一種醋酸丙酸纖維素微球及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種以離子液體為溶劑制備纖維素微球的制備方法。該法采用均相酯化法合成醋酸丙酸纖維素，并使其再生，得到醋酸丙酸纖維素微球。先將纖維素溶于離子液體中制備纖維素溶液，再以丙酸酐-乙酸酐混合液與纖維素溶液進(jìn)行酯化反應(yīng)，然后將上述混合溶液分散到油相中，通過反相懸浮和程序降溫使纖維素溶液凝結(jié)成液滴，最后加入固化劑使纖維素溶液液滴固化形成纖維素微球，反應(yīng)結(jié)束后離心分離固液相，得到醋酸丙酸纖維素微球，并回收離子液體。采用本方法制備的醋酸丙酸纖維素微球球形圓整，醋酸丙酸纖維素的乙酰取代度為0.02～0.5，丙酰取代度為0.03～0.4，具有較好的機(jī)械性能、良好的熱穩(wěn)定性以及耐酸堿能力，可用于生物大分子蛋白質(zhì)的分離純化，也可以作為酶或其他生物材料的載體。
【專利說明】一種醋酸丙酸纖維素微球及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種醋酸丙酸纖維素微球的制備方法，屬于高分子材料化學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]高分子微球是指粒徑在納米級至微米級，形狀為球形或其他幾何體的高分子材料。微球因其特殊尺寸和特殊結(jié)構(gòu)在許多重要領(lǐng)域起到了特殊而關(guān)鍵的作用，不同粒徑和形貌的微球具有不同的功能和用途。高分子微球主要有以下幾個功能:微存儲器、微反應(yīng)器、微分離器和微結(jié)構(gòu)單元，它們的應(yīng)用幾乎涉及到所有領(lǐng)域，從一般工業(yè)應(yīng)用到高尖端領(lǐng)域，如生物化學(xué)領(lǐng)域、醫(yī)療和醫(yī)藥領(lǐng)域、電子信息領(lǐng)域等。高分子微球在生化工程和醫(yī)藥工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究近年來尤其熱門，如生物活性物質(zhì)的分離和純化，酶固定化，毒性和生物活性藥物的包埋，細(xì)胞、蛋白質(zhì)及DNA的包埋等。
[0003]1951年，O’ Neill首次報道了采用噴射法以粘膠液為原料制備了纖維素微珠。大約二十年后，眾多研究科研工作者才開始在纖維素微球制備方面作了大量研究，并制備出了各種纖維素及其衍生物微球產(chǎn)品。最近二十年，主要是通過發(fā)展新的綠色的纖維素溶劑來制備纖維素微球，或者是改進(jìn)現(xiàn)有的制備工藝方法或制備新穎的纖維素衍生物用于制備微球以滿足更加苛刻和尖端的應(yīng)用需求。
[0004]不同于合成高分子可以較簡單地制備出各種功能性的微球，纖維素類天然高分子則必須通過特殊的方 法制備，如反相懸浮法(乳化-固化法)、單凝聚法、復(fù)凝聚法、噴霧干燥法、自乳化-固化法和層層組裝技術(shù)等。這些方法的基本原理大同小異，首先制備纖維素或纖維素衍生物溶液，然后分散到特定分散液中，接下來根據(jù)纖維素原料性質(zhì)和溶液性質(zhì)采用不同固化方法固化成球。也可以通過特殊設(shè)備將制備好的纖維素溶液直接噴射到惰性介質(zhì)或空氣中分散或滴入到固化液中。其中，最普遍的方法是反相懸浮法，它簡單易行，適合工業(yè)化生產(chǎn)。反相懸浮法具體可分為以下幾個步驟:(I)制備纖維素或其衍生物溶液；
(2)分散纖維素溶液成液滴；(3)液滴固化使纖維素再生成球；(4)洗滌、干燥等后處理。
[0005]反相懸浮法制備纖維素微球的關(guān)鍵在于纖維素溶液的制備，采用適當(dāng)?shù)娜軇┲苯尤芙饫w維素，制備纖維素溶液，再通過合適的再生方法形成纖維素微球，可以簡化工藝，減少制備過程對環(huán)境的污染。目前用于溶解纖維素的溶劑主要有N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)、氯化鋰/ 二甲基乙酰胺(LiCl/DMAc)、離子液體、氨基甲酸酯體系、氫氧化鈉/水(Na0H/H20)體系、堿/尿素或硫脲/水體系。傳統(tǒng)的纖維素微球的制備過程中，會產(chǎn)生廢堿、廢酸、H2S氣體以及廢有機(jī)溶劑等污染物質(zhì)，N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)作為纖維素的溶劑具有低毒、可回收等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到廣泛的研究，并已經(jīng)投入到大規(guī)模生產(chǎn)Loycell纖維中。然而，NMMO溶解纖維素的工藝較復(fù)雜，需要較高的溫度，而且易被氧化，需要氮?dú)獗Ｗo(hù)，而且還存在反應(yīng)副產(chǎn)物以及回收率低等問題，需要進(jìn)一步解決這些問題才能大規(guī)模工業(yè)化。離子液體的無臭無味、無污染、不易燃、易與產(chǎn)物分離、易回收、可反復(fù)多次循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn)，使它成為傳統(tǒng)的纖維素溶劑的理想替代品。它有效地避免了使用有機(jī)溶劑所造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，成為環(huán)境友好的綠色溶劑。目前，已有文獻(xiàn)報道利用離子液體溶解纖維素，制備纖維素薄膜和纖維素絲。但是，離子液體溶解法制備纖維素微球，難度較大，一些關(guān)鍵工藝還有待完善。
[0006]近年來，纖維素微球材料作為載體用于生物加工技術(shù)親和吸附劑已經(jīng)廣泛用于藥物和酶的固定化。通過改性的纖維素微球，已經(jīng)成功用于胰蛋白酶、葡萄糖酶、半乳糖氧化酶、溶菌酶、轉(zhuǎn)化酶和青霉素G酰化酶等的固定化。纖維素的生物相容性使得纖維素微球在醫(yī)學(xué)上也有廣泛的應(yīng)用?？偟膩碚f，纖維素微球具有高度的親水性、良好的生物相容性、合適的多孔結(jié)構(gòu)和較高的機(jī)械強(qiáng)度、以及很低的非特異性吸附和規(guī)則的外形等使得其應(yīng)用廣泛。此外，由于其富含羥基，可用于功能化，通過交聯(lián)、接枝和制備復(fù)合材料來改善其性能擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域。
[0007]醋酸丙酸纖維素是一種重要的纖維素衍生物，它不僅保持了醋酸纖維素熔點(diǎn)高透明性好等優(yōu)點(diǎn)，而且在抗水性、溶解性、耐候性、抗沖擊和尺寸穩(wěn)定性等方面有較大提高。目前，醋酸丙酸纖維素雖已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，但除有少數(shù)關(guān)于醋酸丙酸纖維素薄膜制備的專利外，有關(guān)醋酸丙酸纖維素微球的研究報到很少。
[0008]本發(fā)明以離子液體為溶劑，酸酐為酯化劑，采用反相懸浮法制備醋酸丙酸纖維素微球。制備工藝簡單，對設(shè)備要求較低，所用離子液體可回收重復(fù)使用，是一種環(huán)境友好的新工藝。所制備的醋酸丙酸纖維素微球球形圓整，具有一定乙酰取代度和丙酰取代度，可調(diào)節(jié)微球表面的羥基分布和空間阻位，有利于選擇性吸附分離。同時具有較好的機(jī)械性能、良好的熱穩(wěn)定性以及耐酸堿能力，可用于生物大分子蛋白質(zhì)的分離純化，也可以作為酶或其他生物材料的載體。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是提供一種均相催化酯化法合成醋酸丙酸纖維素微球的方法，該方法所使用的離子液體可循環(huán)利用，是一種綠色環(huán)保的工藝過程。
[0010]本發(fā)明制備纖維素微球的方法是以離子液體為溶劑、酸酐為酯化劑，采用反相懸浮法實(shí)現(xiàn)的，具體包括以下步驟:
[0011](I)纖維素溶液的制備:在50~80°C的溫度下，將纖維素按質(zhì)量體積比(g: mL)為1: 20~50加入到離子液體中，低速攪拌5~10h，使纖維素完全溶解，得到纖維素溶液；
[0012](2)纖維素的酯化:在低速攪拌中，加入M1 = 2~5的丙酸酐和M2 = 2~4的乙酸酐混合液與纖維素溶液進(jìn)行酯化反應(yīng)(其中，MpM2分別為丙酸酐和乙酸酐與纖維素葡萄糖重復(fù)單元的摩爾比)，酯化反應(yīng)溫度為40~60°C，反應(yīng)時間為I~3h ;
[0013](3)分散乳化:反應(yīng)結(jié)束后，再將上述混合溶液分散于體積量為其體積4~10倍的油相中，油相由Span80乳化劑和300#液體石蠟組成，Span80與液體石蠟的體積比為I: 50~400，將反應(yīng)裝置置于50~70°C的水浴中，在300~900r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌使液滴分散均勻，形成反相懸浮體系；
[0014](4)纖維素的再生和纖維素微球的固化:維持?jǐn)嚢杷俣炔蛔儯{(diào)節(jié)溫度，使體系以
0.5°C /min的速度降溫至25~50°C，纖維素溶液凝結(jié)成液滴；加入固化劑去離子水，纖維素溶液與去離子水的體積比為1: 2~3，加完去離子水后降低轉(zhuǎn)速，繼續(xù)攪拌10~30min，纖維素溶液液滴固化，形成醋酸丙酸纖維素微球；[0015](5)后處理:最后，離心分離固液相，用去離子水洗滌得到的醋酸丙酸纖維素微球，并回收循環(huán)利用離子液體。
[0016]所述的離子液體為1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽或1- 丁基-3-甲基咪唑氯鹽或1-烷基-3-甲基咪唑氯鹽，丙酸酐和乙酸酐與纖維素葡萄糖重復(fù)單元的摩爾比分別為M1 =2~5和M2 = 2~4，酯化反應(yīng)溫度為40~60°C，酯化反應(yīng)時間為I~3h。
[0017]本發(fā)明方法簡單易行，是一種綠色環(huán)保的新工藝，采用本方法制備的醋酸丙酸纖維素微球具有良好的球形度、合適的粒徑及其分布，具有一定的乙酰取代度和丙酰取代度，可調(diào)節(jié)微球表面的羥基分布和空間阻位，有利于選擇性吸附分離，具有較好的機(jī)械性能、良好的熱穩(wěn)定性以及耐酸堿能力，可通過表面化學(xué)修飾或表面基團(tuán)衍生化來拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下通過具體實(shí)施實(shí)例用于進(jìn)一步說明本發(fā)明描述的方法，但是并不限制本發(fā)明。
[0019]實(shí)施例1
[0020]準(zhǔn)確稱取1.0g纖維素，加入到裝有50mL離子液體的燒杯中，將燒杯置于60°C的水浴中，低速攪拌5h，使纖維素完全溶解，得到纖維素溶液。然后往燒杯加AM1 = 2的丙酸酐和M2 = 2的乙酸酐混合液與纖維素溶液進(jìn)行酯化反應(yīng)(其中，M1, M2分別為丙酸酐和乙酸酐與纖維素葡萄糖重復(fù)單元的摩爾比)，酯化反應(yīng)溫度為40°C，保持低速攪拌，反應(yīng)3h。反應(yīng)結(jié)束后,再將此混合溶液分散于體積量為其體積4倍的油相中，油相由Span80乳化劑和300#液體石蠟組成，Span80與液體石蠟的體積比為1: 50，將反應(yīng)裝置置于70°C的水浴中，在900r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌使液滴分散均勻，形成反相懸浮體系。維持?jǐn)嚢杷俣炔蛔?，調(diào)節(jié)溫度，使體系以0.5°C /min的速度降溫至25°C，纖維素溶液凝結(jié)成液滴。然后緩慢加入IOOmL去離子水，加完去離子水后降低轉(zhuǎn)速為300r/min，繼續(xù)攪拌30min，纖維素溶液液滴固化，形成醋酸丙酸纖維素微球。最后，離心分離固液相，用去離子水洗滌得到的醋酸丙酸纖維素微球，并回收循環(huán)利用離子液體。
[0021]實(shí)施例2
[0022]準(zhǔn)確稱取1.5g纖維素，加入到裝有50mL離子液體的燒杯中，將燒杯置于70°C的水浴中，低速攪拌6h，使纖維素完全溶解，得到纖維素溶液。然后往燒杯加AM1 = 3的丙酸酐和M2 = 2的乙酸酐混合液與纖維素溶液進(jìn)行酯化反應(yīng)(其中，M1, M2分別為丙酸酐和乙酸酐與纖維素葡萄糖重復(fù)單元的摩爾比)，酯化反應(yīng)溫度為50°C，保持低速攪拌，反應(yīng)2h。反應(yīng)結(jié)束后，再將此混合溶液分散于體積量為其體積5倍的油相中，油相由Span80乳化劑和300#液體石臘組成，Span80與液體石臘的體積比為1: 100,將反應(yīng)裝置置于60°C的水浴中，在800r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌使液滴分散均勻，形成反相懸浮體系。維持?jǐn)嚢杷俣炔蛔儯{(diào)節(jié)溫度，使體系以0.5°C /min的速度降溫至30°C，纖維素溶液凝結(jié)成液滴。然后緩慢加入150mL去離子水，加完去離子水后降低轉(zhuǎn)速為300r/min，繼續(xù)攪拌20min，纖維素溶液液滴固化，形成醋酸丙酸纖維素微球。最后，離心分離固液相，用去離子水洗滌得到的醋酸丙酸纖維素微球，并回收循環(huán)利用離子液體。
[0023]實(shí)施例3[0024]準(zhǔn)確稱取2.0g纖維素,加入到裝有50mL離子液體的燒杯中，將燒杯置于80°C的水浴中，低速攪拌7h，使纖維素完全溶解，得到纖維素溶液。然后往燒杯加AM1 = 4的丙酸酐和M2 = 3的乙酸酐混合液與纖維素溶液進(jìn)行酯化反應(yīng)(其中，M1, M2分別為丙酸酐和乙酸酐與纖維素葡萄糖重復(fù)單元的摩爾比)，酯化反應(yīng)溫度為60°C，保持低速攪拌，反應(yīng)lh。反應(yīng)結(jié)束后，再將此混合溶液分散于體積量為其體積8倍的油相中，油相由Span80乳化劑和300#液體石蠟組成，Span80與液體石蠟的體積比為1: 200，將反應(yīng)裝置置于50°C的水浴中，在600r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌使液滴分散均勻，形成反相懸浮體系。維持?jǐn)嚢杷俣炔蛔?，調(diào)節(jié)溫度，使體系以0.5°C /min的速度降溫至40°C，纖維素溶液凝結(jié)成液滴。然后緩慢加入IOOmL去離子水，加完去離子水后降低轉(zhuǎn)速為300r/min，繼續(xù)攪拌lOmin，纖維素溶液液滴固化，形成醋酸丙酸纖維素微球。最后，離心分離固液相，用去離子水洗滌得到的醋酸丙酸纖維素微球，并回收循環(huán)利用離子液體。
[0025]實(shí)施例4
[0026]準(zhǔn)確稱取2.5g纖維素，加入到裝有50mL離子液體的燒杯中，將燒杯置于5 (TC的水浴中，低速攪拌9h，使纖維素完全溶解，得到纖維素溶液。然后往燒杯加AM1 = 5的丙酸酐和M2 = 4的乙酸酐混合液與纖維素溶液進(jìn)行酯化反應(yīng)(其中，M1, M2分別為丙酸酐和乙酸酐與纖維素葡萄糖重復(fù)單元的摩爾比)，酯化反應(yīng)溫度為50°C，，保持低速攪拌，反應(yīng)lh。反應(yīng)結(jié)束后,再將此混合溶液分散于體積量為其體積6倍的油相中，油相由Span80乳化劑和300#液體石蠟組成，Span80與液體石蠟的體積比為1: 300，將反應(yīng)裝置置于60°C的水浴中，在400r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌使液滴分散均勻，形成反相懸浮體系。維持?jǐn)嚢杷俣炔蛔?，調(diào)節(jié)溫度，使體系以0.5°C /min的速度降溫至50°C，纖維素溶液凝結(jié)成液滴。然后緩慢加入150mL去離子水，加完去離子水后降低轉(zhuǎn)速為300r/min，繼續(xù)攪拌20min，纖維素溶液液滴固化，形成醋酸丙酸纖維素微球。最后，離心分離固液相，用去離子水洗滌得到的醋酸丙酸纖維素微球，并回收循環(huán)利用離子液體。
[0027]實(shí)施例5
[0028]準(zhǔn)確稱取1.0g纖維素，加入到裝有50mL離子液體的燒杯中，將燒杯置于70°C的水浴中，低速攪拌10h，使纖維素完全溶解，得到纖維素溶液。然后往燒杯加AM1 = 4的丙酸酐和M2 = 2的乙酸酐混合液與纖維素溶液進(jìn)行酯化反應(yīng)(其中，M1, M2分別為丙酸酐和乙酸酐與纖維素葡萄糖重復(fù)單元的摩爾比)，酯化反應(yīng)溫度為40°C，保持低速攪拌，反應(yīng)lh。反應(yīng)結(jié)束后,再將此混合溶液分散于體積量為其體積10倍的油相中，油相由Span80乳化劑和300#液體石臘組成，Span80與液體石臘的體積比為1: 400,將反應(yīng)裝置置于60°C的水浴中，在300r/min的轉(zhuǎn)速 下攪拌使液滴分散均勻，形成反相懸浮體系。維持?jǐn)嚢杷俣炔蛔?，調(diào)節(jié)溫度，使體系以0.5°C /min的速度降溫至25°C，纖維素溶液凝結(jié)成液滴。然后緩慢加入IOOmL去離子水，加完去離子水后降低轉(zhuǎn)速為300r/min，繼續(xù)攪拌30min，纖維素溶液液滴固化，形成醋酸丙酸纖維素微球。最后，離心分離固液相，用去離子水洗滌得到的醋酸丙酸纖維素微球，并回收循環(huán)利用離子液體。
【權(quán)利要求】
1.一種醋酸丙酸纖維素微球的制備方法，該方法包括纖維素溶液的制備、纖維素的酯化、混合溶液的分散乳化、醋酸丙酸纖維素的再生、醋酸丙酸纖維素微球的固化和離子液體的回收循環(huán)利用，其特征在于:在50~80°C的溫度下，將纖維素按質(zhì)量體積比(g: mL)為I: 20~50加入到離子液體中，低速攪拌5~10h，使纖維素完全溶解，得到纖維素溶液；然后在低速攪拌中，加入M1 = 2~5的丙酸酐和M2 = 2~4的乙酸酐混合液與纖維素溶液進(jìn)行酯化反應(yīng)(其中，M1、M2分別為丙酸酐和乙酸酐與纖維素葡萄糖重復(fù)單元的摩爾比)，酯化反應(yīng)溫度為40~60°C，反應(yīng)時間為I~3h ;反應(yīng)結(jié)束后，再將此混合溶液分散于體積量為其體積4~10倍的油相中，油相由Span80乳化劑和300#液體石蠟組成，Span80與液體石蠟的體積比為1: 50~400，將反應(yīng)裝置置于50~70°C的水浴中，在300~900r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌使液滴分散均勻，形成反相懸浮體系；維持?jǐn)嚢杷俣炔蛔?，調(diào)節(jié)溫度，使體系以0.5°C /min的速度降溫至25~50°C，纖維素溶液凝結(jié)成液滴；加入固化劑去離子水，纖維素溶液與去離子水的體積比為1: 2~3，加完去離子水后降低轉(zhuǎn)速，繼續(xù)攪拌10~30min，纖維素溶液液滴固化，形成醋酸丙酸纖維素微球；最后，離心分離固液相，用去離子水洗滌得到的醋酸丙酸纖維素微球，并回收循環(huán)利用離子液體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述的離子液體為1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽或1- 丁基-3-甲基咪唑氯鹽或1-烷基-3-甲基咪唑氯鹽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述的丙酸酐和乙酸酐與纖維素葡萄糖重復(fù)單元的摩爾比分別為M1 = 2~5和M2 = 2~4。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述的酯化反應(yīng)溫度為40~60°C，酯化反應(yīng)時間為I~3h。
【文檔編號】C08L1/14GK103992487SQ201310335869
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2013年8月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月5日
【發(fā)明者】林成剛, 宋洪浪, 梁濤, 王則奮, 倪海明, 萬思杰, 黃科林, 蔡廣超, 賈艷樺, 覃寧波, 柳春, 藍(lán)麗 申請人:廣西弘耀祥科技有限公司, 中國科技開發(fā)院廣西分院