低强度超声波辅助氨基酸离子液体制备纳米纤维素

纳米纤维素( NCC )是至少一维尺寸达到1——100nm，并可以在水中分散形成稳定悬浮液的纤维素晶体。NCC是一种可再生的纳米材料，是目前研究的前沿和热点。它拥有一些优越的性能，如特有的光学性质、流变性能和机械性能等，以及具有生物材料的轻质、可降解、生物相容性及可再生等特性，使其具有广泛的应用价值，可以作为纳米复合材料中的增强材料，以及用于生物医药、造纸包装﹑食品添加剂、电子器件等诸多领域。

目前制备NCC的方法整体上可分为物理机械法、化学法和生物法，但均存在着一些缺点，如物理机械法能耗较高、化学法成本高、生物法耗时长等，都将制约着NCC进一步的发展。在此，提供一种低强度超声波辅助氨基酸离子液体制备纳米纤维素的方法。

原理：

氨基酸离子液体是一种性能优异、安全环保的绿色溶剂，具有化学稳定性、热稳定性、不燃性及极低蒸汽压的优点，能回收和重复使用，并且在溶解和分离木质纤维素方面拥有很好的作用效果。在低强度超声波辅助过程中，超声波的空化作用会形成机械振动能量和振动波，更有利于促进纤维内部发生细纤维化，在这种条件下，玉米秸秆中的纤维链间氢键破坏，逐步将生物质纤维分解成纳米纤丝化纤维。利用农业废弃物玉米秸秆作为初始原料，能降低成本，且整个制备过程绿色环保，制得的纳米纤维素粒径均一、性能优良、得率高，可将其应用于柔性电子显示屏领域。

操作步骤：

（1）氨基酸离子液体的预处理：将粉碎后的玉米秸秆（尺寸优选为30——60目）与氨基酸离子液体（优选为甘氨酸离子液体、赖氨酸离子液体或丙氨酸离子液体）在60——100℃的温度下均匀混合（即粉碎后的玉米秸秆与氨基酸离子液体的质量比例为1——8:100），处理1.0——5.0h后得到混合物。

（2）超声处理：将得到的固液混合物放在超声水浴仪中进行超声处理。超声处理的条件为：功率50——200W，温度控制在25——35℃，处理时间10——40min。

（3）后处理：将超声处理后的混合物进行离心分离（转速为3000——10000r/min，离心时间10——30min）、干燥处理（冷冻干燥处理的条件为：温度为-60——-30℃，时间为12——36h），得到固态的纳米纤维素。纳米纤维素的性能指标：得率为21.63%——36.07%；直径为14——284 nm；长度为79——1286nm。

对于NCC而言，结晶度越高，热稳定性越好。现有市场上购买的NCC的结晶度一般在70％——75％左右。NCC结晶度的提高是比较困难，不仅要考虑得率，还要兼顾尺寸方面的要求，另外制备过程还要考虑成本等相关问题。通常，一般得率增加，结晶度呈现增加的趋势，直径和长度会呈现下降的趋势，这是因为纤维素降解过程的实质就是去掉无定形区，保留结晶区的过程。得率越高，结晶区保留的就越多，无定形区去掉的就多，结晶度相对越高；与此同时，纤维长度就变短。采用“低强度超声波辅助氨基酸离子液体”结合法，能解决单一的氨基酸离子液体制备的NCC结晶度不高﹑热稳定性较差等问题，能提高NCC的产品质量。

有益效果：

（1）采用农业废弃物玉米秸秆作为初始原料，具有原料来源丰富、成本低的特点，符合国家废弃物循环利用及可持续发展战略。

（2）超声波没有选择性，采用低强度超声波，是一种绿色环保的物理手段。超声强度过高，会同时去掉纤维素分子链中的结晶区和无定型区，导致得到的NCC结晶度降低。采用低强度的超声波，是一种很温和的超声环境，有利于促进纤维素中的无定形区降解而保留结晶区。

（3）采用的氨基酸离子液体是一种绿色溶剂，不但化学稳定性好、能回收利用、无毒，还具有优良的生物溶解性、预处理温度低、高效快速的特性，因此符合绿色节能的理念。

（4）采用的“低强度超声波辅助氨基酸离子液体”结合法，能解决单一的氨基酸离子液体制备的NCC结晶度不高﹑热稳定性较差等问题，能提高NCC的产品质量。

（5）制备纳米纤维素的设备和操作简单，适宜于规模化的大生产。