硫酸和硝酸两种酸，因此，废酸的后处理与 再利用非常复杂。这也成为目前硝化棉生产污染严重的根源。此外，硝化液中的硫酸与纤 维素反应生成的纤维素硫酸酯是造成硝化棉安定性差的主要因素之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米硝化纤维素的制备方法。该方法以纳米纤维素悬浮 液为原料制备得到的高含氮量纳米硝化纤维素可以在一系列火药和推进剂中用做增强材 料，提高其强度和总体能量，但又不会增加火药和推进剂的成型难度。本发明的目的是通过下述技术方案实现的。本发明的一种纳米硝化纤维素的制备方法，制备过程分为两部分一、纳米纤维素悬浮液的制备将棉纤维素粉末在冰浴中超声预处理后抽滤、烘干待用。将上述纤维素粉末浸入 一定浓度的的硫酸溶液中，固液比控制范围在17. 5-50g/mL，在45-75°C的水浴中搅拌反应 一定时间后，加水稀释使反应停止，得到反应液A。将反应液A离心分离、透析至pH值达6-7 之间，再经超声波分散，得到稳定的纳米纤维素晶须悬浮液。二、纳米硝化纤维素的制备往步骤一中得到的纳米纤维素晶须悬浮液中加入适量硝酸，使其达到所需浓度， 在冰浴中反应一段时间，反应时间依据要求的纳米硝化纤维素含氮量而定；加水稀释使反 应停止，得到反应液B。将反应液B离心、洗涤至悬浮液的pH值达6-7之间。将沉淀物移至 蒸发皿中，在50°C下真空干燥得到纳米硝化纤维素粉末。有益效果本发明以纳米纤维素悬浮液为原料制备纳米硝化纤维素的优点在于(1)硝化液是硝酸水溶液由于酸的组成单一，便于酸的后处理和再利用。(2)硝化时间大大缩短传统的以精制棉为原料制备硝化纤维素时，硝化时间通常为30min左右。而本发 明以纳米纤维素悬浮液为原料制备硝化纤维素时，硝化时间为5min时即可制备得到含氮 量为14. 的硝化纤维素。制备更低含氮量的硝化纤维素所需要的硝化时间更短；
(3)由于不会生成纤维素硫酸酯，因此，纳米硝化纤维素的安定性可大大提高；(4)由于本发明制备的硝化纤维素是纳米尺度的晶须，因此，可用作含能增强材 料。
图1是本发明实施例1制得的纳米纤维素晶须的透射电镜图；图2是本发明实施例2制得的纳米纤维素晶须的透射电镜图；图3是本发明实施例3制得的纳米纤维素晶须的透射电镜图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。实施例1(一 )纳米纤维素悬浮液的制备将棉纤维素粉末在冰浴中超声预处理15min，抽滤烘干待用。将准确称重的0. 5g上述纤维素粉末浸入8. 75ml浓度为64wt%的硫酸溶液中， 在45°C的水浴中搅拌反应lh后，加10倍体积的去离子水稀释反应液；稀释后的反应液在 SOOOrpm转速下离心分离；取悬浮液在去离子水中透析24h，至其pH值与所用去离子水的 PH值相同。所用透析袋的截留分子量为8000-14000 ；最后经过功率为150w的超声波分散 15min，得到稳定的纳米纤维素晶须悬浮液，其中，纳米纤维素晶须的直径为20-30nm，长度 为150-250nm。制得的纳米纤维素晶须的形貌见透射电镜图1。( 二 )纳米硝化纤维素的制备将20ml的纤维素纳米晶须悬浮液加入到225ml发烟硝酸中，在冰浴中反应5min ； 加5倍体积的去离子水稀释反应液；将稀释后的反应液在6000rpm转速条件下反复离心、洗 涤至液体的PH值与所用去离子水的pH值相同；将沉淀物移至蒸发皿中，在50°C下真空干 燥，得到纳米硝化纤维素粉末。经元素分析其含氮量为14. 1%。实施例2(一 )纳米纤维素悬浮液的制备将棉纤维素粉末在冰浴中超声预处理15min，抽滤烘干待用。将准确称重的0. 5g上述纤维素粉末浸入25ml浓度为64wt %的硫酸溶液中，在 60°C的水浴中搅拌反应4h后，加10倍体积的去离子水稀释反应液；稀释后的反应液在 SOOOrpm转速条件下离心分离；取悬浮液在去离子水中透析24h，至其pH与所用去离子水的 pH值相同。所用透析袋的截留分子量为8000-14000 ；最后经过功率为150w的超声波分散 15min，得到稳定的纳米纤维素晶须悬浮液，其中，纳米纤维素晶须的直径为20-30nm，长度 为100-150nm。制得的纳米纤维素晶须的形貌见透射电镜图2.( 二 )纳米硝化纤维素的制备将20ml的纤维素纳米晶须悬浮液加入到225ml发烟硝酸中，在冰浴中反应2min， 加5倍体积的去离子水稀释反应液；稀释后的反应液在6000rpm转速条件下反复离心、洗涤 至液体的pH值与所用去离子水的pH值相同；将沉淀物移至蒸发皿中，在50°C下真空干燥， 得到纳米硝化纤维素粉末。经元素分析其含氮量为13.7%。
实施例3(一 )纳米纤维素悬浮液的制备将棉纤维素粉末在冰浴中超声预处理15min，抽滤烘干待用。将准确称重的0.5g上述纤维素粉末浸入16ml浓度为64衬％的硫酸溶液中， 在75°C的水浴中搅拌反应8h后，加10倍体积的去离子水稀释反应液；稀释后的反应液 在SOOOrpm转速条件下离心分离；取悬浮液在去离子水中透析24h，至其pH与所用去离子 水的PH值相同。所用透析袋的截留分子量为8000-14000 ；最后经过150w的超声波分散 15min，得到稳定的纳米纤维素晶须悬浮液。其中，纳米纤维素晶须的直径为15-20nm，长度 为100-200nm。制得的纳米纤维素晶须的形貌见透射电镜图3.( 二 )纳米硝化纤维素的制备将20ml纤维素纳米晶须悬浮液加入到225ml发烟硝酸中，在冰浴中反应lmin，加 5倍体积的去离子水稀释反应液；稀释后的反应液在6000rpm转速条件下反复离心、洗涤至 液体的PH值与所用去离子水的pH值相同；将沉淀物移至蒸发皿中，在50°C下真空干燥得 到纳米硝化纤维素粉末，经元素分析其含氮量为13. 6%。
权利要求
一种纳米硝化纤维素的制备方法，其特征在于制备过程为一、制备纳米纤维素悬浮液①将棉纤维素粉末在冰浴中超声预处理后抽滤、烘干待用；②将上述纤维素粉末浸入一定浓度的的硫酸溶液中，固液比为17.5-50g/mL，在水浴中搅拌反应一定时间后，加水稀释使反应停止，得到反应液A；③将反应液A离心分离、透析至pH值为6-7，再经超声波分散，得到稳定的纳米纤维素晶须悬浮液；二、制备纳米硝化纤维素(1)往步骤一中得到的纳米纤维素晶须悬浮液中加入适量硝酸，使其达到所需浓度，(2)在冰浴中反应一段时间，加水稀释使反应停止，得到反应液B；(3)将反应液B离心、洗涤至pH值达6-7之间。(4)将沉淀物移至蒸发皿中，在50℃下真空干燥得到纳米硝化纤维素粉末。
2.根据权利要求1所述的一种纳米硝化纤维素的制备方法，其特征在于步骤一中的 ②中，水浴温度为45-75°C。
3.根据权利要求1所述的一种纳米硝化纤维素的制备方法，其特征在于步骤二中的 (2)中，反应时间依据要求的纳米硝化纤维素含氮量而定。
全文摘要
本发明涉及一种纳米硝化纤维素的制备方法，属于特种化工技术领域。本发明的制备方法是①将棉纤维素粉末在冰浴中超声预处理后抽滤、烘干待用。将上述纤维素粉末浸入一定浓度的的硫酸溶液中，固液比控制范围在17.5-50g/mL，在45-75℃的水浴中搅拌反应一定时间后，加水稀释后的反应液离心分离至悬浮液的pH值达6-7之间，再经超声波分散，得到稳定的纳米纤维素晶须悬浮液。②在纳米纤维素晶须悬浮液中加入适量硝酸，使其达到所需浓度，加水稀释、离心、洗涤至悬浮液的pH值达6-7之间。将沉淀物移至蒸发皿中，在50℃下真空干燥得到纳米硝化纤维素粉末。本发明由于酸的组成单一，便于酸的后处理和再利用；硝化时间缩短，安定性提高；可用作含能增强材料。
文档编号C08J3/05GK101838332SQ201010172349
公开日2010年9月22日 申请日期2010年7月9日 优先权日2010年7月9日
发明者张凤侠, 李永红, 王文俊, 王飞俊, 邵自强 申请人:北京理工大学