一种采用微通道分级分离纤维素的方法与流程

本发明涉及纤维素的分离方法，特别涉及一种采用微通道分级分离纤维素的方法。

背景技术：

石化资源的应用造成了严重的污染问题，人们将未来能源和材料的来源聚焦于生物质。植物资源广泛存在于自然界中，主要包含纤维素、半纤维素和木素三种组分，来源广泛且环境友好，是一种可再生的自然资源。近年来，研究者们不断深入研究纤维素结构与性能的关系，优化纤维素的某些性能，开发出其更多的功能，使纤维素这类可再生资源有更为广阔的应用前景和范围。其中，纳米微晶纤维素由于其高透明度、低密度、低热膨胀性、生物可降解性、环境友好性、大的比表面积、生物相容性、稳定的化学性质、高强度等优点成为一种新型的材料，在造纸、化工、食品、医药、材料等领域有着广阔的应用前景。然而，微纳米纤维素的应用在一定程度上取决于它的几何结构，尤其是它的长度。例如，尺寸较短的纤维在功能性膜和塑料制品中有较多的优势，尺寸较长的纤维适合用作材料增强剂，因此，微纳米纤维素的分级分离显得尤为重要。然而，目前并没有好的方法可以将纤维素进行分级分离。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种采用微通道分级分离纤维素的方法，解决了现有技术无法对纳米纤维素分级分离的问题，分级分离工艺简单，易于实施，能量消耗小，快速简便，可持续生产。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种采用微通道分级分离纤维素的方法,包括以下步骤：

(1)将微米或纳米长度的纤维素配置成纤维素悬浊液，并使样品完全分散；

(2)将纤维素通过注射泵泵入到微通道中；

(3)通过注射泵控制流速，使不同粒径、长度范围的纤维素分别从微通道的不同出口流出。

步骤(1)所述纤维素为针叶木浆、阔叶木浆、非木材浆、废纸浆。

步骤(1)所述纤维素悬浊液中纤维素的浓度范围为0.001-0.1wt％。

所述纤维素的长度为100纳米至10微米。

所述微通道为单螺旋通道、双螺旋通道、s型通道或直线通道。

所述的微通道的横截面形状为矩形、圆形、梯形、正方形中的一种。

所述微通道的出口包括多个。

所述微通道的曲率半径为0.1毫米至10厘米；所述的微通道的尺度范围为1微米至100毫米。

步骤(3)完成后进行以下步骤：(4)将步骤(3)收集到的纤维素通过注射泵泵入到微通道中，通过注射泵控制流速，使不同粒径、长度范围的纤维素分别从微通道的出口流出。

所述的采用微通道分级分离纤维素的方法,重复步骤(4)多次。

本发明的纳米纤维素在直的微通道中的分离归因于惯性升力和拖拽力的平衡，其中惯性升力包括剪切惯性升力和壁效应升力；基于纳米纤维素长度的不同，剪切惯性升力和壁效应升力大小不同，导致不同尺寸的纳米纤维素在横向方向产生不同的位移，直到纳米纤维素受力平衡，到达平衡位置，因此从不同的出口中可以收集到尺寸不同的纳米纤维素。在有曲率的微通道中，除了惯性升力和拖拽力作用于纳米纤维素外，迪恩力也会作用于纳米纤维素。迪恩力的引入，使得纳米纤维素在微通道中的平衡位置减少，更有利于实现分离。与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明解决现有技术无法解决的纳米纤维素分级分离的问题，易实施，工艺简单，能量消耗小，快速简便，可持续实验。

2、本发明的用微通道分级分离纤维素的方法处理量大。

3、本发明的用微通道分级分离纤维素的方法可以实现对纳米纤维素的精准控制，分离效果明显。

附图说明

图1为实施例1中单螺旋通道内出口的微纳米纤维素的原子力图。

图2为实施例1中微螺旋通道外出口的微纳米纤维素的原子力图。

图3为实施例1中单螺旋通道的横截面。

图4为实施例1中横截面为矩形、圈数为6圈、出口为3个的单螺旋通道。

图5为实施例2中一级分离和二级分离内出口的微纳米纤维素的长度统计图。

图6为实施例2中单螺旋通道的横截面。

图7为实施例3中横截面为正方形、出口为2个的s型微通道。

图8为实施例4中横截面为梯形、圈数为12圈、出口为3个的双螺旋通道。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例使用横截面为矩形单螺旋通道分离tempo法制得的微纳米纤维素。单螺旋通道的圈数为6圈，最内侧的曲率半径为5mm，最外侧的曲率半径为15mm。矩形单螺旋通道的宽度为300μm，高度为50μm，内出口的宽度为85μm，外出口的宽度为215μm。将tempo法制得的微纳米纤维素通过注射泵泵入单螺旋通道中心的入口，流速为120μl/min。从内出口收集的样品为经过分离后尺寸均一、较小的样品，是所需的样品。从外出后收集的样品是未分离的样品，微纳米纤维素的尺寸分布不均一，是未完成分离的样品。

图1为内出口收集的样品的afm图片，从图中可以看出微纳米纤维素的长度比较均一，分布范围较窄，经过统计多张afm图片计算出纳纤的平均长度为195nm。图2为外出口收集的样品的afm图片，从图片中可以看出微纳米纤维素的长度不均一，分布范围较广，经过统计多张afm图片计算出纳纤的平均长度为405nm。图3为单螺旋通道的横截面，图4为单螺旋通道的示意图。

实施例2

本实施例使用截面为梯形单螺旋通道分离硫酸法制得的微纳米纤维素。单螺旋通道的圈数为8圈，最内侧的曲率半径为6mm，最外侧的曲率半径为20mm。梯形单螺旋通道的宽度为500μm，通道内侧高度为60μm，外侧高度为110μm。内出口的宽度为100μm，外出口的宽度为400μm。将硫酸法制得的微纳米纤维素通过注射泵泵入单螺旋通道中心的入口，流速为60μl/min。将从内出口收集到的样品进行二级分离。

图5为一级分离内出口样品和二级分离内出口样品的长度统计图。从图中可以看出，二级分离内出口样品的长度范围明显小于一级分离内出口样品的长度范围，长度更加均一。图6为单螺旋通道的横截面。

实施例3

本实施例使用横截面为矩形的s型微通道分离盐酸法制得的微纳米纤维素。s型微通道的横截面为100×100μm的正方形。每个s圈中有2个曲率半径r1、r2，本实施例中r1、r2均为80μm，由10个s组成，共有2个出口，出口的宽度均为50μm。将盐酸法制得的微纳米纤维素通过注射泵泵入s型微通道中，流速为200μl/min。从2个出口处收集分离完成的微纳米纤维素。

图7为本实施例中s型微通道示意图。

实施例4

本实施例使用横截面为梯形的双螺旋通道分离酶解-机械法制得的纳米纤维素。双螺旋通道共有12圈组成，最内侧的曲率半径为10mm，最外侧的曲率半径为32mm。双螺旋通道的横截面为梯形，宽度为400μm，内侧高度为100μm，外侧高度为160μm，内、中、外三个出口的宽度分别为140、140、120μm。将微纳米纤维素通过注射泵泵入双螺旋通道中心的入口，流速为600μl/min。从内出口收集的样品为经过分离后尺寸均一、较小的样品，是所需的样品。

图8为本实施例中双螺旋通道示意图。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。