一种利用制糖副产物甘蔗渣制备纳米纤维素的方法与流程

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种利用制糖副产物甘蔗渣制备纳米纤维素的方法。

背景技术：

基于化石资源的高分子由于其不可再生性和非生物降解性引起的资源和环境问题日益突出，充分开发利用可再生资源成为必然趋势。目前，利用天然生物质制备纳米纤维素，取代石油、金属等不可再生资源，应用于纺织，建材，汽车，个人护理等领域已成为国内外研究的热点。

天然纤维素是地球上最丰富的生物质资源，是自然界中分布最广的生物高分子，它存在于各种各样的生物如植物、动物以及一些细菌等中。纳米纤维素是直径小于100nm的超微细纤维，也是纤维素的最小物理结构单元，与非纳米纤维素相比，它具有高强度、高亲水性、高透明性等优点，加之具有天然纤维素轻质、可降解、生物相容及可再生等特性，在造纸、建筑、汽车、食品、化妆品、电子产品、医学等领域有巨大的潜在应用前景。

甘蔗渣是制糖生产的副产物，干化的甘蔗渣成分包括木质素18~22%、纤维素40~50%、半纤维素25~30%、蛋白质2.5%、粗灰分2.5%、果胶质1.5%，脂肪、糖分等1.5-2.5%，纤维素含量比其他常见天然生物质原料高。云南省是甘蔗种植第二大省，蔗糖产业是云南省当地产业的支柱项目，曾带动当地少数民族发展经济，实现脱贫致富，但近十多年以来蔗糖产业举步维艰，急需引进先进技术探索循环经济发展模式，延伸产业链，提升产品附加值，实现可持续发展。云南省甘蔗年入榨量在1500万吨以上，生产副产物干化甘蔗渣约160万吨，其中约130万吨供给糖厂锅炉做燃料，剩余约30万吨堆积放置，不仅污染环境而且存在火灾安全隐患。利用甘蔗渣制备纳米纤维素，可实现制糖副产物甘蔗渣的高值化利用，同时具有廉价、量多、易收集、纤维素含量高等优势，对推动云南的蔗糖产业发展具有重要作用。目前制备纳米纤维素的方法大多需要经过多步碱、酸或者酶处理，工艺流程长，成本较高，限制了纳米纤维素的工业化生产和应用。因此开发一种能解决上述技术问题的方法是非常必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种利用制糖副产物甘蔗渣制备纳米纤维素的方法。

本发明的目的是这样实现的，所述的利用制糖副产物甘蔗渣制备纳米纤维素的方法包括干燥、粉碎、漂白脱纤、超声细化和高压均质步骤，具体包括：

a、干燥：将制糖副产物甘蔗渣干燥得到物料a；

b、粉碎：将物料a粉碎过40目筛得到甘蔗渣粉末b；

c、漂白脱纤：将甘蔗渣粉末b中加入甘蔗渣粉末b重量40~80倍的过碳酸钠复合脱木素试剂，在温度30~70℃条件下搅拌反应1~3h进行漂白，然后升温至80~120℃搅拌反应1~5h去除木质素和半纤维素等杂质，过滤取滤渣洗涤抽干至中性得到物料c；

d、超声细化：将物料c中加入甘蔗渣粉末b重量40~120倍的去离子水，超声破碎得到触感无颗粒感的半凝胶态纤维素d；

e、高压均质：将触感无颗粒感的半凝胶态纤维素d均质得到目标物纳米纤维素。

本发明具有以下优点：

1）利用本发明方法可以合理高效利用制糖副产物甘蔗渣，避免对生态环境的影响和危害，消除火灾安全隐患，提高甘蔗渣的附加值，产生经济、社会和生态效益；

2）利用本发明方法制得的纳米纤维素，其直径20~300nm，比表面积大，具有机械性能高、生物相容性好、复合活性高等优点；

3）解决了现有技术难以简单高效利用植物纤维制备纳米纤维素的问题；

4）工艺流程短、操作简便易于实施，生产成本低，制备过程中不产生对环境有害副产物；

5）所得纳米纤维素保留纤维素表面-oh，且无其它基团引入，产物可均匀分散于水、乙醇等多种溶剂，在柔性电子、功能材料、聚合物改性等领域应用前景广。

附图说明

图1是具体实施例一制备的甘蔗渣纳米纤维素的透射电子显微镜照片；

图2是具体实施例二制备的甘蔗渣纳米纤维素的透射电子显微镜照片。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。

本发明所述的利用制糖副产物甘蔗渣制备纳米纤维素的方法包括干燥、粉碎、漂白脱纤、超声细化和高压均质步骤，具体包括：

a、干燥：将制糖副产物甘蔗渣干燥得到物料a；

b、粉碎：将物料a粉碎过40目筛得到甘蔗渣粉末b；

c、漂白脱纤：将甘蔗渣粉末b中加入甘蔗渣粉末b重量40~80倍的过碳酸钠复合脱木素试剂，在温度30~70℃条件下搅拌反应1~3h进行漂白，然后升温至80~120℃搅拌反应1~5h去除木质素和半纤维素等杂质，过滤取滤渣洗涤抽干至中性得到物料c；

d、超声细化：将物料c中加入甘蔗渣粉末b重量40~120倍的去离子水，超声破碎得到触感无颗粒感的半凝胶态纤维素d；

e、高压均质：将触感无颗粒感的半凝胶态纤维素d均质得到目标物纳米纤维素。

a步骤中所述的干燥为烘干或风干。

所述的烘干的温度为40~50℃。

b步骤中所述的粉碎为机械粉碎。

所述的粉碎是将物料a用转速为3000~10000r/min的粉碎机处理30~60s。

c步骤中所述的过碳酸钠复合脱木素试剂的组成与质量体积比浓度为：4~10%2na2co3·3h2o2、0.5~2.0%na3po4、0.5~2.0%na2sio3和2~6%naoh。

d步骤中所述的超声破碎是在温度15~35℃，功率600w以上条件下超声破碎30~90min。

e步骤中所述的均质是在不同压力条件下进行均质，具体为：依次按10mpa1~3次，30mpa2~4次，60mpa3~5次，100mpa4~6次进行均质得到目标物纳米纤维素。

所述的均质的具体为：依次按10mpa1~3次，均质时间为每次40~60min；30mpa2~4次，均质时间为每次30~50min；60mpa3~5次，均质时间为每次20~40min；100mpa4~6次，均质时间为每次10~30min，最后得到目标物纳米纤维素。

所述的目标物纤维素的直径为20~300nm，长径比高为20~50。

下面以具体实施案例对本发明做进一步说明：

实施例1

（1）采样烘干：将采集自云南德宏景罕糖厂蔗渣库的甘蔗渣45℃烘干（或风干）；（2）机械粉碎：将烘干后的甘蔗渣原料用高速粉碎机处理30s，过40目筛网，称取6g过筛后的纤维粉末；（3）漂白脱纤：将称取的甘蔗渣粉末转移至三口烧瓶，加入200g过碳酸钠复合脱木素试剂(2na2co3·3h2o2/na3po4·12h2o/na2sio3·9h2o/naoh/水的质量体积比为6.0/0.8/0.8/2/100)，在60℃搅拌反应60min，利用过碳酸钠分解产生过氧化氢漂白，然后升温到90℃，搅拌反应3h去除木质素和半纤维素等杂质，过滤取滤渣洗涤抽干至中性；（4）超声细化：将抽滤洗涤得到的滤渣加入到300g去离子水中，在恒温20℃温度下，保持600w以上的功率，间隔3s，经超声细胞破碎仪破碎80min，得到触感无颗粒感的半凝胶态纤维素；（5）高压均质：将得到的半凝胶态纤维素在不同压力条件下均质数遍，具体为：10mpa1次，30mpa2次，60mpa3次，100mpa4次，之后得到颜色稍带蓝色的纳米级纤维素，直径为20~300nm，长径比高为20~50。

本实施方式制备的甘蔗渣纳米纤维素的透射电子显微镜照片如图1所示，从图可以看出，甘蔗渣纳米纤维素直径为20~300nm，长度在几个微米。

实施例2

（1）采样烘干：将采集自云南德宏瑞丽糖厂蔗渣库的甘蔗渣45℃烘干（或风干）；（2）机械粉碎：将烘干后的甘蔗渣原料用高速粉碎机处理60s，过40目筛网，称取6g过筛后的纤维粉末；（3）漂白脱纤：将称取的甘蔗渣粉末转移至三口烧瓶，加入400g过碳酸钠复合脱木素试剂(2na2co3·3h2o2/na3po4·12h2o/na2sio3·9h2o/naoh/水的质量体积比为9.0/1.6/1.6/4/100)，在50℃搅拌反应1.5h，利用过碳酸钠分解产生过氧化氢漂白，然后升温到80℃，搅拌反应4h去除木质素和半纤维素等杂质，过滤取滤渣洗涤抽干至中性；（4）超声细化：将抽滤洗涤得到的滤渣加入到500g去离子水中，在恒温20℃温度下，保持600w以上的功率，间隔3s，经超声细胞破碎仪破碎60min，得到触感无颗粒感的半凝胶态纤维素；（5）高压均质：将得到的半凝胶态纤维素在不同压力条件下均质数遍，具体为：10mpa2次，30mpa2次，60mpa3次，100mpa4次，之后得到颜色稍带蓝色的纳米级纤维素，直径为20~300nm，长径比高为20~50。

本实施方式制备的甘蔗渣纳米纤维素的透射电子显微镜照片如图2所示，从图可以看出，甘蔗渣纳米纤维素直径为20~300nm，长度在几个微米。