麦草浆及其制备方法、应用及调节CMC取代度的方法

摘要

本发明涉及羧甲基纤维素技术领域，尤其是涉及一种麦草浆及其制备方法、应用及调节CMC取代度的方法。所述麦草浆的制备方法，包括如下步骤：以水为介质，对麦草进行超声破碎处理，固液分离，收集固体，得到麦草浆；超声破碎处理的温度为25‑100℃。本发明以水为介质，在缓和的温度条件下，通过超声破碎，可辅以H2O2，在水中将麦草解离成麦草纤维。整个过程以水作为介质，绿色环保，且成本低。所述麦草浆可用于制备羧甲基纤维素，通过调控不同的工艺条件，调节麦草浆的性能，可制备得到不同取代度的羧甲基纤维素，满足不同领域的应用需求。

说明书

技术领域

本发明涉及羧甲基纤维素技术领域，尤其是涉及一种麦草浆及其制备方法、应用及调节CMC取代度的方法。

背景技术

羧甲基纤维素，简称CMC，是一种以天然纤维素为基本原料，经过化学改性得到的水溶性的离子型纤维素醚。羧甲基纤维素具有增稠、赋型、乳化分散、保水、耐酸、耐盐等特性，且无害，因此在食品、医药、造纸、纺织等领域中得到广泛的应用。

现有的羧甲基纤维素的制备方法，多采用棉短绒制成的精制棉作为原料，造成原料成本高的问题。并且精制棉的生产过程中废水等污染严重，不利于节能环保。以麦草或者其他植物纤维为原料，制备羧甲基纤维素时，通常植物纤维中木质素的脱除采用含氯试剂(如，CIO₂等)，对水体有污染，环境成本高。因而，开发一种适宜制备羧甲基纤维素的新型原料具有重要意义。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种麦草浆的制备方法，通过该制备方法得到的麦草浆可以作为制备羧甲基纤维素的原料，生产过程绿色环保，且成本低。

本发明的第二目的在于提供一种麦草浆，通过上述方法制备得到的麦草浆作为原料用于羧甲基纤维素的制备，原料成本低。

本发明的第三目的在于提供一种麦草浆的应用，该麦草浆可用于制备羧甲基纤维素，在制备麦草浆时，通过调控不同的工艺条件，调节麦草浆的性能，可制备得到不同取代度的羧甲基纤维素，满足不同领域的应用需求，解决了现有技术中同种方法制备羧甲基纤维素产品取代度单一，无法适应多领域的问题。

本发明的第四目的在于提供一种CMC的取代度调节方法，通过调节麦草浆制备过程的工艺参数，包括超声处理时间、温度以及H₂O₂的加入量，使得麦草得到不同程度的解离，控制脱木质素程度，通过原料控制，使羧甲基纤维素产品具有不同取代度，满足不同领域的应用需求。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种麦草浆的制备方法，包括如下步骤：

以水为介质，对麦草进行超声破碎处理，固液分离，收集固体，得到麦草浆；超声破碎处理的温度为25-100℃。

现有技术中制备麦草浆，是将麦草置于强碱溶液中，在一定条件下蒸煮2-3h，不但化学品消耗多、蒸汽消耗量大、效率低，废水排放污染严重，同时化学成分可能会破坏碳水化合物纤维，减少制浆率。

本发明以水为介质，在缓和的温度条件下，通过超声破碎，将能量通过介质水形成气泡，炸裂产生能量，从而在水或弱碱溶液中将麦草解离成麦草纤维。整个过程以水作为介质，低白度的产品无需添加NaOH，全过程无需添加NaClO₂，绿色环保，且成本低。

优选的，超声破碎处理后，升温至100-130℃，保温10-15min，然后进行固液分离，收集固体，得到麦草浆。其中超过100℃的温度通过适当加压得到，如可在常压下超声破碎后加入1atm压力的反应釜中，升温达到所需温度。

优选的，向水中加入NaOH，对麦草进行超声破碎处理。更优选的，所述NaOH在水中的质量分数为0.1-1.5％，优选为0.5-1.5％。

优选的，在超声破碎处理时，向介质中加入H₂O₂。本发明在超声破碎处理麦草时，向水中或稀NaOH溶液中加入H₂O₂，调整水体系的酸碱度，配合超声破碎处理的条件，调节得到的麦草浆的白度，适应不同需求；H₂O₂添加后，无残留，天然环保。

优选的，加入H₂O₂的质量为麦草质量的2-8％，优选为3-7％。通过调节H₂O₂的加入量，调节水介质的酸碱度，配合超声破碎处理，使麦草得到不同程度的解离，控制脱木质素程度，从而调控麦草浆的白度。通过调控H₂O₂量在上述范围内，在保证有效脱除木质素的同时，避免破坏纤维结构，提高麦草浆的品质。

优选的，超声破碎处理的时间为2-10min，优选为3-8min。通过调节超声破碎处理的时间，配合温度，得到不同白度的麦草浆。本发明制备麦草浆仅需要几分钟即可完成，相比现有的蒸煮多个小时，具有高度的时效性、节能性和环保性。

优选的，麦草与水介质的质量比为1﹕(3-6)，优选为1﹕(4-5)，更优选为1﹕(4-4.5)。

优选的，超声破碎处理的时间为3-5min，温度为50-70℃，NaOH在介质中的质量分数为0.5-0.8％；

或者，超声破碎处理的时间为5-8min，温度为70-80℃，NaOH在介质中的质量分数为0.8-1％；

或者，超声破碎处理的时间为5-8min，温度为80-100℃，NaOH在介质中的质量分数为1-1.5％；

或者，超声破碎处理的时间为5-8min，温度为80-100℃，，NaOH在介质中的质量分数为0.8-1％，H₂O₂的加入质量为麦草质量的3-5％；

或者，超声破碎处理的时间为5-8min，温度为25-30℃，NaOH在介质中的质量分数为1-1.5％，H₂O₂的加入质量为麦草质量的3-5％，超声破碎处理后升温至100-110℃，保温10-15min；

或者，超声破碎处理的时间为5-8min，温度为25-30℃，NaOH在介质中的质量分数为1-1.5％，H₂O₂的加入质量为麦草质量的5-7％，超声破碎处理后升温至100-130℃，保温10-15min。

本发明通过调节超声破碎处理的时间、温度以及水中是否加入NaOH，是否加入H₂O₂和H₂O₂的加入量等，调节超声破碎条件下，控制麦草的解离和脱木质素程度，得到不同白度的麦草浆。如超声破碎处理的时间为3-5min，温度为50-70℃，NaOH在介质中的质量分数为0.5-0.8％，不加入H₂O₂的情况下，得到的麦草浆的白度为40-50％；超声破碎处理的时间为5-8min，温度为70-80℃，NaOH在介质中的质量分数为0.8-1％，不加入H₂O₂的情况下，得到的麦草浆的白度为50-60％；超声破碎处理的时间为5-8min，温度为80-100℃，NaOH在介质中的质量分数为1-1.5％，不加入H₂O₂的情况下，得到的麦草浆的白度为58-68％；超声破碎处理的时间为5-8min，温度为80-100℃，NaOH在介质中的质量分数为0.8-1％，加入H₂O₂的质量为麦草质量的3-5％，得到的麦草浆的白度为70-80％；超声破碎处理的时间为5-8min，温度为25-30℃，NaOH在介质中的质量分数为1-1.5％，加入H₂O₂的质量为麦草质量的3-5％，超声破碎处理后，将体系在1atm下升高温度至100-110℃，在温度最高点保温10-15min，得到的麦草浆的白度为75-85％；超声破碎处理的时间为5-8min，温度为25-30℃，NaOH在介质中的质量分数为1-1.5％，加入H₂O₂的质量为麦草质量的5-7％，超声破碎处理后，将体系在1atm下升高温度至100-130℃，在温度最高点保温10-15min，得到的麦草浆的白度为80-86％。

优选的，超声破碎处理的条件包括：超声功率为1100-3300W，超声频率为20-40kHz。超声功率和频率可在上述范围内任意选择。更优选的，超声破碎处理的条件包括：超声功率为1500-3000W，超声频率为25-35kHz。进一步优选的，超声破碎处理的条件包括：超声功率为2000W，超声频率为30kHz。

优选的，固液分离后，水洗固体，干燥，得到麦草浆。水洗除去吸附在纤维表面的杂质。

本发明还提供了一种通过上述方法制备得到的麦草浆。根据不同的工艺条件，麦草浆的白度为40-86％。

本发明还提供了上述麦草浆的应用，上述麦草浆可用于制备羧甲基纤维素。

优选的，羧甲基纤维素的制备方法包括：麦草浆分散于异丙醇中，加入氢氧化钠和氯乙酸，在50-60℃条件下，搅拌反应4-12h；收集固体，洗涤、干燥，得到羧甲基纤维素。

优选的，麦草浆与异丙醇的质量比为1﹕(30-120)，更优选为1﹕(50-100)。麦草浆与异丙醇的比例在上述范围内均可，可根据实际需要进行调整，如在不同实施例中，草浆与异丙醇的质量比可以为1﹕30、1﹕40、1﹕50、1﹕60、1﹕70、1﹕80、1﹕90、1﹕100、1﹕110、1﹕120等等。

优选的，麦草浆与氢氧化钠和氯乙酸的质量比为1﹕(0.5-1.2)﹕(0.6-3)。麦草浆与氢氧化钠和氯乙酸的质量比在上述范围内均可，可根据实际需要进行调整。

优选的，洗涤的方式包括：先用水和甲醇的混合溶液洗涤3-5次，然后再用甲醇洗涤2-3次。

优选的，干燥的方式包括先气干再绝干。

本发明还提供了一种调节羧甲基纤维素的取代度方法，通过调节麦草浆的白度调节羧甲基纤维素取代度。

优选的，通过调节介质中NaOH的浓度、对麦草的超声处理时间、温度以及H₂O₂的加入量，得到不同取代度的羧甲基纤维素。

优选的，超声处理的时间为2-10min，温度为25-100℃，H₂O₂的加入质量为所述麦草质量的0-8％。

优选的，当采用超声破碎处理的时间为3-5min，温度为50-70℃NaOH在介质中的质量分数为0.5-0.8％，，H₂O₂的加入量为0时得到的麦草浆作为原料时，羧甲基纤维素的取代度为0.52-0.68；当采用超声破碎处理的时间为5-8min，温度为70-80℃，NaOH在介质中的质量分数为0.8-1％，H₂O₂的加入量为0时得到的麦草浆作为原料时，羧甲基纤维素的取代度为0.68-0.79；当采用超声破碎处理的时间为5-8min，温度为80-100℃，NaOH在介质中的质量分数为1-1.5％，H₂O₂的加入量为0时得到的麦草浆作为原料时，羧甲基纤维素的取代度为0.76-0.98；当采用超声破碎处理的时间为5-8min，温度为80-100℃，NaOH在介质中的质量分数为0.8-1％，H₂O₂的加入质量为所述麦草质量的3-5％时得到的麦草浆作为原料时，羧甲基纤维素的取代度为0.90-1.02；当采用超声破碎处理的时间为5-8min，温度为25-30℃，NaOH在介质中的质量分数为1-1.5％，H₂O₂的加入质量为所述麦草质量的3-5％，超声破碎处理后升温至100-110℃，保温10-15min时得到的麦草浆作为原料时，羧甲基纤维素的取代度为0.88-1.23；当采用超声破碎处理的时间为5-8min，温度为25-30℃，NaOH在介质中的质量分数为1-1.5％，H₂O₂的加入质量为所述麦草质量的5-7％，超声破碎处理后升温至100-130℃，保温10-15min时得到的麦草浆作为原料时，羧甲基纤维素的取代度为1.18-1.67。

本发明通过调节麦草浆制备过程的工艺参数，包括NaOH的浓度、超声处理时间、温度以及H₂O₂的加入量，使得麦草得到不同程度的解离，控制脱木质素程度，从而使羧甲基纤维素产品具有不同取代度，能够满足不同领域的应用需求。解决了现有技术中的制备方法，无法根据实际需要调节羧甲基纤维素的取代度，且较难得到高取代度的羧甲基纤维素。比如，用于工业钻井、陶瓷、洗涤剂、建筑材料中用的羧甲基纤维素的取代度DS为0.6-0.9，食品级羧甲基纤维素，通常取代度DS为1-1.2，更高取代度的羧甲基纤维素的可用于纺织、印染工业等领域。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的麦草浆的制备方法，以水为介质，进行超声破碎处理，可辅以少量的NaOH、H₂O₂调节酸碱度，进而调节脱木质素程度，得到不同白度的麦草浆，生产过程绿色环保，且成本低；

(2)本发明的麦草浆作为原料制备羧甲基纤维素，能够得到不同取代度的羧甲基纤维素，满足不同领域的应用需求；

(3)本发明通过调节麦草浆制备过程中的工艺参数，包括NaOH的浓度、超声处理时间、温度以及H₂O₂的通入量，使得麦草得到不同程度的解离，控制脱木质素程度，从而使羧甲基纤维素产品具有不同取代度0.52-1.67，可根据实际需求调节羧甲基纤维素的取代度。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

本实施例的麦草浆的制备方法，包括如下步骤：

(1)取300g麦草，将其加入1.2L水中，向水中加入NaOH，使NaOH的质量浓度为1％，采用超声细胞破碎仪，在25℃条件下，超声破碎处理8min，超声破碎处理的同时向介质水中加入H₂O₂，H₂O₂的加入质量为21g；然后将反应体系转移到1atm的高压反应釜中130℃反应15min，其中，超声的条件为：超声功率为2000W，超声频率为30kHz；

(2)步骤(1)中的处理结束后，进行固液分离，采用清水洗涤固体部分，收集固体部分干燥，得到麦草浆，制浆得率为49％。

实施例2

本实施例的麦草浆的制备方法，包括如下步骤：

(1)取300g麦草，将其加入1.2L水中，向水中加入NaOH，使NaOH的质量浓度为1％，采用超声细胞破碎仪，在25℃条件下，超声破碎处理5min，超声破碎处理的同时向介质水中加入H₂O₂，H₂O₂的加入质量为15g；然后将反应体系转移到1atm的高压反应釜中100℃反应15min，其中，超声的条件为：超声功率为2000W，超声频率为30kHz；

(2)步骤(1)中的处理结束后，进行固液分离，采用清水洗涤固体部分，收集固体部分干燥，得到麦草浆，制浆得率为55％。

实施例3

本实施例的麦草浆的制备方法，包括如下步骤：

(1)取300g麦草，将其加入1.2L水中，采用超声细胞破碎仪，向水中加入NaOH，使NaOH的质量浓度为1％，在25℃条件下，超声破碎处理6min，超声破碎处理的同时向介质水中加入H₂O₂，H₂O₂的加入质量为18g；然后将反应体系转移到1atm的高压反应釜中121℃反应10min，其中，超声的条件为：超声功率为2000W，超声频率为30kHz；

(2)步骤(1)中的处理结束后，进行固液分离，采用清水洗涤固体部分，收集固体部分干燥，得到麦草浆，制浆得率为51％。

实施例4

本实施例的麦草浆的制备方法，包括如下步骤：

(1)取300g麦草，将其加入1.2L水中，向水中加入NaOH，使NaOH的质量浓度为1％，采用超声细胞破碎仪，在25℃条件下，超声破碎处理8min，超声破碎处理的同时向介质水中加入H₂O₂，H₂O₂的加入质量为15g；然后将反应体系转移到1atm的高压反应釜中110℃反应15min，其中，超声的条件为：超声功率为2000W，超声频率为30kHz；

(2)步骤(1)中的处理结束后，进行固液分离，采用清水洗涤固体部分，收集固体部分干燥，得到麦草浆，制浆得率为53％。

实施例5

本实施例的麦草浆的制备方法，包括如下步骤：

(1)取300g麦草，将其加入1.2L水中，向水中加入NaOH，使NaOH的质量浓度为1％，采用超声细胞破碎仪，在25℃条件下，超声破碎处理5min，超声破碎处理的同时向介质水中加入H₂O₂，H₂O₂的加入质量为9g；然后将反应体系转移到1atm的高压反应釜中100℃反应15min，其中，超声的条件为：超声功率为2000W，超声频率为30kHz；

(2)步骤(1)中的处理结束后，进行固液分离，采用清水洗涤固体部分，收集固体部分干燥，得到麦草浆，制浆得率为57％。

实施例6

本实施例的麦草浆的制备方法，包括如下步骤：

(1)取300g麦草，将其加入1.2L水中，向水中加入NaOH，使NaOH的质量浓度为1％，采用超声细胞破碎仪，在25℃条件下，超声破碎处理6min，超声破碎处理的同时向介质水中加入H₂O₂，H₂O₂的加入质量为12g；然后将反应体系转移到1atm的高压反应釜中105℃反应15min，其中，超声的条件为：超声功率为2000W，超声频率为30kHz；

(2)步骤(1)中的破碎处理结束后，进行固液分离，采用清水洗涤固体部分，收集固体部分干燥，得到麦草浆，制浆得率为54％。

实施例7

本实施例的麦草浆的制备方法，包括如下步骤：

(1)取300g麦草，将其加入1.2L水中，向水中加入NaOH，使NaOH的质量浓度为0.8％，采用超声细胞破碎仪，在100℃条件下，超声破碎处理8min，超声破碎处理的同时向介质水中加入H₂O₂，H₂O₂的加入质量为15g；其中，超声的条件为：超声功率为2000W，超声频率为30kHz；

(2)步骤(1)中的破碎处理结束后，进行固液分离，采用清水洗涤固体部分，收集固体部分干燥，得到麦草浆，制浆得率为56％。

实施例8

本实施例的麦草浆的制备方法，包括如下步骤：

(1)取300g麦草，将其加入1.2L水中，向水中加入NaOH，使NaOH的质量浓度为0.8％，采用超声细胞破碎仪，在80℃条件下，超声破碎处理5min，超声破碎处理的同时向介质水中加入H₂O₂，H₂O₂的加入质量为9g；其中，超声的条件为：超声功率为2000W，超声频率为30kHz；

(2)步骤(1)中的破碎处理结束后，进行固液分离，采用清水洗涤固体部分，收集固体部分干燥，得到麦草浆，制浆得率为60％。

实施例9

本实施例的麦草浆的制备方法，包括如下步骤：

(1)取300g麦草，将其加入1.2L水中，向水中加入NaOH，使NaOH的质量浓度为0.8％，采用超声细胞破碎仪，在90℃条件下，超声破碎处理6min，超声破碎处理的同时向介质水中加入H₂O₂，H₂O₂的加入质量为12g；其中，超声的条件为：超声功率为2000W，超声频率为30kHz；

(2)步骤(1)中的破碎处理结束后，进行固液分离，采用清水洗涤固体部分，收集固体部分干燥，得到麦草浆，制浆得率为58％。

实施例10

本实施例的麦草浆的制备方法，包括如下步骤：

(1)取300g麦草，将其加入1.2L水中，向水中加入NaOH，使NaOH的质量浓度为1％，采用超声细胞破碎仪，在100℃条件下，超声破碎处理8min；其中，超声的条件为：超声功率为2000W，超声频率为30kHz；

(2)步骤(1)中的破碎处理结束后，进行固液分离，采用清水洗涤固体部分，收集固体部分干燥，得到麦草浆，制浆得率为62％。

实施例11

本实施例的麦草浆的制备方法，包括如下步骤：

(1)取300g麦草，将其加入1.2L水中，向水中加入NaOH，使NaOH的质量浓度为1％，采用超声细胞破碎仪，在80℃条件下，超声破碎处理5min；其中，超声的条件为：超声功率为2000W，超声频率为30kHz；

(2)步骤(1)中的破碎处理结束后，进行固液分离，采用清水洗涤固体部分，收集固体部分干燥，得到麦草浆，制浆得率为66％。

实施例12

本实施例的麦草浆的制备方法，包括如下步骤：

(1)取300g麦草，将其加入1.2L水中，向水中加入NaOH，使NaOH的质量浓度为0.8％，采用超声细胞破碎仪，在80℃条件下，超声破碎处理8min；其中，超声的条件为：超声功率为2000W，超声频率为30kHz；

(2)步骤(1)中的破碎处理结束后，进行固液分离，采用清水洗涤固体部分，收集固体部分干燥，得到麦草浆，制浆得率为65％。

实施例13

本实施例的麦草浆的制备方法，包括如下步骤：

(1)取300g麦草，将其加入1.2L水中，向水中加入NaOH，使NaOH的质量浓度为0.8％，采用超声细胞破碎仪，在70℃条件下，超声破碎处理5min；其中，超声的条件为：超声功率为2000W，超声频率为30kHz；

(2)步骤(1)中的破碎处理结束后，进行固液分离，采用清水洗涤固体部分，收集固体部分干燥，得到麦草浆，制浆得率为68％。

实施例14

本实施例的麦草浆的制备方法，包括如下步骤：

(1)取300g麦草，将其加入1.2L水中，向水中加入NaOH，使NaOH的质量浓度为0.5％，采用超声细胞破碎仪，在50℃条件下，超声破碎处理3min；其中，超声的条件为：超声功率为2000W，超声频率为30kHz；

(2)步骤(1)中的破碎处理结束后，进行固液分离，采用清水洗涤固体部分，收集固体部分干燥，得到麦草浆，制浆得率为70％。

实施例15

分别以实施例1-14制备得到的麦草浆作为原料制备羧甲基纤维素，羧甲基纤维素的制备方法包括如下步骤：

将麦草浆300mg加入异丙醇25g中，分散均匀，然后加入氢氧化钠0.24g和氯乙酸0.54g，在55℃条件下，搅拌反应8h，反应结束后，冷却，固液分离，收集固体，先用水和甲醇的混合溶液(水和甲醇体积比1:9)洗涤3-5次，然后再用甲醇洗涤2-3次，干燥得到羧甲基纤维素。

实验例1

为了对比说明本发明各实施例在不同条件下制备得到的麦草浆的性能，对各实施例得到的麦草浆的白度进行测试，测试方法参考GB 8940.2，测试结果见表1。

表1不同处理得到的麦草浆的白度

编号白度(％)实施例186实施例280实施例384实施例483实施例575实施例681实施例780实施例870实施例977实施例1068实施例1158实施例1260实施例1350实施例1440

从上表中可知，本发明通过调整超声破碎处理的时间、温度以及是否加入NaOH、H₂O₂和H₂O₂的加入量等，调节超声破碎条件下，控制麦草的解离和脱木质素程度，可得到不同白度的麦草浆。

实验例2

为了进一步说明麦草的超声破碎处理条件对制备得到的羧甲基纤维素取代度的影响，对实施例15分别以实施例1-14的麦草浆作为原料制备得到的羧甲基纤维素的取代度进行测试，用酸度计滴定法(钻井液与完井液，14(5),35-36,1997.)以及核磁共振法测得其平均取代度(Mokuzai Gakkashi,31(1),14-19,1985.)，测试结果见表2。

表2不同处理得到的羧甲基纤维素的取代度

编号平均取代度实施例11.67实施例21.18实施例31.49实施例41.23实施例50.88实施例61.09实施例71.02实施例80.90实施例90.97实施例100.98实施例110.76实施例120.79实施例130.68实施例140.52

从上表中可知，本发明通过调节麦草浆制备过程的工艺参数，包括超声处理时间、温度以及是否加入NaOH、H₂O₂和H₂O₂的加入量等，使得麦草得到不同程度的解离，控制脱木质素程度，从而使羧甲基纤维素产品具有不同取代度，能够满足不同领域的应用需求。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。