CN111019004A - 一种金属盐催化酸性低共熔溶剂水解制备纤维素纳米晶体的方法 - Google Patents

一种金属盐催化酸性低共熔溶剂水解制备纤维素纳米晶体的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金属盐催化酸性低共熔溶剂水解制备纤维素纳米晶体的方法，属于天然高分子材料的制备领域。本发明涉及的纤维素纳米晶体是由50质量份的二水合草酸和10～50质量份的氯化胆碱构成的低共熔体系，在1～8质量份的金属盐催化条件下，催化水解1～10质量份的纤维素浆料制得，反应时间为4h～10h，反应温度为70℃～85℃。该反应条件温和，操作简单。实现利用酸性低共熔溶剂一步制备纤维素纳米晶体，省去机械加工处理等步骤。制得的纤维素纳米晶体具有良好的热稳定性和在水中良好的分散稳定性。

Description

一种金属盐催化酸性低共熔溶剂水解制备纤维素纳米晶体的 方法
技术领域
本发明涉及天然高分子材料的制备领域，特别涉及一种金属盐催化酸性低共熔溶剂水解制备纤维素纳米晶体的方法。
背景技术
纤维素是自然界中最丰富的天然高分子聚合物之一，其作为一种材料使用已经有上千年的历史，时至今日由于其来源丰富，性能优异，在造纸、建筑、纺织等领域依然广泛使用。纤维素纳米晶体，是一种直径为1-100nm，长度为几十到几百纳米的刚性棒状纤维素。与普通的非纳米纤维素相比，由于纤维素纳米晶体的高纯度、高结晶度、高杨氏模量、高强度等特性，其在材料合成上展示出了极高的杨氏模量和强度等性能，使其广泛应用于增强纳米复合材料，显著提高了复合材料的机械和载荷性能；加之其具有生物材料的轻质、可降解、生物相容及可再生等特性，生物医药方面的应用也非常广泛，比如伤口涂覆材料、合成血管疏水改性和药物载体等。
低共熔溶剂是由氢键受体与氢键供体组成或由季铵盐与金属盐类物质组成的一类新型绿色反应溶剂，具有制备简单、价格便宜、可降解，被广泛应用于有机合成、材料制备和气体分离等领域。
现在纤维素纳米晶体的制备主要采用酸水解法，尽管所用原料多种多样，产品性质存在差异，但其主要制备原理和方法基本是一致的，即采用纤维素润涨处理、酸水解、洗涤、干燥、粉碎等过程，目前酸水解这一步多采用硫酸等无机酸，存在用水量大、产生废液较多、环境不友好等缺点。低共熔体系用于制备纤维素纳米晶体前人也所报道，专利201610150536.0公开了一种使用低共熔试剂作为预处理手段，随后使用机械手段来制备纤维素纳米晶体的方法，所使用的机械方法包括：超声、高压均质、研磨等。该方法解决了使用浓酸制备纤维素纳米晶体所带来的制备周期长、产率低及产品热稳定性低的问题，但是整体步骤繁琐。如能实现利用低共熔溶剂水解纤维素一步制备纤维素纳米晶体，省去纤维素的润张和和后期的机械加工等手段，则可显著提高反应效率，节约成本。
发明内容
本发明主要目的是提高酸性低共熔溶剂水解制备纤维素纳米晶体的水解反应活性，不经历前期的润张处理和后期的机械处理，实现利用酸性低共熔溶剂一步制备纤维素纳米晶体。
为了实现上述目的，本发明通过向低共熔体系中引入催化剂的方法来提高水解反应活性，具体包括以下步骤：
(1)将50质量份的二水合草酸和10～50质量份的氯化胆碱加入到0℃～40℃条件下的反应器中，然后升温至70℃～85℃，搅拌5min～10min，形成低共熔溶剂，然后向反应器中加入1～8质量份的金属盐，搅拌5min～10min，再加入1～10质量份纤维素浆料，继续在70℃～85℃条件下搅拌4h～10h；
(2)向步骤(1)中的反应体系加入300～700质量份的70℃～95℃蒸馏水，然后趁热在5000r/min～10000r/min的转速下离心3min～10min，倾倒出上清液而保留沉淀部分，然后对所得沉淀用100～800质量份的蒸馏水分散，再在5000r/min～10000r/min的转速下离心3min～10min，重复此用蒸馏水离心洗涤过程3～8次，对洗涤后所得固体进行冷冻干燥或喷雾干燥，制得纤维素纳米晶体；
所述的金属盐为三氯化铁、六水合三氯化铁、三溴化铁、六水合三溴化铁、三氯化铝、六水合三氯化铝、二氯化锌中的一种或几种的混合物。
所述的纤维素浆料为漂白木浆、漂白草浆、棉浆、溶解浆、二次纤维、未漂木浆或未漂草浆中的一种或几种组成的混合物。
所述的搅拌优选为机械搅拌，搅拌速度为100r/min～500r/min。
在步骤(2)中所述的上清液可通过减压蒸馏的方式进行浓缩，浓缩后所得混合物可作为低共熔反应液重新用于纤维素纳米晶体的制备，重复次数为3～6次。
有益效果：
(1)本发明的制备纤维素纳米晶体方法，反应条件温和，与原有低共熔溶剂制备纤维素纳米晶体方法(201610150536.0)相比，不需要后续的机械处理，简化了制备过程；与单纯使用草酸水溶液为反应试剂(201810047718.4)相比，反应温度显著降低。
(2)利用本发明制备纤维素纳米晶体的方法制备的纤维素纳米晶体具有良好的热稳定性，热降解温度大于320℃；同时，在水中具有良好的分散稳定性。
附图说明
附图为根据实例1制备的纤维素纳米晶体透射电镜图片。
具体实施方式
实施例1
将50g的二水合草酸和10g的氯化胆碱加入到25℃条件下的250mL三口烧瓶中，然后利用油浴加热，升温至85℃，机械搅拌10min，搅拌速度为100r/min，形成低共熔溶剂，然后向三口瓶中加入1g的六水合三氯化铁，搅拌5min，再加入1g漂白桉木浆，继续在85℃条件下搅拌4h，用300g的95℃蒸馏水将反应混合物稀释，然后趁热在10000r/min的转速下离心10min，倾倒出上清液而保留沉淀部分，然后对所得沉淀用100g的蒸馏水分散，再在10000r/min的转速下离心10min，重复此用蒸馏水离心洗涤过程3次，对洗涤后所得固体进行冷冻干燥，制得纤维素纳米晶体0.75g。所得产品受热分解失重5％的温度为321℃。其粒径分布为230nm～350nm左右。将该产品分散在水中，浓度为1wt％，静置30天不沉降。
实施例2
将50g的二水合草酸和50g的氯化胆碱加入到25℃条件下的250mL三口烧瓶中，然后利用油浴加热，升温至70℃，机械搅拌10min，搅拌速度为500r/min，形成低共熔溶剂，然后向三口瓶中加入8g的六水合三氯化铁，搅拌5min，再加入10g漂白草浆，继续在70℃条件下搅拌10h，用700g的95℃蒸馏水将反应混合物稀释，然后趁热在10000r/min的转速下离心10min，倾倒出上清液而保留沉淀部分，然后对所得沉淀用800g的蒸馏水分散，再在10000r/min的转速下离心10min，重复此用蒸馏水离心洗涤过程8次，对洗涤后所得固体进行冷冻干燥，制得纤维素纳米晶体7.2g。所得产品受热分解失重5％的温度为324℃。其粒径分布为420nm～510nm左右。将该产品分散在水中，浓度为1wt％，静置30天不沉降。
实施例3
将50g的二水合草酸和20g的氯化胆碱加入到30℃条件下的250mL三口烧瓶中，然后利用油浴加热，升温至80℃，机械搅拌5min，搅拌速度为200r/min，形成低共熔溶剂，然后向三口瓶中加入2g的三氯化铝，搅拌5min，再加入3g未漂杨木浆，继续在80℃条件下搅拌6h，用300g的95℃蒸馏水将反应混合物稀释，然后趁热在8000r/min的转速下离心5min，倾倒出上清液而保留沉淀部分，然后对所得沉淀用600g的蒸馏水分散，再在8000r/min的转速下离心5min，重复此用蒸馏水离心洗涤过程5次，对洗涤后所得固体进行喷雾干燥，制得纤维素纳米晶体2.05g。所得产品受热分解失重5％的温度为322℃。其粒径分布为480nm～590nm。将该产品分散在水中，浓度为1wt％，静置30天不沉降。
实施例4
将50g的二水合草酸和25g的氯化胆碱加入到25℃条件下的250mL三口烧瓶中，然后利用油浴加热，升温至80℃，机械搅拌10min，搅拌速度为300r/min，形成低共熔溶剂，然后向三口瓶中加入6g的二氯化锌，搅拌5min，再加入3g棉浆，继续在85℃条件下搅拌6h，向反应体系中加入600g的85℃蒸馏水，然后趁热在10000r/min的转速下离心3min，倾倒出上清液而保留沉淀部分，然后对所得沉淀用600g的蒸馏水分散，再在10000r/min的转速下离心5min，重复此用蒸馏水离心洗涤过程3次，对洗涤后所得固体进行冷冻干燥，制得纤维素纳米晶体2.1g。所得产品受热分解失重5％的温度为320℃。其粒径分布为570nm～630nm。将该产品分散在水中，浓度为1wt％，静置30天不沉降。
实施例5
将50g的二水合草酸和20g的氯化胆碱加入到25℃条件下的250mL三口烧瓶中，然后利用油浴加热，升温至80℃，机械搅拌10min，机械搅拌10min，搅拌速度为100r/min，形成低共熔溶剂，然后向三口瓶中加入2g三氯化铁，搅拌10min，再加入2g未漂草浆，继续在80℃条件下搅拌7h，用500g的80℃蒸馏水将反应混合物稀释，然后趁热在8000r/min的转速下离心6min，倾倒出上清液而保留沉淀部分，然后对所得沉淀用500g的蒸馏水分散，再在10000r/min的转速下离心6min，重复此用蒸馏水离心洗涤过程5次，对洗涤后所得固体进行喷雾干燥，制得纤维素纳米晶体1.56g。所得产品受热分解失重5％的温度为326℃。其粒径分布为265nm～330nm。将该产品分散在水中，浓度为1wt％，静置30天不沉降。
实施例6
将50g的二水合草酸和15g的氯化胆碱加入到25℃条件下的250mL三口烧瓶中，然后利用油浴加热，升温至80℃，机械搅拌10min，搅拌速度为100r/min，形成低共熔溶剂，然后向三口瓶中加入1g六水合三溴化铁，搅拌10min，再加入2g漂白杨木浆，继续在80℃条件下搅拌10h，用400g的80℃蒸馏水将反应混合物稀释，然后趁热在8000r/min的转速下离心5min，倾倒出上清液而保留沉淀部分，然后对所得沉淀用500g的蒸馏水分散，再在8000r/min的转速下离心5min，重复此用蒸馏水离心洗涤过程5次，对洗涤后所得固体进行冷冻干燥，制得纤维素纳米晶体1.55g。所得产品受热分解失重5％的温度为322℃。其粒径分布为190nm～270nm。将该产品分散在水中，浓度为1wt％，静置30天不沉降。
实施例7
将50g的二水合草酸和50g的氯化胆碱加入到25℃条件下的250mL三口烧瓶中，然后利用油浴加热，升温至70℃，机械搅拌10min，搅拌速度为500r/min，形成低共熔溶剂，然后向三口瓶中加入3g的六水合三氯化铁和1g三氯化铝，搅拌5min，再加入5g漂白杨木浆，继续在70℃条件下搅拌6h，用500g的95℃蒸馏水将反应混合物稀释，然后趁热在10000r/min的转速下离心10min，倾倒出上清液而保留沉淀部分，然后对所得沉淀用500g的蒸馏水分散，再在10000r/min的转速下离心10min，重复此用蒸馏水离心洗涤过程5次，对洗涤后所得固体进行冷冻干燥，制得纤维素纳米晶体3.6g。所得产品受热分解失重5％的温度为324℃。其粒径分布为310nm～485nm。将该产品分散在水中，浓度为1wt％，静置30天不沉降。

Claims (3)

1.一种金属盐催化酸性低共熔溶剂水解制备纤维素纳米晶体的方法，所述的制备方法包括下列步骤：
(1)将50质量份的二水合草酸和10～50质量份的氯化胆碱加入到0℃～40℃条件下的反应器中，然后升温至70℃～85℃，搅拌5min～10min，形成低共熔溶剂，然后向反应器中加入1～8质量份的金属盐，搅拌5min～10min，再加入1～10质量份纤维素浆料，继续在70℃～85℃条件下搅拌4h～10h；
(2)向步骤(1)中的反应体系加入300～700质量份的70℃～95℃蒸馏水，然后趁热在5000r/min～10000r/min的转速下离心3min～10min，倾倒出上清液而保留沉淀部分，然后对所得沉淀用100～800质量份的蒸馏水分散，再在5000r/min～10000r/min的转速下离心3min～10min，重复此用蒸馏水离心洗涤过程3～8次，对洗涤后所得固体进行冷冻干燥或喷雾干燥，制得纤维素纳米晶体；
所述的金属盐为三氯化铁、六水合三氯化铁、三溴化铁、六水合三溴化铁、三氯化铝、六水合三氯化铝、二氯化锌中的一种或几种的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种金属盐催化酸性低共熔溶剂水解制备纤维素纳米晶体的方法，其特征在于，所述的纤维素浆料为漂白木浆、漂白草浆、棉浆、溶解浆、二次纤维、未漂木浆或未漂草浆中的一种或几种组成的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种金属盐催化酸性低共熔溶剂水解制备纤维素纳米晶体的方法，其特征在于，所述的搅拌为机械搅拌，搅拌速度为100r/min～500r/min。
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