一种快速吸水自膨胀纳米纤维素材料及其制备方法和应用

本发明属于纳米纤维素材料制备，具体涉及一种快速吸水自膨胀纳米纤维素材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、吸水自膨胀材料一般需要具备两个特征，即多孔结构和亲水基团。其中，多孔结构有利于水分通过毛细管作用进入材料内部，而亲水基团则有利于水分子与材料间快速形成结合键，从而大大降低材料间的相互作用。正是依靠这两种机制的共同作用，吸水自膨胀材料可以通过吸收水分，快速增加自身质量和体积，具有广泛的用途。但是，传统的吸水自膨胀材料，如膨胀性粘土、吸水膨胀橡胶以及其他石油基吸水自膨胀材料等，不仅成分复杂、吸水速度慢、膨胀倍率低、膨胀倍率不可控，而且还伴随着一定的污染问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种快速吸水自膨胀纳米纤维素材料及其制备方法。本发明方法制备的吸水自膨胀材料具有绿色环保、制备工艺简单、功能多样化、吸水速度快、膨胀倍率高以及膨胀倍率可控等特点，克服了现有吸水自膨胀材料的众多缺点，可广泛应用在食品、医药、生物、能源、土木和工业等众多领域，例如减肥、止血、抗菌、伤口愈合、组织工程、生物传感器和酶反应器等。

2、本发明所述的快速吸水自膨胀纳米纤维素材料的制备方法，具体步骤如下：

3、a)共混：将纳米纤维素原料与交联剂按照一定比例共混均匀；

4、b)化学交联并干燥：在特定条件下进行化学交联并对混合浆料进行干燥处理，得到多种不同形态的快速吸水自膨胀纳米纤维素材料。

5、进一步地，本发明制备方法还包括，步骤c)再加工处理，可根据实际应用中的需求对所述快速吸水自膨胀纳米纤维素材料进行再加工处理。

6、本发明中，步骤a)中，所述纳米纤维素原料为通过提取得到的纳米纤维素、再生的纳米纤维素、化学改性的纳米纤维素、微生物代谢产生的细菌纳米纤维素。

7、具体地，所述纳米纤维素原料为各种提取来源和提取方法得到的纳米纤维素、各种化学改性的纳米纤维素以及各种微生物代谢产生的细菌纳米纤维素等，具体为从棉花、树木、竹子以及藻类等各种植物和微生物中提取的纳米纤维素，和/或使用酶解法、化学法、物理机械法和化学机械法等中的一种或几种提取的纳米纤维素，和/或磺酸化纳米纤维素、羧甲基化纳米纤维素、tempo化纳米纤维素、磷酸化纳米纤维素以及经过其他化学改性的各种纳米纤维素，和/或由醋酸菌属、土壤杆菌属、根瘤菌属、八叠球菌属以及其他可代谢产生纳米纤维素的各种菌属所代谢产生的细菌纳米纤维素等。

8、其中，所述各种化学改性的纳米纤维素的取代度范围是0-3；优选地，为0-0.8。

9、步骤a)中，所述交联剂为甲醛/尿素、柠檬酸、乙二醛、戊二醛、硅烷偶联剂、酸酐偶联剂、环氧氯丙烷等各种可以交联纤维素的交联剂中的一种或几种；优选地，为柠檬酸、戊二醛和环氧氯丙烷。

10、步骤a)中，所述共混方式为浸泡、搅拌、捏合以及密炼等各种可以辅助原料混合均匀的方法中的一种或几种。

11、步骤a)中，所述纳米纤维素原料(干重)和交联剂(纯)的质量比为1:(0.0001-10)；优选地，为1：0.01-1。

12、步骤b)中，所述干燥技术为自然干燥、高温干燥、热压干燥、气流干燥、喷雾干燥、流化床干燥、旋转闪蒸干燥、红外干燥、微波干燥、冷冻干燥和超临界干燥等各种干燥技术中的一种或几种。

13、步骤b)中，所述化学交联和干燥处理过程不分先后次序，可以先交联后干燥或先干燥后交联，也可以在干燥过程中完成交联。

14、进一步包括的步骤c)中，所述再加工处理方法包括但不限于裁剪、切割、粉碎、压缩等方法中的一种或几种。

15、在具体实施方式中，所述制备方法具体步骤如下：

16、a)准备纳米纤维素原料和交联剂；

17、按投料质量比称量纳米纤维素原料和交联剂；

18、将称量好的纤维素原料与交联剂共混均匀得到混合浆料；

19、b)在特定条件下进行化学交联后对混合浆料进行干燥处理，得到快速吸水自膨胀纳米纤维素材料；和/或对混合浆料进行干燥处理后再在特定条件下进行化学交联，得到快速吸水自膨胀纳米纤维素材料；和/或在干燥过程中进行化学交联，得到快速吸水自膨胀纳米纤维素材料；

20、进一步地，还包括步骤c)，根据实际应用中的需求对材料进行再加工处理。

21、本发明还提供了一种基于上述制备方法制备获得的快速吸水自膨胀纳米纤维素材料。

22、本发明中所述快速吸水自膨胀纳米纤维素材料，为遇水可快速吸水份并使自身体积膨胀的纳米纤维素材料，其形态可以为粉末、颗粒、絮状物、薄膜、片状物、气凝胶或块状物等，其充分吸水膨胀的时间在2-30秒之间，其膨胀倍率(质量)可达到3000-90000％。

23、本发明还提出了所述快速吸水自膨胀纳米纤维素材料在食品、医药、生物、能源、土木和工业中的应用，所述应用包括不限于在制备减肥产品、止血产品、抗菌产品、伤口愈合产品、组织工程、生物传感器和酶反应器中的应用。

24、在具体实施方案中，将快速吸水自膨胀纳米纤维素材料用于制备棒状止血产品、球状吸水产品、用于吸水溶胀的压缩球状产品、吸水用的粉末状产品、可食用的减肥/减重/减脂产品等。

25、本发明创新改进的技术原理及有益效果包括：使用化学交联剂将纤维素纳米纤维共价交联形成整体结构，使得材料在吸水膨胀后仍然保持整体性；干燥处理后，由于水的巨大表现张力和纤维素纳米纤维之间氢键的形成等原因，材料体积急剧缩小。冷冻干燥和超临界干燥技术除外，这两种技术得到的材料为气凝胶，其体积基本保持不变；进一步地，经裁剪、切割、粉碎、压缩等再加工处理后，导致材料体积进一步缩小。本发明中，由于纳米纤维素具有良好的亲水性，水会破坏纤维素纳米纤维素之间的氢键，导致材料遇水后会迅速溶胀并完成膨胀过程。

26、本发明快速吸水自膨胀纳米纤维素材料具有绿色环保、制备工艺简单、功能多样化、吸水速度快(2-30秒)、膨胀倍率高(3000-9000％)以及膨胀倍率可控等特点，可广泛应用在食品、医药、生物、能源、土木和工业等众多领域，例如减肥、止血、抗菌、伤口愈合、组织工程、生物传感器和酶反应器等。

技术特征：

1.一种快速吸水自膨胀纳米纤维素材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中，所述纳米纤维素原料为通过提取得到的纳米纤维素、再生的纳米纤维素、化学改性的纳米纤维素、微生物代谢产生的细菌纳米纤维素。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中，所述交联剂为甲醛/尿素、柠檬酸、乙二醛、戊二醛、硅烷偶联剂、酸酐偶联剂、环氧氯丙烷中的一种或多种；

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)中，所述干燥方式为自然干燥、高温干燥、热压干燥、气流干燥、喷雾干燥、流化床干燥、旋转闪蒸干燥、红外干燥、微波干燥、冷冻干燥、超临界干燥中的一种或几种。

6.如权利要求1所述的的制备方法，其特征在于，步骤b)中，所述化学交联和干燥处理过程不分先后次序，可以先交联后干燥或先干燥后交联，也可以在干燥的过程中完成交联。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)得到的所述快速吸水自膨胀纳米纤维素材料的形态包括粉末、颗粒、絮状物、薄膜、片状物、气凝胶、块状物。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，进一步包括，步骤c)：对所述步骤b)得到的所述快速吸水自膨胀纳米纤维素材料的再加工处理方法；所述再加工处理方法为裁剪、切割、粉碎、压缩方法中的一种或多种。

9.一种按如权利要求1-8之任一项所述制备方法得到的快速吸水自膨胀纳米纤维素材料。

10.如权利要求9所述的快速吸水自膨胀纳米纤维素材料，其特征在于，所述快速吸水自膨胀纳米纤维素材料为一种遇水可快速吸水份并使自身体积膨胀的纳米纤维素材料，其形态为粉末、颗粒、絮状物、薄膜、片状物、气凝胶或块状物，其充分吸水膨胀的时间在2-30秒之间，其膨胀倍率达到3000-90000％。

11.如权利要求9所述的快速吸水自膨胀纳米纤维素材料在制备减肥产品、止血产品、抗菌产品、伤口愈合产品、组织工程、生物传感器和酶反应器中的应用。

技术总结
本发明公开了一种快速吸水自膨胀纳米纤维素材料及其制备方法，其制备方法包括以下步骤：首先，将纳米纤维素原料和交联剂混合均匀；然后，在特定条件下进行化学交联并对混合浆料进行干燥处理，得到快速吸水自膨胀纳米纤维素材料。本发明还可以将快速吸水自膨胀纳米纤维素材料进一步加工以适应不同实际应用中的需求。本发明公开的快速吸水自膨胀纳米纤维素材料具有绿色环保、制备工艺简单、功能多样化、吸水速度快、膨胀倍率高以及膨胀倍率可控等特点，可广泛应用在食品、医药、生物、能源、土木和工业等众多领域。

技术研发人员：张强,王力
受保护的技术使用者：华东师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15