製造納米纖維素的生物機械分絲方法
2024-01-20 16:35:15 2
專利名稱：製造納米纖維素的生物機械分絲方法
技術領域：
本發明涉及一種納米纖維索的製造方法。它是以精製紙漿為原料，經微生物發酵和機械研磨相結合的分絲方法製得納米纖維素。
背景技術：
植物纖維的基礎物質是纖維素，它是地球上最豐富的天然高分子，人類最寶貴的天然可再生資源。纖維素有加工和變性為不同用途材料的特性，因此，近年利用纖維素的這種特性，生產出各種複合材料，在國民經濟各領域得到廣泛的應用。眾所周知，纖維素的不耐化學腐蝕、強度差以及物理形態等不足在一定程度上限制了其應用範圍。經納米化分散製得的納米尺度纖維素與常規纖維素相比，因其高純度、高結晶度、高彈性模量、高強度等特性，以其為增強相的複合材料展示出了極高的彈性模量、 強度、熱穩定性、剛性和柔韌性等，再加之其輕質、可降解、生物相容及可再生等特性，使其在高性能複合材料中顯示出巨大的應用前景。納米纖維素表面包含大量的羥基，使其表面易於化學改性，從而賦予表面不同的特性。通過表面改性能夠使疏水性基質材料具有分散性，擴大了納米纖維素的應用範圍。此外，納米纖維素在光學材料、墨板劑材料和智能材料等領域也有著潛在的應用前景。植物纖維素纖維結構複雜，結晶度高，納米化難度較高。目前國內外大部分納米纖維素製備方法以化學法為主，如水解法、溶劑法、離子液體溶解法等。這些方法都以先溶解纖維素，後再結晶，生成與原來晶胞結構不同的新的結晶變體，即納米晶須。但是這種納米晶須破壞了原有糖苷鍵連接而成的線形巨分子結構，聚合度降低，機械性能變差，生產過程環境汙染大，設備腐蝕嚴重，工業化生產能力也較低。也有採用超聲波粉碎等物理方法製得納米纖維素的，如US2010/0065236公開了一種用物理的高壓均質法製造納米纖維素的專利技術， CN101691698公開了一種用苯乙醇和冰醋酸進行化學處理，再結合超聲波破碎處理法製造納米纖維素的專利技術，這些技術，均為納米纖維素的製造提供一種新的途徑，各自為社會作出貢獻。但從總體上說，高壓均質或超聲波等物理處理法，纖維表面易產生孔隙，影響強度，對容器有所損害。經檢索，尚未發現用生物發酵與機械研磨結合的分絲方法製造納米纖維素的資料報導。
發明內容
本發明要解決的技術問題是設計出一種製造納米纖維素的生物發酵和機械研磨相結合的分絲方法。解決這一技術問題採用的技術方案是本製造納米纖維素的生物機械分絲方法經過下列步驟(1)配製含糖紙漿用含水率為10% -15%的精製紙漿，浸泡在工業用水為 95重量份和蔗糖為5重量份的糖水溶液中，充分攪拌，潤脹24h後，撈出浙幹成含水率60% -70%的含糖紙漿；(2)待發酵物的製備用下列原料及其重量份混配，50份麩皮、2. 5份蛋白腖、2份酵母、1000份步驟(1)製得的含水率為60%-70%的含糖紙漿，混合併充分拌勻成待發酵物，PH值為6;(3)裝入容器發酵將步驟( 製得的混合拌勻的待發酵物，置於罈中或塑膠袋中半封口，控制溫度30-35°C，發酵70-7 ，散發出略有酸甜刺鼻的酒香味，則發酵成功，成為發酵漿料；(4)發酵漿料的研磨用1重量份發酵漿料與5重量份工業用水混合拌勻後，放入納米研磨機中反覆研磨5-15次，即成納米纖維素膠體溶液；(5)膠體溶液的過濾或乾燥按用戶要求或為方便貯運，對納米纖維素膠體溶液進行濾膜過濾或真空冷凍乾燥成粉末。所說的酵母為FWZ8-12酵母粉。所說的納米研磨機為日本增幸株式會社生產銷售的MKCA6-3雙磨盤型的石臼式磨碎機，調節磨盤間隙為1-30 μ m。本發明的有益效果是採用本方法對纖維強度的影響小、不損害容器、生產過程不汙染環境，製得納米纖維素經透射電鏡觀察呈樹枝狀，這樣的結構直觀地反映出本納米纖維素與其它材料複合，其複合性能、力學性能和熱性能較高。
附圖為本納米纖維素透射電鏡成像圖。
具體實施例方式本發明下面結合實施例作進一步詳述步驟(1)所述的精製紙漿包括精製木漿、 精製竹漿、精製棉漿等。所說的含糖紙漿中的糖可以是葡萄糖、果糖、蜂蜜等，從低成本和原料易得考慮，選用蔗糖。選用精製紙漿為原料是因其結晶度和聚合度比普通紙漿高，纖維素分子與分子之間的結合力大，進行納米化分絲難度相對大。從難著手，才選用精製紙漿，一旦成功，其餘更易處理。當然可用各種植物纖維作原料製成最終的納米纖維素，但這需對植物纖維作前期處理，如去除木質素、半纖維素等，而這些又為常規技術或現有技術、無創新之處，因此直接以精製紙漿作原料。步驟( 中的麩皮、蛋白腖、酵母均可市售獲得，為常規商品，它們與糖一起，為紙漿提供了發酵所需的酵母菌及其培養基，其中2重量份的酵母是按市售的FWZ8-12酵母粉為例定的值，其它如選用市售酒麴等，可比照執行，加入的量也應再作修正，實際操作時，酵母加入量略作伸縮也無關大體，可用發酵時間長短來彌補。步驟 (3)中裝罈發酵的罈泛指容器，不局限於罈罐。所說的半封口指用沙布或透氣膜等蓋或罩住敞口，以利保溫、供氧和減少雜菌的混入。步驟⑷中所說的納米研磨機選用日本增幸株式會社的MKCA6-3雙磨盤的石臼式磨碎機，調整磨盤間隙為1-30 μ m,反覆研磨5_15次，研磨次數多的纖維素更細，但機械強度隨之有所減損。步驟( 的過濾或乾燥，屬於納米纖維素製成後的後續處理工序。因纖維素結晶度和聚合度高，精製紙漿尤甚，不易降解，先經糖水潤脹是為配製酵母菌的培養基打基礎，也給酵母菌滲入非結晶區提供了便利，在酵母的發酵作用下，纖維分絲，通過微生物化學力的降解作用，降低了結晶度和聚合度，再進一步用納米研磨機研磨， 在高速研磨中產生的壓縮和剪切的應力作用下，再得以分絲與降解，反覆研磨，使精製紙漿的結晶度與聚合度嚴重喪失，纖維束狀體解體，達到分絲的目的，獲得納米纖維素。實施例1 用含水率10 %的精製紙漿，浸泡在95重量份的工業用水和5重量份蔗糖混合的水溶液中，充分攪拌，潤脹Mh，撈出浙幹成含水率為60%的含糖紙漿；再將1000 重量份的前述含水率為60%的含糖紙漿、50重量份的麩皮、2. 5重量份的蛋白腖和2重量份 FWZ8-12酵母粉混合拌勻，製得待發酵物，pH值為6 ；再將該待發酵物裝入罈中略壓實，罈口蓋上雙層沙布，在30°C的溫度條件下發酵75小時，嗅到酒香味即為發酵成功，成為發酵漿料；再用這發酵漿料與工業用水以重量比為1 5的比例混合，放入日本增幸株式會社生產和出售的MKCA6-3雙磨盤型的石臼式磨碎機，磨盤間隙30 μ m，反覆研磨5次，用濾膜過濾， 得纖維的平均直徑約為lOOnm、長徑比約為1500的納米纖維素。實施例2 用含水率為13%的精製紙漿為原料，與實施例1相同方法製得含糖紙漿，浙幹後含水率65%，再製備待發酵物，發酵溫度為32°C，發酵7 即成發酵漿料，發酵漿料兌水後放入雙磨盤型的石臼式磨碎機中，調節磨盤間隙15ym，反覆研磨10次，真空冷凍乾燥成粉末狀，得纖維的平均直徑約為60nm，長徑比約為1700的納米纖維素。實施例3 用含水率15%的精製紙漿為原料，製得浙幹後含水率為70% -的含糖紙漿，再製備待發酵物，發醇溫度35°C，發酵70h即成發酵漿料，發酵漿料兌水後放入磨碎機中，間距調到Iym反覆研磨15次，經濾膜過濾後再真空乾燥成粉末狀，得纖維的平均直徑約為20nm，長徑比約為2000的納米纖維素。以上實施例2、3中未列出參數及具體步驟的，是與實施例1相同的，不複述。只對在各步驟中參數為區間值的，分別按下限值、中間值、上限值分列作出實施例。
權利要求
1.一種製造納米纖維素的生物機械分絲方法，其特徵是經過下列步驟(1)配製含糖紙漿用含水率為10%-15%的精製紙漿，浸泡在工業用水為95重量份和蔗糖為5重量份的糖水溶液中，充分攪拌，潤脹24h後，撈出浙幹成含水率60% -70%的含糖紙漿；(2)待發酵物的製備用下列原料及其重量份混配，50份麩皮、2.5份蛋白腖、2份酵母、 1000份步驟(1)製得的含水率為60% -70%的含糖紙漿，混合併充分拌勻成待發酵物，PH 值為6;(3)裝入容器發酵將步驟( 製得的混合拌勻的待發酵物，置於罈中或塑膠袋中半封口，控制溫度30-35°C，發酵70-7 ，散發出略有酸甜刺鼻的酒香味，則發酵成功，成為發酵漿料；(4)發酵漿料的研磨用1重量份發酵漿料與5重量份工業用水混合拌勻後，放入納米研磨機中反覆研磨5-15次，即成納米纖維素膠體溶液；(5)膠體溶液的過濾或乾燥按用戶要求或為方便貯運，對納米纖維素膠體溶液進行濾膜過濾或真空冷凍乾燥成粉末。
2.如權利要求1所述的製造納米纖維的生物機械分絲方法，其特徵是所說的酵母為 FWZ8-12酵母粉。
3.如權利要求1所述的製造納米纖維的生物機械分絲方法，其特徵是所說的納米研磨機為日本增幸株式會社生產銷售的MKCA6-3雙磨盤型的石臼式磨碎機，調節磨盤間隙為 1-30 μ m0
全文摘要
一種製造納米纖維素的生物機械分絲方法經過如下五個步驟一是含糖紙漿的配製，選精製紙漿浸泡在糖水溶液中，拌勻，潤脹24h後瀝乾成含糖紙漿。二是待發酵物的配製，用一定重量比的麩皮、蛋白腖、酵母與含糖紙漿混勻，調pH值為6。三是裝入容器發酵，控制溫度30-35℃，發酵70-75h，嗅到酒香即成發酵漿料。四是發酵漿料的研磨，發酵漿料兌水後，放入納米研磨機中反覆研磨5-15遍，即成納米纖維素膠體溶液，再濾膜過濾或真空冷凍乾燥即成。本方法製造納米纖維素對纖維強度影響小、不損害容器、不汙染環境，製得的納米纖維素呈樹枝狀，反映出製得的複合材料複合性、力學與熱性能好。
文檔編號C12P19/04GK102174612SQ201110002108
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月6日 優先權日2011年1月6日
發明者倪忠進, 傅深淵 申請人:浙江農林大學