一種天然纖維素的溶解方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及屬于天然高分子領(lǐng)域，特別涉及一種天然纖維素的溶解方法，其步驟為：將天然纖維素剪碎后加入到NaOH溶液中，超聲波活化40-90分鐘，再用去離子水清洗至中性，最后將天然纖維素分別浸至二甲基乙酰胺和無水醇溶液中30-60分鐘，烘干；氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將LiCl溶解至二甲基乙酰胺中，加熱至90-110℃，在該溫度下加入烘干的天然纖維素?cái)嚢枞芙?00-140分鐘；降溫至20-25℃，攪拌3-5小時(shí)，超聲振蕩。本發(fā)明提供的天然纖維素的溶解方法對(duì)天然纖維素進(jìn)行活化預(yù)處理，降低纖維素的結(jié)晶度，縮短了纖維素的溶解時(shí)間，且溶液均一、穩(wěn)定。本發(fā)明綠色無污染，可操作性強(qiáng)，生產(chǎn)成本較低，安全性較高。
【專利說明】一種天然纖維素的溶解方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及屬于天然高分子領(lǐng)域，特別涉及一種天然纖維素的溶解方法。
【背景技術(shù)】
[0002]天然纖維素纖維是一種可再生資源，大自然中的樹木、棉花、稻桿、玉米等植物和一些細(xì)菌的分泌物中都含有大量天然纖維素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年利用天然生物合成可生產(chǎn)數(shù)千億噸的纖維素，這是石油資源無法與其相比的。
[0003]纖維素的溶劑體系一般包括兩種:一種是纖維素的傳統(tǒng)溶解法，即粘膠法或銅氨法，與纖維素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成衍生物來達(dá)到溶解目的，主要采用丙酮、二硫化碳等作為溶劑和助劑，并需要對(duì)所需的纖維素進(jìn)行黃化、老成和熟成，在溶解的過程中涉及到亞硫酸鹽、硫化鈉、硫酸等具有揮發(fā)性的試劑，不僅污染環(huán)境，還嚴(yán)重危害人員健康；另一種是直接溶劑，即不與纖維素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，直接溶解纖維素，在溶解過程中沒有形成衍生物，以氧化甲基嗎啉(NMMO)/H20、LiCl/DMAC和室溫離子體系為代表。LiCl/DMAC溶劑體系有良好的穩(wěn)定性，溶解過程中無其它衍生物生成，成為纖維素新溶劑的研究熱點(diǎn)。天然纖維素的溶解因?yàn)槠涓叩木酆隙龋芙饫щy，相關(guān)文獻(xiàn)和專利相對(duì)較少，在2010年，中國專利CN102061001A中提到纖維素在LiCl/DMAC溶解方法，需要在真空釜中減壓蒸餾，條件復(fù)雜，溶解時(shí)間長，而且只能降解聚合度不超過900的纖維素，聚合度高于900的纖維素?zé)o法溶解。
[0004]由于天然纖維素分子內(nèi)和分子間存在著大量的氫鍵，同時(shí)纖維素形態(tài)結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及高結(jié)晶 度，使得大量可反應(yīng)的羥基被封閉，溶解困難，纖維素反應(yīng)性低，均一性差。
[0005]超聲波由于頻率高，波長短，因而具有較強(qiáng)的穿透力。利用超聲的機(jī)械作用、空化作用、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，可進(jìn)行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)行生物學(xué)研究等，在工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個(gè)部門獲得了廣泛應(yīng)用。將超聲波技術(shù)應(yīng)用于纖維素學(xué)科的研究中，能有效降低結(jié)晶區(qū)所占比例，提高纖維素化學(xué)反應(yīng)活性，開通新的反應(yīng)通道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種天然纖維素的溶解方法，將物理和化學(xué)相結(jié)合的活化方式處理天然纖維素，降低纖維素的結(jié)晶度，縮短了纖維素的溶解時(shí)間，且溶液均一、穩(wěn)定、不分層，可溶解高聚合度的天然纖維素。
[0007]本發(fā)明的目的通過一下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0008]一種天然纖維素的溶解方法，其步驟包括:
[0009](I)將天然纖維素剪碎后加入到NaOH溶液中，超聲波活化40_90分鐘，再用去離子水清洗至中性，最后將天然纖維素分別浸至二甲基乙酰胺及無水醇溶液中30-60分鐘，烘干；醇分子可以置換纖維素中的自由水，降低纖維素的重結(jié)晶。[0010](2)氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將LiCl溶解至二甲基乙酰胺中，加熱至90-110°C，在該溫度下加入步驟(1)中烘干的天然纖維素?cái)嚢枞芙?00-140分鐘；降溫至20-25°C，攪拌3_5小時(shí)得到紡絲溶液；
[0011](3)將步驟(2)中的紡絲溶液超聲振蕩50-70分鐘。
[0012]所述步驟(1)中，天然纖維素與NaOH的重量比為1:4_12。
[0013]所述步驟(1)中，天然纖維素、二甲基乙酰胺及醇的加入量配比為lg:9-18mL:9_18mL0
[0014]所述無水醇溶液為無水甲醇或無水乙醇。
[0015]所述NaOH溶液的質(zhì)量濃度為12_18%。
[0016]所述步驟(2)中，天然纖維素、LiCl與二甲基乙酰胺的加入量配比為0.1-0.7g:lg:6-14mL。優(yōu)選的，天然纖維素、LiCl與二甲基乙酰胺的加入量配比為0.3-0.5g:lg:6_14mL0
[0017]所述步驟(2)中的LiCl在使用前150°C溫度下干燥16-20小時(shí)。優(yōu)選的，干燥18小時(shí)。
[0018]所述步驟(2)中的攪拌轉(zhuǎn)速為450_500rpm/min。
[0019]所述天然纖維素為棉纖維素，聚合度為1000-1500。
[0020]本發(fā)明的有益效果是:
[0021]1、本發(fā)明提供的天然纖維素的溶解方法采用NaOH溶液破壞纖維素的結(jié)晶區(qū)和規(guī)整性的化學(xué)方法和超聲波的機(jī)械作業(yè)破壞纖維的結(jié)晶區(qū)的物理方法相結(jié)合，對(duì)天然纖維素進(jìn)行活化預(yù)處理，降低結(jié)晶區(qū)所占比例，從而降低纖維素的結(jié)晶度，縮短了纖維素的溶解時(shí)間。
[0022]2、本發(fā)明可有效溶解聚合度在1000-1500的天然纖維素，且溶解得到的紡絲溶液均一性、穩(wěn)定性好，可在室溫狀態(tài)下保存30天以上，而且該紡絲溶液具有良好的可紡性和成膜性。
[0023]3、本發(fā)明提供的天然纖維素的溶解方法綠色無污染，溶劑體系屬于纖維素的直接溶劑，溶解過程無其它衍生物生成，而且本發(fā)明的可操作性強(qiáng)，溶劑可回收，利用率高，無工業(yè)污染產(chǎn)生且生產(chǎn)成本相對(duì)較低,安全性較高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是實(shí)施例1中制得的天然纖維素溶解液保存30天的粘度變化圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
[0026]原料:以下實(shí)施例中使用的天然纖維素為天然棉纖維素，聚合度為1200-1500。
[0027]設(shè)備:KQ_50B型超聲波清洗器，IKA RW20攪拌器，WD-5000型電熱鼓風(fēng)干燥箱，DZF-6050真空烘箱。
[0028]實(shí)施例1
[0029](I)將5g天然棉纖維剪碎，放入盛有200mL的質(zhì)量濃度為17%的NaOH溶液中，室溫超生波活化60min，去離子水將棉纖維清洗至中性；將洗至中性的棉纖維先浸入50mL的二甲基乙酰胺(DMAC)中，浸泡45分鐘；然后再浸入至50mL的無水甲醇中，浸泡45min,最后置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干；
[0030](2)用真空烘箱，150°C條件下，將LiCl干燥處理18小時(shí)，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，取干燥的IOgLiCl加入到IOOmL的DMAC中攪拌溶解，升溫至100°C，加入步驟(1)中烘干的纖維素，保持100°C的溫度,攪拌120min,攪拌轉(zhuǎn)速為500rpm/min ;降至室溫繼續(xù)攪拌,攪拌速度仍為500rpm/min，攪拌溶解4小時(shí)，將溶解液進(jìn)行超聲波振蕩消泡60min，得到均勻透明的紡絲溶液，該紡絲溶液中的纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.6%，在室溫下保持30天以上，溶液均一、不分層，黏度穩(wěn)定，所述紡絲溶液具有良好的可紡性和成膜性。
[0031]圖1是本實(shí)施例中制得的紡絲溶液的粘度與存放時(shí)間的關(guān)系圖，從圖中可知，隨著存放時(shí)間的延長，紡絲溶液的粘度相差不超過5%，非常穩(wěn)定。
[0032]實(shí)施例2
[0033](I)將3g天然棉纖維剪碎，放入盛有200mL的質(zhì)量濃度為17%的NaOH溶液中，室溫超生波活化50min，去離子水將棉纖維清洗至中性；將洗至中性的棉纖維先浸入50mL的二甲基乙酰胺(DMAC)中，浸泡40分鐘；然后再浸入至50mL的無水甲醇中，浸泡40min,最后置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干；
[0034](2)用真空烘箱，150°C條件下，將LiCl干燥處理18小時(shí)，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，取干燥的IOgLiCl加入到IOOmL的DMAC中攪拌溶解，升溫至100°C，加入步驟(1)中烘干的纖維素，保持100°C的溫度,攪拌120min,攪拌轉(zhuǎn)速為450rpm/min ;降至室溫繼續(xù)攪拌,攪拌速度仍為450rpm/min,攪拌溶解4小時(shí),將溶解液進(jìn)行超聲波振蕩消泡60min,得到均勻透明的紡絲溶液，該紡絲溶液中的纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.8%，而且黏度穩(wěn)定。
[0035]上述實(shí)施例應(yīng)理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。在閱讀了本發(fā)明記載的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種天然纖維素的溶解方法，其步驟包括: (1)將天然纖維素剪碎后加入到NaOH溶液中，超聲波活化40-90分鐘，再用去離子水清洗至中性，最后將天然纖維素分別浸至二甲基乙酰胺及無水醇溶液中30-60分鐘，烘干； (2)氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將LiCl溶解至二甲基乙酰胺中，加熱至90-110°C，在該溫度下加入步驟(I)中烘干的天然纖維素?cái)嚢枞芙?00-140分鐘；降溫至 20-25°C，攪拌3-5小時(shí)得到紡絲溶液； (3)將步驟(2)中的紡絲溶液超聲振蕩50-70分鐘。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然纖維素的溶解方法，其特征在于:所述步驟(1)中，天然纖維素與NaOH的重量比為1:4-12。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的天然纖維素的溶解方法，其特征在于:所述NaOH溶液的質(zhì)量濃度為12-18%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然纖維素的溶解方法，其特征在于:所述步驟(1)中，天然纖維素、二甲基乙酰胺及無水醇溶液的加入量配比為Ig:9-18mL:9-18mL。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的天然纖維素的溶解方法，其特征在于:所述無水醇溶液為無水甲醇或無水乙醇。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然纖維素的溶解方法，其特征在于:所述步驟(2)中，天然纖維素、LiCl與二甲基乙酰胺的加入量配比為0.1-0.7g:lg:6-14mL。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然纖維素的溶解方法，其特征在于:所述步驟(2)中的LiCl在使用前在150°C溫度下真空干燥16-20小時(shí)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然纖維素的溶解方法，其特征在于:所述步驟(2)中的攪拌轉(zhuǎn)速為 450-500rpm/min。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然纖維素的溶解方法，其特征在于:所述天然纖維素為棉纖維素，聚合度為1000-1500。
【文檔編號(hào)】D01F2/02GK103788383SQ201410040310
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月27日
【發(fā)明者】曹延娟, 辛斌杰, 吳湘濟(jì), 杜衛(wèi)平, 張 杰, 方珩, 劉巖, 潘勁 申請(qǐng)人:上海工程技術(shù)大學(xué)