一种纳米纤维素晶体的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物复合材料技术领域，具体涉及一种纳米纤维素晶体的制备方法。
【背景技术】
[0002] 目前，作为增强相提高复合材料的机械性能的纤维素受到人们的广泛关注，天然 纤维素因难以均匀地分散在聚合物基体中，造成其与基体的界面相容性差，从而降低了复 合材料的机械性能，限制了它的应用领域。纳米纤维素是通过化学或物理等方法将微米级 的纤维素分解为纳米尺寸结构的产物，同时兼有天然纤维素及部分纳米粒子的结构具有较 高的表面活性。纳米纤维素具有特有的胶体尺寸，能够长时间在水中形成稳定的悬浮液，从 而提高其在复合材料中的分散性及与基体的相容性，制备低密度、高强度，生物可降解的纳 米复合材料。近年来制备纳米纤维素的方法集中在化学方法上，如浓酸降解法，制备的纳米 纤维素具有高结晶性、高弹性模量的棒状形态或为晶须结构，另有一些学者通过溶剂法等 制备出球形纳米纤维素粒子。但强酸处理对环境污染大，产品后处理复杂。高压均质法是常 见制备纳米材料的物理方法之一，在高压均质过程中，压力能的释放和高速运动使物料粉 碎，从而减小物料的尺寸。但高压均质耗能比较大。且上述方法普遍存在纳米纤维素晶体粒 径大、粒径不可控、热稳定性差等问题。
【发明内容】
[0003] 针对上述问题，本发明旨在提供一种环境友好的纳米纤维素晶体制备方法，并制 备出粒径小、热稳定性好的纳米纤维素晶体。
[0004] -种纳米纤维素晶体的制备方法，步骤如下：用pH 4.8的乙酸-乙酸钠缓冲液配制 浓度为〇. 03-0.05g/mL的纤维素溶液，加入纤维素酶进行酶解，纤维素酶在溶液中的浓度为 10-15U/mL，酶解过程中每间隔12h进行超声，每次超声时间为30-60min;反应结束后，取出 样品，离心分离，将沉淀物离心水洗，冷冻干燥制得纳米纤维素晶体。
[0005] 进一步地，酶解温度为45-55°C。
[0006] 进一步地，酶解在振荡环境下进行，振荡频率为120-130rpm。
[0007] 进一步地，酶解时间为72-120h。
[0008] 进一步地，超声波功率为300-400W。
[0009] 进一步地，反应结束后的具体操作为:取出样品，10000-12000rpm离心10-20min， 水洗至pH为7,得到稳定的纤维素胶体，将胶体液倒入平皿中并置于-24--18°C冷冻20-30h， 然后经-85-75°C冷冻干燥45-50h得到粉末状纳米纤维素晶体。
[0010]本发明的反应原理为:纤维素内切酶进入无定形区，切割纤维素的骨架，使β-1，4-糖苷键断裂，导致纤维素分子聚合度的迅速降低，保留其结晶区，残留的结晶区经超声波处 理后即为产物纳米纤维素晶体。超声提高酶解反应速度的机理如下：改变酶分子的三级结 构，提高酶活，从而加速酶解反应;超声波对反应底物有均质作用，增加了酶与底物的接触 面积，从而有利于酶解反应的进行;超声波的热效应，在酶解体系中施加超声，可以提高酶 解体系的温度，加快酶解反应速率;超声波在振动时能产生强大的能量并向外传递，引起媒 质质点以极高的速度和加速度进入振动状态，增加了酶与底物的接触机会，因此提高了酶 解反应的速度。纤维素溶液在超声波处理过程中发生了一系列的变化，首先纤维素细胞壁 被超声波击破，扩大了底物与酶接触的面积，故在此阶段水解率逐渐增大，速率较快;随着 处理时间的延长，进一步增加了底物与酶相结合的几率，一段时间内达到最大;此后，随着 处理时间的继续延长，部分纤维素酶的活性部位被超声波逐渐破坏，而且随着处理时间的 延长，超声波的驻波会引起一定范围内的聚合作用，超声波的能量转化为热能，温度升高而 使纤维素酶部分失活，因此超声波的处理时间对纤维素酶促水解有很大的影响，本发明选 择超声时间30-60min，可使反应效率达到最高。
[0011] 本发明采用纤维素内切酶结合超声物理方法制备一维棒状纳米纤维素。该方法具 有安全、无污染、高效、耗能低的优势。采用该方法制备得到的纳米纤维素晶体得率高、结晶 度高、热稳定性好、粒径小。
【附图说明】
[0012] 图1透射电子显微镜下各实施例及对比例纳米纤维素形貌；
[0013] 图2热重分析仪测定不同实施例及对比例纳米纤维素的热重变化；
[0014] 图3利用X-衍射图谱对各实施例及对比例纳米纤维素结晶度的测定；
[0015] 图中：a-对比例1，b-对比例2，c-对比例3，d-实施例1，e-实施例2，f-实施例3，g-实 施例4，h-实施例5，i-实施例6，j-对比例4，MCC-微晶纤维素。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明。
[0017] 实施例及对比例中使用的纤维素内切酶购于诺维信（中国）生物技术有限公司；
[0018] PΗ值4.8的乙酸-乙酸钠缓冲液配制方法如下：配制0.0 5mο 1 /L的乙酸钠溶液 1000mL，配制0.05mo VL的的乙酸溶液500mL，取590mL乙酸钠溶液和410mL乙酸溶液混合均 匀。
[0019] 实施例1
[0020] 准确称取6g秸杆纤维素放入锥形瓶中，向锥形瓶中加入所需量(最终混合液的总 体积为200mL)的乙酸-乙酸钠缓冲液，随后加入终浓度为10U/mL的纤维素酶溶液，置于摇床 中，调温度到50°C，振荡频率为126rpm，反应72h使纤维素发生酶解，期间每间隔12h超声 30min(也即12.5h为一个周期），超声波功率为300W，整个酶解过程中共超声5次。反应结束 后，取出样品，l〇〇〇〇rpm离心20min，水洗至pH为7,得到稳定的纤维素胶体，将胶体液倒入平 皿并置于_20°C冷冻24h，然后经-80°C冷冻干燥48h得到粉末状纳米纤维素晶体。
[0021] 实施例2
[0022] 准确称取10g秸杆纤维素放入锥形瓶中，向锥形瓶中加入所需量(最终混合液的总 体积为200mL)的乙酸-乙酸钠缓冲液，随后加入终浓度为12U/mL的纤维素酶溶液，置于摇床 中，调温度到55°C，振荡频率为130rpm，反应96h使纤维素发生酶解，期间每间隔12h超声 30min(也即12.5h为一个周期），超声波功率为320W，整个酶解过程中共超声7次。反应结束 后，取出样品，ll〇〇〇rpm离心15min，水洗至pH为7,得到稳定的纤维素胶体，将胶体液倒入平 皿并置于_24°C冷冻20h，然后经-85°C冷冻干燥45h得到粉末状纳米纤维素晶体。
[0023] 实施例3
[0024] 准确称取8g秸杆纤维素放入锥形瓶中，向锥形瓶中加入所需量(最终混合液的总 体积为200mL)的乙酸-乙酸钠缓冲液，随后加入终浓度为15U/mL的纤维素酶溶液，置于摇床 中，调温度到45°C，振荡频率为120rpm，反应120h使纤维素发生酶解，期间每间隔12h超声 30min(也即12.5h为一个周期），超声波功率为340W，整个酶解过程中共超声9次。反应结束 后，取出样品，12000rpm离心10min，水洗至pH为7,得到稳定的纤维素胶体，将胶体液倒入平 皿并置于_18°C冷冻28h，然后经-75°C冷冻干燥50h得到粉末状纳米纤维素晶体。
[0025] 实施例4
[0026] 准确称取6g秸杆纤维素放入锥形瓶中，向锥形瓶中加入所需量(最终混合液的总 体积为200mL)的乙酸-乙酸钠缓冲液，随后加入终浓度为1 lU/mL的纤维素酶溶液，置于摇床 中，调温度到52°C，振荡频率为125rpm，反应72h使纤维素发生酶解，期间每间隔12h超声 60min(也即13h为一个周期），超声波功率为350W，整个酶解过程中共超声5次。反应结束后， 取出样品，llOOOrpm离心15min，水洗至pH为7,得到稳定的纤维素胶体，将胶体液倒入平皿 并置于-22°C冷冻28h，然后经-82°C冷冻干燥48h得到粉末状纳米纤维素晶体。
[0027] 实施例5
[0028]准确称取7g秸杆纤维素放入锥形瓶中，向锥形瓶中加入所需量(最终混合液的总 体积为200mL)的乙酸-乙酸钠缓冲液，随后加入终浓度为13U/mL的纤维素酶溶液，置于摇床 中，调温度到47°C，振荡频率为122rpm，反应96h使纤维素发生酶解，期间每间隔12h超声 60min(也即13h为一个周期），超声波功率为370W，整个酶解过程中共超声7次。反应结束后， 取出样品，12000rpm离心12min，水洗至pH为7，得到稳定的纤维素胶体，将胶体液倒入平皿 并置于-20°C冷冻26h，然后经-80°C冷冻干燥47h得到粉末状纳米纤维素晶体。
[0029] 实施例6
[0030]准确称取9g秸杆纤维素放入锥形瓶中，向锥形瓶中加入所需