CN100523070C - 一种纤维素水凝胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的纤维素水凝胶的制备方法,其特征在于该方法是先将纤维素溶解于离子液体中,然后用置换液置换离子液体,即可获得白色半透明固体纤维素水凝胶。本发明制备过程简单,工艺控制容易,所使用的离子液体属环保型绿色溶剂,安全性高,价格低,且可回收循环使用,因而不仅可实现绿色制备工艺,降低成本,而且所制备的纤维素凝胶无毒、成本低,不易滋生微生物,保存条件宽松,在煮沸的水中亦可稳定存在,不仅可用于凝胶电泳分析、凝胶色谱、药物缓释、有毒物质吸附等领域,还在生物组织工程方面有潜在的应用价值,可替代目前所用的聚丙烯酰胺凝胶、明胶和琼脂糖凝胶等产品。
Description
技术领域
本发明属于水凝胶的制备技术领域,具体涉及一种纤维素水凝胶的制备方法。
背景技术
凝胶可分为水凝胶和有机凝胶。水凝胶是最常见也是最为重要的一种。绝大多数的生物、植物内存在的天然凝胶以及许多合成高分子凝胶均属于水凝胶。水凝胶有着极为广泛的用途,如:物质的富集与分离,药物释放系统,人体器官和组织代替等等。
常用的、从动物中提取的明胶等物质虽然可形成水凝胶,但由于其对温度较敏感,温度较高时,水凝胶将会转变为溶液,而且容易滋生微生物并导致降解,因而其应用受到了一定的限制。目前,对热稳定的水凝胶主要是通过交联制备方法形成网络结构的高分子水凝胶。比如,聚丙烯酰胺水凝胶就是由丙烯酰胺单体和交联剂经聚合、交联而成,但得到的水凝胶中会残留部分单体。而残留的丙烯酰胺单体是国际公认的致癌物质。根据中国卫生部2005年公布的《食品中丙烯酰胺的危险性报告》中指出,丙烯酰胺具有潜在的神经毒性、遗传毒性和致癌性。报告还指出,职业接触人群的流行病学观察表明,长期低剂量接触丙烯酰胺会出现嗜睡、情绪和记忆改变、幻觉和震颤等症状,伴随末梢神经病如手套样感觉、出汗和肌肉无力。又如,中国专利公开CN1480224提供了一种通过电子束或γ辐射将淀粉等高分子水溶液转变为凝胶的方法,但辐射交联的方法需要比较昂贵的设备和原料,因而成本高,使用范围受限。
纤维素是地球上最丰富的可再生材料,属于环境友好材料。纤维素与合成高分子相比具有:①自然界的储藏量巨大;②能够迅速再生(纤维素每年再生量就达1.0×1010吨);③易降解、易于改性等优势,但由于纤维素本身不溶于常见溶剂,因而不能用于制备水凝胶。而将纤维素改性后的衍生物虽可溶于水,从而可获得纤维素衍生物的水凝胶,但制备改性纤维素需耗费较多的化学试剂,无疑会带来相应的环境污染,并破坏纤维素本身天然无毒的优势。因此,寻找使用有效的天然纤维素溶剂,获得天然纤维素溶液,再利用各种方法获取纤维素水凝胶,是开发利用天然纤维素材料,获取新的水凝胶的一条重要途径。
世界各国的科研人员为探索天然纤维素的有效溶剂做了大量工作。目前,研究最多并已经商业化的技术是采用氧化甲基吗啉(NMMO)为溶剂(参见中国发明专利:溶剂法纤维素纤维的制造方法,ZL97107819.X;溶纺纤维素纤维的制造方法,CN1151194A;再生纤维素纤维及其制造方法,CN1238016A)。为了提高溶解能力,或者降低纤维素溶液的粘度,还有一些研究是采用混合溶剂,如CN1201802A公开了一种低粘度纤维素溶液的制造方法,该方法使用的溶剂是由氧化甲基吗啉(NMMO)、正甲基已内酰胺(NMC)、四甲基氯化铵(TMAC)相互混合而成,该溶剂提高了纤维素的溶解能力、降低了溶液粘度,且溶剂可回收,可在一定程度上降低成本。其它种类的纤维素溶剂,如CN1318582公开的一种纤维素膜的制备方法,该方法是以4~8%氢氧化钠/2~8%尿素混合水溶液为溶剂,在0~10℃下溶解纤维素,所用凝固剂为氯化钙水溶液、盐酸溶液或醋酸水溶液。据称该方法无污染、成本低、能溶解粘均分子量为8.5×104以下的各种纤维素浆。CN1210566公开的一种制备含94~100(重量)%的纤维素、磷酸和/或磷酸酐以及水诸成分的各向同性的可纺溶液的方法,该溶液是通过将纤维素溶解在含磷酸的溶剂中而制得的,而该溶剂中含68~85(重量)%五氧化二磷(以溶剂中水和磷酸的总量计)。
相比较而言,氧化甲基吗啉(NMMO)的价格比较昂贵,故而限制了其工业化的进程。复合溶剂的配制一般比较烦琐,而且某些复合溶剂特别是磷酸类溶剂对金属设备会产生的腐蚀作用,氢氧化钠类溶剂虽然便宜,但溶解纤维素的能力有限,且由于需低温操作,工业化实施起来有困难。
离子液体是近年来兴起的一类极具应用前景的环保型绿色溶剂,在化学合成、电化学、萃取分离、材料制备等诸多领域的应用日益为世人所关注。离子液体与传统的有机溶剂、水、超临界流体等相比,具有以下优点:(1)对很多化学物质包括有机物和无机物具有良好的溶解性能;(2)具有较高的离子传导性;(3)具有较高的热稳定性;(4)具有较宽的液态温度范围;(5)具有较高的极性、溶剂化性能;(6)几乎不挥发、不氧化、不燃烧;(7)粘度低、热容大;(8)对水、对空气均稳定;(9)易回收,可循环使用;(10)设备简单、制造容易。其品种已有数百种乃至更多,且已有人在中国申请了有关离子液体的制备和应用方面的专利(参见中国发明专利:CN1326936A,CN1140422A,CN1123031A,CN1491974等)。如其中CN1491974公开了一种利用室温离子液体溶解纤维素的方法,该方法可制备重量比3~8%的纤维素溶液。但未见利用离子液体制备纤维素水凝胶的报道。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术存在的问题,提供了一种利用离子液体溶解/置换液置换离子液体来制备纤维素水凝胶的方法。
本发明提供的纤维素水凝胶的制备方法,其特征在于该方法是先将纤维素溶解于离子液体中,然后用置换液置换离子液体,即可获得白色半透明固体纤维素水凝胶。
本发明提供的纤维素水凝胶的制备方法是本发明人在实验中发现,在能够溶解纤维素的某些具有特定结构的离子液体中,如果其本身是吸水性的,则纤维素的溶解性对该形成的溶液中的水含量特别敏感,即溶液的含水量越大,纤维素的溶解性越差,但在某些条件下纤维素并不从体系中以沉淀的形式析出,而是缓慢地形成凝胶。由此,本发明人通过研究发明了这种制备纤维素水凝胶的新方法,即将纤维素先溶解于离子液体中形成溶液,然后用含水的置换液接触该溶液,由于所用的离子液体可以与含水的置换液混溶,导致离子液体缓慢渗出,同时水缓慢渗入。经过这种交换,离子液体被水置换,而水又不能溶解纤维素,只能使纤维素发生溶胀,从而形成纤维素凝胶。由于室温下该溶液粘度较大,与水等其他溶剂接触后不易改变其形状,形成的凝胶能保持其形状,因此可利用模具来得到所期望形状的凝胶,且还可通过调节纤维素含量、置换液成分等条件,来调整纤维素凝胶的透明度和硬度。
本发明提供的纤维素水凝胶的制备方法,其具体的工艺步骤如下:
1)将经真空干燥的纤维素按重量计0.1~4份加入经真空干燥的100份离子液体中,加热至70~110℃,搅拌溶解20~60分钟,即可得到透明均匀的纤维素离子液体溶液;
2)将上述溶液冷却至室温后注入模具中,待溶液液面稳定后加入置换液,让置换液与离子液体置换5~10小时,形成凝胶,待凝胶有一定硬度后,另换置换液再次置换,经3~5次置换后,即可得到白色半透明状凝胶。
上述方法中将纤维素和离子液体在溶解前进行真空干燥是为了提高其纤维素的溶解性能。
为了缩短置换时间,还可采用这样一种技术措施:即当置换液与离子液体进行初次置换,形成了有一定硬度的凝胶后,将其放置于超声波发生器中或于水中进行加热升温至80~100℃下再进行后续的置换,置换时间可缩短为10~60分钟/次。
上述方法中所用的置换液为水或混合水溶液,混合水溶液由水和二甲基亚砜、丙酮、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇或N,N-二甲基甲酰胺中的任一种按1:1的比例配制而成。当置换液为混合水溶液时,根据凝胶使用的要求,可采用生物缓冲液或水再将凝胶中所含的二甲基亚砜、丙酮、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇或N,N-二甲基甲酰胺置换出来。
上述方法中所用的纤维素为微晶纤维素或天然纤维素,其中天然纤维素选自木浆纤维、棉纤维和麻纤维中的任一种。由于配置的纤维素溶液浓度较低,因而对纤维素的聚合度没有限制,也不用事先活化。
上述方法中所用的离子液体是由阳离子和阴离子组成,阳离子为吡咯鎓盐,其化学结构如下:
其中R1和R2为烃基,选自甲基、乙基、丙基、烯丙基、异丙基、丁基、仲丁基、异丁基、戊基、异戊基、己基、2—乙基丁基、2—甲基戊基中的任一种,R1和R2可以相同,也可以不相同;阴离子为氯离子、C1~C6羧酸根中的任一种,其中C1~C6羧酸根选自甲酸根、乙酸根、丙酸根、丁酸根、己酸根、马来酸根、反丁烯二酸根、草酸根、乳酸根或丙酮酸根。所用离子液体的制备方法可参见文献“Bonhote P,Dias A P,AmandM.Hydrophobic Highly Conductive Ambient Temperature Molten Salt.Inorg.Chem.1996,Vol.35,P1168-1178”。
本发明具有以下优点:
1、由于本发明使用的离子液体属环保型绿色溶剂,安全性高,因而既不会对制备的纤维素凝胶产生毒性,也不会对设备带来腐蚀、环境带来污染。
2、由于本发明使用的离子液体与已有技术所用的氧化甲基吗啉溶剂相比,价格低,且可通过蒸发除去水份的方法回收,并可循环使用,因而不仅可实现绿色制备工艺,而且可降低成本。
3、本发明所制备的纤维素凝胶不仅具有无毒和成本低廉的优势,且凝胶成品不易滋生微生物,保存条件宽松,在煮沸的水中亦可稳定存在。
4、本发明制备过程简单,工艺控制容易。
5、本发明制备的纤维素凝胶用途广泛,不仅可用于凝胶电泳分析、凝胶色谱、药物缓释、有毒物质吸附等领域,还在生物组织工程方面有潜在的应用价值,可替代目前所用的聚丙烯酰胺凝胶、明胶和琼脂糖凝胶等产品。
具体实施方式
下面给出实施例以对本发明进行具体描述,有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,该领域的技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。
以下实施例中物质的份数未作特别说明的,均为重量份。
实施例1
将经真空干燥的木浆纤维素0.8份加入经真空干燥的100份1-烯丙基-3-甲基氯咪唑盐离子液体中,加热至100℃,搅拌溶解30分钟,得到透明均匀的纤维素离子液体溶液;将该溶液冷却至室温后注入聚四氟乙烯模具中,待溶液液面稳定后,缓慢加入用水与二甲亚砜按体积比1:1配置的置换液,使之覆盖于纤维素/离子液体溶液的上方,让置换液与离子液体置换10小时,形成有一定硬度的凝胶后,将上层液体倒出,另换新的置换液再次置换,经3次这样的置换后,凝胶中的离子液体被交换出来,得到白色半透明状凝胶。这时将凝胶取出,浸入浓度为0.01mol/L的三羟甲基氨基甲烷生物缓冲液中3小时,共进行4次,使凝胶中的二甲基亚砜被交换出来。本实施例所获凝胶的透明度较高,机械强度较高,韧性较高,可用于DNA的凝胶电泳分析,分离效果良好。
实施例2
将经真空干燥的微晶纤维素0.1份加入经真空干燥的100份1-烯丙基-3-甲基乙酸咪唑盐离子液体中,加热至70℃,搅拌溶解20分钟,得到透明均匀的纤维素离子液体溶液;将该溶液冷却至室温后注入聚四氟乙烯模具中,待溶液液面稳定后,缓慢加入纯净水置换液,使之覆盖于纤维素/离子液体溶液的上方,让纯净水置换液与离子液体置换5小时,形成有一定硬度的凝胶后,将上层液体倒出,另换新的纯净水置换液再次置换,经4次这样的置换后,凝胶中的离子液体被置换出来,即可得到白色半透明状凝胶。本实施例所获凝胶的透明度较高,机械强度较低,韧性较高。
实施例3
将经真空干燥的微晶纤维素4份加入经真空干燥的100份1-烯丙基-3-甲基乙酸咪唑盐离子液体中,加热至110℃,搅拌溶解60分钟,得到透明均匀的纤维素离子液体溶液;将该溶液冷却至室温后注入聚四氟乙烯模具中,待溶液液面稳定后,缓慢加入纯净水置换液,使之覆盖于纤维素/离子液体溶液的上方,让纯净水置换液与离子液体置换10小时,形成有一定硬度的凝胶后,将上层液体倒出,另换新的纯净水置换液再次置换,经2次这样的置换后,将凝胶放入超声波发生器中,使之在超声波的作用下置换3次,每次20分钟,这时凝胶中的离子液体被置换出来,得到白色固形凝胶。本实施例所获凝胶的透明度较低,硬而脆。
实施例4
将经真空干燥的棉纤维素2份加入经真空干燥的100份1-丁基-3-甲基乙酸咪唑盐离子液体中,加热至100℃,搅拌溶解30分钟,得到透明均匀的纤维素离子液体溶液;将该溶液冷却至室温后注入聚四氟乙烯模具中,待溶液液面稳定后,缓慢加入用水与乙醇按体积比1:1配置的置换液,使之覆盖于纤维素/离子液体溶液的上方,让置换液与离子液体置换10小时,形成有一定硬度的凝胶后,将上层液体倒出,另换新的置换液再次置换,经5次这样的置换后,凝胶中的离子液体被交换出来,得到白色半透明状凝胶。这时将凝胶取出,浸入纯净水中5小时,共进行5次,使凝胶中的乙醇被交换出来。本实施例所获凝胶的透明度较低,机械强度较高,但韧性较差。
实施例5
将经真空干燥的木浆纤维素0.7份加入经真空干燥的100份1-丁基-3-甲基氯咪唑盐离子液体中,加热至90℃,搅拌溶解25分钟,得到透明均匀的纤维素离子液体溶液;将该溶液冷却至室温后注入聚四氟乙烯模具中,待溶液液面稳定后,缓慢加入用水与二甲亚砜按体积比1:1配置的置换液,使之覆盖于纤维素/离子液体溶液的上方,让纯净水置换液与离子液体置换8小时,形成有一定硬度的凝胶后,将上层液体倒出,将凝胶放入超声波发生器中,另换新配置的置换液再次置换,使之在超声波的作用下置换4次,每次10分钟,这时凝胶中的离子液体被置换出来,得到白色半透明固形凝胶。将凝胶取出,浸入浓度为0.01mol/L的三羟甲基氨基甲烷生物缓冲液中4小时。此交换过程进行3次,可使凝胶中的二甲亚砜被交换出来。本实施例所获凝胶的透明度较高,机械强度较高,韧性较高。此凝胶可以用于DNA的凝胶电泳分析,分离效果良好。
实施例6
将经真空干燥的麻纤维素2份加入经真空干燥的100份1-乙基-3-甲基甲酸咪唑盐离子液体中,加热至100℃,搅拌溶解30分钟,得到透明均匀的纤维素离子液体溶液;将该溶液冷却至室温后注入聚四氟乙烯模具中,待溶液液面稳定后,缓慢加入纯净水置换液,使之覆盖于纤维素/离子液体溶液的上方,让纯净水置换液与离子液体置换10小时,形成有一定硬度的凝胶后,将上层液体倒出,将其放入100℃新的纯净水置换液再次置换,置换时间30分钟,经4次这样的置换后,凝胶中的离子液体被置换出来,得到白色固形凝胶。本实施例所获凝胶的透明度较低,硬而脆。
实施例7
将经真空干燥的木浆纤维素1份加入经真空干燥的100份1-烯丙基-3-甲基氯咪唑盐离子液体中,加热至80℃,搅拌溶解40分钟,得到透明均匀的纤维素离子液体溶液;将该溶液冷却至室温后注入聚四氟乙烯模具中,待溶液液面稳定后,缓慢加入用水与N,N-二甲基甲酰胺按体积比1:1配置的置换液,使之覆盖于纤维素/离子液体溶液的上方,让纯净水置换液与离子液体置换10小时,形成有一定硬度的凝胶后,将上层液体倒出,将其放入80℃新的纯净水置换液再次置换,置换时间60分钟,经4次这样的置换后,不仅凝胶中的离子液体被置换出来,而且也使凝胶中的N,N-二甲基甲酰胺被交换出来,最后得到白色半透明固形凝胶。本实施例所获凝胶的透明度较高,机械强度较高,韧性较高,可用于DNA的凝胶电泳分析,分离效果良好。
Claims (3)
1、一种纤维素水凝胶的制备方法,其特征在于该方法是先将纤维素溶解于离子液体中,然后用置换液置换离子液体,即获得白色半透明固体纤维素水凝胶,各工艺步骤的条件如下:
1)将经真空干燥的纤维素按重量计0.1~2份加入经真空干燥的100份离子液体中,加热至70~110℃,搅拌溶解20~60分钟,即得透明均匀的纤维素离子液体溶液;
2)将上述溶液冷却至室温后注入模具中,待溶液液面稳定后加入置换液,让置换液与离子液体置换5~10小时,形成凝胶,待凝胶有一定硬度后,另换置换液再次置换,经3~5次置换后,即得,
其中所用的离子液体是由阳离子和阴离子组成,阳离子为吡咯鎓盐,其化学结构如下:
其中R1和R2为烃基,选自甲基、乙基、丙基、烯丙基、异丙基、丁基、仲丁基、异丁基、戊基、异戊基、己基、2—乙基丁基、2—甲基戊基中的任一种,R1和R2相同或不相同;阴离子为氯离子、C1~C6羧酸根中的任一种,其中C1~C6羧酸根选自甲酸根、乙酸根、丙酸根、丁酸根、己酸根、马来酸根、反丁烯二酸根、草酸根、乳酸根或丙酮酸根;
其中所用的置换液为水或混合水溶液,混合水溶液由水和二甲基亚砜、丙酮、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇或N,N-二甲基甲酰胺中的任一种按1:1的比例配制而成。
2、根据权利要求1所述的纤维素水凝胶的制备方法,其特征在于当置换液与离子液体进行初次置换,形成了有一定硬度的凝胶后,将其放置于超声波发生器中或于水中进行加热升温至80~100℃下再进行后续的置换,置换时间10~60分钟/次。
3、根据权利要求1或2所述的纤维素水凝胶的制备方法,其特征在于所用的纤维素为微晶纤维素或天然纤维素,其中天然纤维素选自木浆纤维、棉纤维和麻纤维中的任一种。
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功能化离子液体对纤维素的溶解性能研究. 罗慧谋等.高分子材料科学与工程,第21卷第2期. 2005 |
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
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CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
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