CN105175342A - 一种离子液体及其均相改性芦苇增强pe复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种离子液体及其均相改性芦苇增强PE复合材料的方法，属于材料合成与改性领域。该离子液体是以N-乙烯基咪唑和2-氯乙醇为原料，按照摩尔比(1～1.5):1合成的1-乙烯基-3-羟乙基咪唑氯；本发明采用离子液体1-乙烯基-3-羟乙基咪唑氯对芦苇进行均相改性，将均相改性芦苇与PE复合，制备均相改性芦苇增强PE复合材料；本发明设计的离子液体有效降低了芦苇的表面极性，提高了芦苇纤维的溶解能力。与传统方法相比较，采用离子液体对芦苇进行均相改性的方法，具有反应溶剂环保、可循环使用的优点；同时均相改性的方法改善了芦苇与PE之间的相容性，制备的均相改性芦苇/PE复合材料不仅具有良好的力学性能，而且加工性能优异。

Description

一种离子液体及其均相改性芦苇增强PE复合材料的方法
技术领域
本发明属于材料合成与改性领域，具体涉及合成一种可循环使用的离子液体，并以此离子液体为溶剂对芦苇进行均相改性，将均相改性芦苇应用于PE制备均相改性芦苇/PE复合材料。
背景技术
植物纤维是自然界最为丰富的天然高分子，通过共混工艺制备植物纤维/热塑性树脂复合材料是有效地开发和利用这类可再生资源的新途径。芦苇是一种天然植物纤维，具有产量高、对生长环境要求低、生长周期短的优势。纤维素是芦苇的主要成分，由于其结构中存在大量的羟基导致芦苇纤维具有强极性，使其与非极性树脂(如PP、PE等)间的界面润湿性、界面粘合作用极差，导致未经表面处理的植物纤维/热塑性树脂复合材料的机械强度较低。为了获得综合性能优异的复合材料，必须对纤维进行改性。目前大部分芦苇改性都是在非均相的条件下进行的，这不仅导致反应只能在芦苇表面进行，而且还需要用大量的化学试剂和溶剂，导致资源浪费及环境污染。
由于纤维素结构中存在分子内及分子间的氢键使其不熔融且不易溶解在一般有机溶剂中。但近几年有研究者发现，纤维素可以在离子液体中溶解，这为改善纤维素的溶解性开辟了一个新途径。离子液体是指在室温或室温附近温度下呈现液态的、完全由阴阳离子所组成的盐，也称为低温熔融盐。它一般由有机阳离子和无机阴离子组成，常见的阳离子有季铵盐离子、季鏻盐离子、咪唑盐离子和吡咯盐离子等，阴离子有卤素离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子等。与传统有机溶剂和电解质相比，离子液体具有一系列突出的优点，例如：离子液体无味、不燃、其蒸汽压极低，因此可应用在高真空体系中，同时可减少因挥发而产生的环境污染问题；离子液体对有机和无机物都有良好的溶解能力，可使反应在均相条件下进行，同时可减少设备体积；可操作温度范围宽(-40―300℃)，具有良好的热稳定性和化学稳定性，易与其它物质分离，可以循环利用。因此离子液体是传统挥发性溶剂的理想替代品，它有效地避免了传统有机溶剂使用时所造成的环境、健康、安全以及设备腐蚀等问题，是名副其实的绿色溶剂。
为此，合成一种绿色环保、可循环使用的离子液体为溶剂，对芦苇进行均相改性以提高其与非极性树脂之间的相容性具有非常重要的理论意义与现实意义，这亦对开拓高性能芦苇复合材料的应用领域是很有必要的。
发明内容
为解决现有技术中芦苇与PE复合的材料机械强度低、加工性差的问题，本发明的目的是提供一种用于改性芦苇的离子液体，该离子液体可以用于均相改性芦苇，克服芦苇溶解性差的问题，提高芦苇与PE复合材料的综合性能。
为达到上述目的，本发明是这样实现的：一种离子液体，该离子液体具有如式Ⅰ所示的结构：
该离子液体是以N-乙烯基咪唑和2-氯乙醇为原料，按照摩尔比(1～1.5):1合成的1-乙烯基-3-羟乙基咪唑氯。
作为本发明一个优选的实施例，N-乙烯基咪唑和2-氯乙醇的摩尔比为1.2:1。由于该离子液体侧链上同时连有羟基和不饱和键，而且其咪唑环存在C2空位，因此其对纤维素的溶解能力较佳。
上述离子液体采用以下方法制备：将N-乙烯基咪唑置于带有搅拌装置和氮气保护的反应器中，将反应器置于90℃恒温油浴中，在磁力搅拌下缓慢滴加2-氯乙醇，持续搅拌4-10h后用***洗涤，然后置于80～90℃真空干燥箱中真空干燥10～12h后得到咪唑类离子液体1-乙烯基-3-羟乙基咪唑氯。
本发明另一个目的是请求保护上述离子液体在芦苇改性中的应用。
由于芦苇结构中存在着大量的分子内及分子间氢键等作用力，分子极性较强，导致在一般溶剂表面处理过程中分散性和溶解性都很差。本发明合成的离子液体均相改性方法能更好地解决现有技术中芦苇溶解性差和芦苇与树脂界面结合强度低等问题。
本发明另一个方面请求保护用上述离子液体1-乙烯基-3-羟乙基咪唑氯对芦苇进行均相改性，将均相改性芦苇与PE复合，制备均相改性芦苇增强PE复合材料。
为达到更优异的综合性能，将均相改性芦苇打碎干燥后与PE按质量比20:80～30:70混合，采用双辊开炼机在150～170℃下熔融混炼3～5min，混炼均匀后在压力为15MPa、温度为160～180℃的平板硫化机中热压5min，得到均相改性芦苇增强PE复合材料。最优选的，改性芦苇与PE的质量比为30:70。
作为本发明一个优选的实施例，所述的均相改性方法如下：将离子液体加入到三口烧瓶中，在100℃恒温油浴中磁力搅拌，分次加入粉末状芦苇，不断搅拌将其溶解，配制成质量分数5％的溶液，然后再加入乙酰氯，在N2保护下加热到80℃，搅拌6h后用甲醇沉淀出白色产物，抽滤后用去离子水洗涤烘干，即得均相改性芦苇，同时旋转蒸发溶液回收离子液体。为达到最优效果，每1mol乙酰氯添加10g离子液体。
与现有技术比较，本发明具有以下突出特点：
1、本发明设计了一种新的离子液体，由N-乙烯基咪唑和2-氯乙醇一步合成了侧链同时带有双键和羟基的咪唑类离子液体，该离子液体有效降低了芦苇的表面极性，提高了芦苇纤维的溶解能力。
2、与传统方法相比较，采用离子液体对芦苇进行均相改性的方法，具有反应溶剂环保、可循环使用的优点；同时均相改性的方法改善了芦苇与PE之间的相容性，制备的均相改性芦苇/PE复合材料不仅具有良好的力学性能，而且加工性能优异。
附图说明
图1是本发明合成离子液体FTIR谱图，采用KBr压片方法进行测试，对产物结构进行表征；
图2是本发明合成离子液体1H-NMR谱图，核磁共振谱仪测定产物1H-NMR，溶剂为DMSO；
图3是均相改性芦苇和未改性芦苇FTIR对比图；图中曲线A是未改性芦苇的FTIR谱图，曲线B是均相改性芦苇的FTIR谱图；
图4是均相改性芦苇/PE复合材料和未改性芦苇/PE复合材料断面SEM对比图，图中(a)、(b)分别为未改性芦苇/PE复合材料放大100倍和1000倍的断面SEM图，(c)、(d)分别为均相改性芦苇/PE复合材料放大100倍和1000倍的断面SEM图；
图5是回收离子液体与新合成离子液体FTIR对比图，图中曲线A是新合成离子液体，曲线B是首次回收离子液体，曲线C是再次回收离子液体的FTIR谱图。
具体实施方式
以下通过具体实施实例进一步说明本发明描述的方法，但并不意味着本发明仅局限于这些实例。本发明所述的PE为高密度聚乙烯与低密度聚乙烯按质量比30：70混合后所得的聚乙烯。
实施例1
离子液体合成方法：将N-乙烯基咪唑(0.60mol)加入到250ml四口烧瓶中，90℃恒温油浴，磁力搅拌，在氮气保护下将2-氯乙醇(0.60mol)缓慢滴加到烧瓶中，随着反应的进行，溶液逐渐由无色变为金黄色。持续搅拌10h后用***洗涤3次后，将合成的金黄色液体置于80℃真空干燥箱中真空干燥12h后得到离子液体。
均相改性芦苇方法：将10g离子液体加入到三口烧瓶中，100℃恒温油浴，磁力搅拌。分多次将粉末状芦苇加到三口烧瓶中，在不断搅拌下逐渐溶解，配制成质量分数5％的溶液。加入78.5g乙酰氯，在N2保护下加热到80℃，磁力搅拌至预定时间后用甲醇沉淀出白色产物，抽滤并用去离子水洗涤后烘干备用，得到均相改性芦苇。溶液旋转蒸发干燥后回收利用。
均相改性芦苇/PE复合材料制备方法：将均相改性芦苇打碎干燥后与PE按质量比30:70称量，采用双辊开炼机在160℃下熔融混炼3min，混炼均匀后在压力为15MPa、温度为170℃的平板硫化机中热压5min制板，得到均相改性芦苇/PE复合材料。
实施例2
离子液体合成方法：将N-乙烯基咪唑(0.60mol)加入到250ml四口烧瓶中，90℃恒温油浴，磁力搅拌，在氮气保护下将2-氯乙醇(0.550mol)缓慢滴加到烧瓶中，随着反应的进行，溶液逐渐由无色变为金黄色。持续搅拌10h后用***洗涤3次后，将合成的金黄色液体置于80℃真空干燥箱中真空干燥12h。
均相改性芦苇方法：将10g离子液体加入到三口烧瓶中，100℃恒温油浴，磁力搅拌。分多次将粉末状芦苇加到三口烧瓶中，在不断搅拌下逐渐溶解，配制成质量分数5％的溶液。加入78.5g乙酰氯，在N2保护下加热到80℃，磁力搅拌至预定时间后用甲醇沉淀出白色产物，抽滤并用去离子水洗涤后烘干备用，得到均相改性芦苇。溶液旋转蒸发干燥后回收利用。
均相改性芦苇/PE复合材料制备方法：将均相改性芦苇打碎干燥后与PE按质量比30:70称量，采用双辊开炼机在160℃下熔融混炼3min，混炼均匀后在压力为15MPa、温度为170℃的平板硫化机中热压5min制板，得到均相改性芦苇/PE复合材料。
实施例3
离子液体合成方法：将N-乙烯基咪唑(0.60mol)加入到250ml四口烧瓶中，90℃恒温油浴，磁力搅拌，在氮气保护下将2-氯乙醇(0.50mol)缓慢滴加到烧瓶中，随着反应的进行，溶液逐渐由无色变为金黄色。持续搅拌10h后用***洗涤3次后，将合成的金黄色液体置于80℃真空干燥箱中真空干燥12h。
均相改性芦苇方法：将10g离子液体加入到三口烧瓶中，100℃恒温油浴，磁力搅拌。分多次将粉末状芦苇加到三口烧瓶中，在不断搅拌下逐渐溶解，配制成质量分数5％的溶液。加入78.5g乙酰氯，在N2保护下加热到80℃，磁力搅拌至预定时间后用甲醇沉淀出白色产物，抽滤并用去离子水洗涤后烘干备用，得到均相改性芦苇。溶液旋转蒸发干燥后回收利用。
均相改性芦苇/PE复合材料制备方法：将均相改性芦苇打碎干燥后与PE按质量比30:70称量，采用双辊开炼机在160℃下熔融混炼3min，混炼均匀后在压力为15MPa、温度为170℃的平板硫化机中热压5min制板，得到均相改性芦苇/PE复合材料。
实施例4
离子液体合成方法：将N-乙烯基咪唑(0.60mol)加入到250ml四口烧瓶中，90℃恒温油浴，磁力搅拌，在氮气保护下将2-氯乙醇(0.45mol)缓慢滴加到烧瓶中，随着反应的进行，溶液逐渐由无色变为金黄色。持续搅拌10h后用***洗涤3次后，将合成的金黄色液体置于80℃真空干燥箱中真空干燥12h。
均相改性芦苇方法：将10g离子液体加入到三口烧瓶中，100℃恒温油浴，磁力搅拌。分多次将粉末状芦苇加到三口烧瓶中，在不断搅拌下逐渐溶解，配制成质量分数5％的溶液。加入78.5g乙酰氯，在N2保护下加热到80℃，磁力搅拌至预定时间后用甲醇沉淀出白色产物，抽滤并用去离子水洗涤后烘干备用，得到均相改性芦苇。溶液旋转蒸发干燥后回收利用。
均相改性芦苇/PE复合材料制备方法：将均相改性芦苇打碎干燥后与PE按质量比30:70称量，采用双辊开炼机在160℃下熔融混炼3min，混炼均匀后在压力为15MPa、温度为170℃的平板硫化机中热压5min制板，得到均相改性芦苇/PE复合材料。
实施例5
离子液体合成方法：将N-乙烯基咪唑(0.60mol)加入到250ml四口烧瓶中，90℃恒温油浴，磁力搅拌，在氮气保护下将2-氯乙醇(0.40mol)缓慢滴加到烧瓶中，随着反应的进行，溶液逐渐由无色变为金黄色。持续搅拌4h后用***洗涤3次后，将合成的金黄色液体置于90℃真空干燥箱中真空干燥10h。
均相改性芦苇方法：将10g离子液体加入到三口烧瓶中，100℃恒温油浴，磁力搅拌。分多次将粉末状芦苇加到三口烧瓶中，在不断搅拌下逐渐溶解，配制成质量分数5％的溶液。加入78.5g乙酰氯，在N2保护下加热到80℃，磁力搅拌至预定时间后用甲醇沉淀出白色产物，抽滤并用去离子水洗涤后烘干备用，得到均相改性芦苇。溶液旋转蒸发干燥后回收利用。
均相改性芦苇/PE复合材料制备方法：将均相改性芦苇打碎干燥后与PE按质量比20:80称量，采用双辊开炼机在150℃下熔融混炼3min，混炼均匀后在压力为15MPa、温度为160℃的平板硫化机中热压5min制板，得到均相改性芦苇/PE复合材料。
对比例1
未改性芦苇/PE复合材料制备方法：将未改性芦苇打碎干燥后与PE按质量比30:70称量，采用双辊开炼机在160℃下熔融混炼3min，混炼均匀后在压力为15MPa、温度为170℃的平板硫化机中热压5min制板，得到未改性芦苇/PE复合材料。表1分别列出了均相改性芦苇/PE复合材料以及未改性芦苇/PE复合材料的力学性能和加工性能测试结果。
表1
上述表1中实施例测试数据表明，当N-乙烯基咪唑与2-氯乙醇摩尔比为6：5时，均相改性芦苇/PE复合材料的综合性能最佳。实施例和对比例的测试数据表明，在芦苇与PE配比相同的情况下，与未改性芦苇/PE复合材料相比，均相改性芦苇/PE复合材料的加工性能基本不受影响，且复合材料在力学强度提高的同时，冲击韧性也明显增加，说明均相改性芦苇对PE具有同时增强、增韧的作用。

Claims (8)

1.一种离子液体，其特征在于，该离子液体具有如式Ⅰ所示的结构：
该离子液体是以N-乙烯基咪唑和2-氯乙醇为原料，按照摩尔比(1～1.5):1合成的1-乙烯基-3-羟乙基咪唑氯。
2.根据权利要求1所述的离子液体，其特征在于，N-乙烯基咪唑和2-氯乙醇的摩尔比为1.2:1。
3.权利要求1所述的离子液体的制备方法，其特征在于，将N-乙烯基咪唑置于带有搅拌装置和氮气保护的反应器中，将反应器置于90℃恒温油浴中，在磁力搅拌下缓慢滴加2-氯乙醇，持续搅拌4-10h后用***洗涤，然后置于80～90℃真空干燥箱中真空干燥10～12h后得到咪唑类离子液体1-乙烯基-3-羟乙基咪唑氯。
4.权利要求1或2所述的任一种离子液体在芦苇改性中的应用。
5.一种均相改性芦苇增强PE复合材料的方法，其特征在于，采用离子液体1-乙烯基-3-羟乙基咪唑氯对芦苇进行均相改性，将均相改性芦苇与PE复合，制备均相改性芦苇增强PE复合材料。
6.根据权利要求5所述的一种均相改性芦苇增强PE复合材料的方法，其特征在于，将均相改性芦苇打碎干燥后与PE按质量比20:80～30:70混合，采用双辊开炼机在150～170℃下熔融混炼3～5min，混炼均匀后在压力为15MPa、温度为160～180℃的平板硫化机中热压5min，得到均相改性芦苇增强PE复合材料。
7.根据权利要求5所述的一种均相改性芦苇增强PE复合材料的方法，其特征在于，所述的均相改性方法如下：将离子液体加入到三口烧瓶中，在100℃恒温油浴中磁力搅拌，分次加入粉末状芦苇，不断搅拌将其溶解，配制成质量分数5％的溶液，然后再加入乙酰氯，在N2保护下加热到80℃，搅拌6h后用甲醇沉淀出白色产物，抽滤后用去离子水洗涤烘干，即得均相改性芦苇，同时旋转蒸发溶液回收离子液体。
8.一种均相改性芦苇/PE复合材料是按照权利要求5～7所述的任一种方法制备的。
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