纤维素 | 可溶性纳米纤维素片材可用作洗衣领域、个人护理领域以及农业领域

文摘 2025-01-07 08:43 山西

近日，美国伯克利医疗资源股份有限公司公布了一项专利 ——“可溶性纳米纤维素片材”，公告号为 CN 118995350 A。这项发明由 D・托马雷洛和 S・伯克利共同研发，为纤维素利用提供新的应用场景。

该可溶性纳米纤维素片材主要由纤维素基材、纤维素衍生物和活性成分组合物组成，不包含聚乙烯醇（PVA）等环境污染物。纤维素基材可选用纳米纤维素等材料，其来源广泛，包括软木、硬木、豆壳等。纤维素衍生物如羧甲基纤维素钠（NaCMC），在片材中发挥着重要作用。活性成分组合物则根据不同应用领域包含多种成分，如洗衣领域中的洗涤剂、表面活性剂、酶等，个人护理领域中的保湿剂、维生素等，以及农业领域中的肥料、杀虫剂等。

这种片材具有诸多优异性能。在分散性方面，它能够在一定时间内（如少至 3 分钟或更长时间）于适量液体（如水）中基本分散，通过搅拌可进一步促进分散，其分散后的溶液状态可通过多种方式评估。片材可制成多种形状，重量一般在 1 - 8 克，厚度为 0.1 - 0.3mm。

在制备方法上，一种示例是先将活性成分组合物与纳米纤维素纤维混合形成液体前体溶液，再通过辊涂机将溶液处理到滑动片材上，经加热器干燥形成片材卷，最后切割成单独的片材。其中，滑动片材通过加热器的速度、加热器温度以及片材卷内部温度等都有严格的范围要求，以确保产品质量。

该发明的应用领域广泛。在洗衣方面，洗衣片材可直接投入洗衣机，使用方便，避免了传统洗涤剂的繁琐操作，同时减少了对环境的危害。在个人护理领域，片材可用于洗发水、保湿剂等产品，为消费者提供便捷、高效的护理体验。在农业领域，农业片材可用于抑制杂草生长、保持土壤水分、调节温度等，有助于促进种子发芽和生长，且因其可生物降解的特性，对环境友好。

工艺综述

1. 纤维素制备工艺总结

原材料选择

纤维素原材料来源丰富，包括软木、硬木、豆壳、小麦秸秆、甘蔗渣、甜菜浆等，可从多种供应商处购买，如 Sigma - Aldrich、Grainger Industrial Supply、Nanografi Nano Technology、缅因大学、CeulluForce Inc.、Sappi Europe SA、Kruger Inc. 和 Nippon Paper Industries Co., Ltd 等。

加工技术

机械处理

使用高压均化、微流化、超研磨、冷冻破碎、蒸汽爆炸、精炼和超声处理等机械处理方式使纤维素来源材料崩解，以产生其组成纳米纤维素成分。

化学处理

进行羧甲基化、氧化和磺化等化学处理，在纳米纤维素表面产生永久的阴离子电荷，例如通过使纤维素与氢氧化钠和氯乙酸反应形成纤维素 NaCMC 的水溶性衍生物。

用短链胺或带正电的低聚物种预处理纳米纤维素以减轻离子力，预处理剂包括乙二胺、邻苯二胺、二亚乙基三胺、四亚乙基五胺、1,3 - 二氨基戊烷、乙醇胺、三乙醇胺、三聚氰胺和乙二胺四乙酸（EDTA）等。

2. 应用场景总结

原料准备纤维素基材

选用纳米纤维素等，其来源包括软木、硬木、豆壳、小麦秸秆、甘蔗渣、甜菜浆等，纤维大小具有特定的粒度群范围（如 D10、D50、D90 值）。

纤维素衍生物

如羧甲基纤维素钠（NaCMC）等，具有一定的取代度范围。

活性成分组合物

根据应用领域不同，包含洗衣活性成分（如表面活性剂、酶、淀粉、香料、防腐剂等）、个人护理活性成分（如亲脂性材料、保湿剂、维生素等）、农业活性成分（如肥料、杀虫剂、植物生长调节剂等），各成分有相应的可选类型及重量比例范围。

其他成分

如分散助剂（如甘油等）、水等，各成分按一定比例准备。

液体前体制剂制备

将纤维素基材、纤维素衍生物和任选的活性成分组合物在水中混合，根据需要选择合适的混合设备，以不同速度搅拌确保各成分均匀分散，形成液体前体制剂。活性成分组合物也可在后续步骤中通过喷涂、涂布等方式添加到基质上。

干燥处理干燥方式选择

可采用多种干燥技术，如在烘箱、滚筒（加热的旋转滚筒）中干燥，或暴露于电磁辐射（如红外加热）中，也可喷雾干燥、冷冻干燥（冻干）或超临界干燥等，需根据可溶性基质的期望性能、生产规模和敏感性（如温度敏感性）选择合适的干燥技术。

干燥过程控制

干燥过程中，通过控制干燥条件（如温度、时间等）使液体前体制剂的水含量减少至少 35%、45%、55%、65% 或 75%。例如，在使用对流烘箱时，滑动片材通过烘箱的速度可在 0.1 - 2.5 米 / 分钟（如 0.5 - 1.5 米 / 分钟）范围内，烘箱温度可在 100 - 300°F（如 140 - 160°F 等）范围内，确保片材卷内部最高温度不超过 120°F（如在约 100 - 120°F 范围内），防止活性成分蒸发或达到闪点。片材卷在离开烘箱后还可根据需要进行额外的干燥步骤（如电磁辐射干燥），但仍需控制最高内部温度不超过 120°F。

成型与后处理

将干燥后的可溶性基质组合物通过成型设备（如模具、切割设备等）加工成期望的形状或几何形状，如片材（单层或多层）、条带、球体、立方体等，以适配不同产品的规格要求，如洗衣制品、增香制品、气味中和制品、织物柔软剂制品、通用清洁制品、抽水马桶清洁制品、浴室清洁制品、洗碗制品或自动洗碗制品等。对成型后的产品进行后处理，如通过旋转式压片机进行加工、堆叠，然后包装在盒子中，用于储存和销售。

-作者介绍-

2020年博士毕业，现就职于一所地方高校，主讲《物理化学》课程。

专注→低成本功能材料开发，包括碳材料，疏水/亲水材料，纤维素提取利用，聚氨酯材料的开发与应用，欢迎合作，资助，交流。

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