CN101412815A

CN101412815A - 一种新的纤维素溶液及其制备方法

Info

Publication number: CN101412815A
Application number: CNA2008100380240A
Authority: CN
Inventors: 俞建勇; 张帅; 李发学; 袁彬兰
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2009-04-22

Abstract

本发明属于材料领域，它提供了一种新的纤维素溶液及其制备方法，其溶液由纤维素、氢氧化钠、硫脲、尿素和水构成，溶液所含物质的最终重量百分比为：纤维素2～12％、氢氧化钠5～10％、硫脲0～8％，尿素0～15％，余量为水。通过本发明制备的纤维素溶液，溶解过程中对温度以及设备条件的要求相对宽松，在室温下短时间内即可以达到纤维素的完全溶解，本发明适用于溶解各种纤维素，对高分子量的纤维素也有较好的溶解能力，并可用于制备固含量更高的纤维素溶液，所制备的溶液过滤性能更好，因此具有更广泛的应用前景。

Description

一种新的纤维素溶液及其制备方法

技术领域

本发明属于材料领域，它涉及一种新的纤维素溶液及其制备方法。

背景技术

纤维素是自然界中最丰富的可再生聚合物，具有很好的生物相容性，生物降解性等许多优良的性能，可以用来制备多种功能纤维素产品，还可以通过衍生化反应制备各种纤维素衍生物，能够部分代替石油资源，具有广泛的应用前景。纤维素分子结构中含有大量的羟基，容易形成复杂的分子内以及分子间的氢键，使其难于溶于普通的溶剂中，难以进行熔融加工，限制了纤维素的进一步应用。

传统制备纤维素纤维和薄膜的方法主要为粘胶法和铜氨法，然而这两种方法都存在环境污染严重的问题。近三十年来，人们已经发现有很多溶剂可以制备纤维素溶液，如N₂O₄/DMF(四氧化二氮/二甲基甲酰胺)，N₂O₄/DMSO(四氧化二氮/二甲亚砜)，(CH₂O)_x/DMSO(多聚甲醛/二甲亚砜)，H₃PO₄(浓磷酸)，Ca(SCN)₂(硫氰酸钙)水溶液或Li(SCN)₂(硫氰酸锂)水溶液，NH₃/NH₄Cl(液氨/氯化铵)等，但这些溶剂仍然存在着各种各样的缺点，如溶剂毒性大、容易挥发、价格高、有副产物、纤维素易降解以及对设备要求高等问题。目前，比较成功的新溶剂是NMMO(N—甲基马啉—N—氧化物)和NaOH水溶液(氢氧化钠)。NMMO是目前最强的纤维素溶剂，但由于溶剂昂贵，并非完全无毒，回收还存在一定问题，而且纺丝温度高，容易爆炸，影响了其它工业化生产。

氢氧化钠水溶液是溶解纤维素最便宜的溶剂，但是只能溶解经过蒸汽闪爆处理过且聚合度低于250的木桨纤维素，而不能溶解棉浆粕。采用专利号为200510027217.2发明名称为“一种溶解纤维素的溶剂及其制备方法和用途”的专利中所述的方法即用氢氧化钠/硫脲/尿素/水作为溶剂溶解纤维素，这种物理溶解的方法制备的纤维素保持着天然纤维素的化学结构，并具有较规整的空间结构，其结晶度接近天然纤维素，远高于使用化学方法制备的纤维素，但其溶解能力有限，而且溶解过程需要在—8℃以下的低温状态下进行，能耗大，操作难度大以及对设备的要求都较高，因此对工业实际应用来说是不小的缺陷。

发明内容

本发明提供一种新的纤维素溶液及其制备方法，它克服了现有技术溶解能力有限、能耗大、操作难度大以及对设备的要求高等缺点，可以在室温下以及短时间内制备现有专利无法制备的高浓度纤维素溶液，易于工业化。

本发明解决技术问题的技术方案如下：

一种新的纤维素溶液，其特征是由纤维素、氢氧化钠、硫脲、尿素和水构成，溶液所含物质的最终重量百分比为：

纤维素 2～12％

氢氧化钠 7～10％

硫脲 0～8％

尿素 0～15％

水余量。

所述的一种新的纤维素溶液的制备方法，其特征是采用如下步骤实现的：

步骤(1)先将储存在容器中含有重量百分比为14～20％的氢氧化钠和重量百分比为80～86％的水的混合溶液放在冰箱中预冷至0～10℃时取出；

步骤(2)在上述混合溶液中加入重量百分比为4～24％纤维素并均匀搅拌3～5分钟以生成碱纤维素溶液；

步骤(3)在碱纤维素溶液中加入已预冷至0～10℃的重量百分比分别为0～16％和0～30％的硫脲和尿素的水溶液，均匀搅拌3～5分钟即可制得透明的纤维素溶液。与现有技术相比，本发明的优点如下：

1.本发明采用氢氧化钠首先预处理纤维素生成碱纤维素，再加入硫脲与尿素水溶液从而达到迅速制备纤维素溶液的目的。预处理生成碱纤维素实验条件简单，生成的碱纤维素进一步溶解在硫脲与尿素水溶液中对温度以及设备条件的要求都相对宽松，在室温下既可以达到纤维素的完全溶解，且溶解总时间在10分钟以内，明显降低了能耗；

2.最终的溶液中氢氧化钠和硫脲以及尿素的浓度范围较宽，溶液中所含物质的最终重量百分比为：纤维素2～12％，氢氧化钠7～10％，硫脲0～8％，尿素0～15％，其余为水；

3.对各种天然纤维素如脱脂棉、棉短绒浆、草浆纤维素、甘蔗渣浆、木桨和蒸汽闪爆处理的纤维素浆以及再生纤维素如粘胶的溶解度都达到100％，并可以溶解较高分子量的纤维素(可溶解聚合度为1400的脱脂棉)，且可制备固含量更高的纤维素溶液；

4.制得溶液的性能更加优良。利用该溶剂制得的纤维素溶液粘度小，过滤性能更好，可纺性好。

具体实施方式

以下结合具体实施例对该发明做进一步的说明，但实施例仅用于说明，并不限制本发明的范围。

实施例1

步骤(1)先将96克储存在容器中含有重量百分比为18％的氢氧化钠和重量百分比为82％的水的混合溶液放在冰箱中预冷至0℃时取出；

步骤(2)在上述混合溶液中加入重量百分比为4％的聚合度为1400的棉浆粕4克并均匀搅拌5分钟以生成碱纤维素溶液；

步骤(3)在碱纤维素溶液中加入100克已预冷至0℃的重量百分比分别为16％和8％的硫脲和尿素的水溶液，均匀搅拌5分钟即可制得透明的纤维素溶液。

制备纤维素溶液的总时间为10分钟，制得的纤维素溶液中所含物质的最终重量百分比为：纤维素2％，氢氧化钠9％，硫脲8％，尿素4％，其余为水。而按照专利号为200510027217.2的方法不能制备得到完全澄清的相同浓度的纤维素溶液。

实施例2

步骤(1)先将90克储存在容器中含有重量百分比为20％的氢氧化钠和重量百分比为80％的水的混合溶液放在冰箱中预冷至2℃时取出；

步骤(2)在上述混合溶液中加入重量百分比为10％的聚合度为400的棉浆粕10克并均匀搅拌3分钟以生成碱纤维素溶液；

步骤(3)在碱纤维素溶液中加入100克已预冷至10℃的重量百分比分别为10％和20％的硫脲和尿素的水溶液，均匀搅拌5分钟即可制得透明的纤维素溶液。

制备纤维素溶液的总时间为8分钟，制得的纤维素溶液中所含物质的最终重量百分比为：纤维素5％，氢氧化钠10％，硫脲5％，尿素10％，其余为水。而按照专利号为200510027217.2的方法制备相同浓度的纤维素溶液需要15分钟，另外所用溶剂至少需要冷却到—2℃，且新方法制备的纤维素溶液过滤性能更好。

实施例3

步骤(1)先将90克储存在容器中含有重量百分比为16％的氢氧化钠和重量百分比为84％的水的混合溶液放在冰箱中预冷至5℃时取出；

步骤(2)在上述混合溶液中加入重量百分比为10％的聚合度为250的粘胶纤维10克并均匀搅拌3分钟以生成碱纤维素溶液；

步骤(3)在碱纤维素溶液中加入100克已预冷至3℃的重量百分比分别为0％和0％的硫脲和尿素的水溶液，均匀搅拌3分钟即可制得透明的纤维素溶液。

制备纤维素溶液的总时间为8分钟，制得的纤维素溶液中所含物质的最终重量百分比为：纤维素5％，氢氧化钠8％，硫脲0％，尿素0％，其余为水。而按照专利号为200510027217.2的方法制备相同浓度的纤维素溶液需要10分钟，另外所用溶剂至少需要冷却到0℃，且新方法制备的纤维素溶液过滤性能更好。

实施例4

步骤(1)先将76克储存在容器中含有重量百分比为15％的氢氧化钠和重量百分比为85％的水的混合溶液放在冰箱中预冷至5℃时取出；

步骤(2)在上述混合溶液中加入重量百分比为24％的聚合度为300的粘胶纤维24克并均匀搅拌3分钟以生成碱纤维素溶液；

步骤(3)在碱纤维素溶液中加入100克已预冷至5℃的重量百分比分别为10％和14％的硫脲和尿素的水溶液，均匀搅拌3分钟即可制得透明的纤维素溶液。

制备纤维素溶液的总时间为8分钟，制得的纤维素溶液中所含物质的最终重量百分比为：纤维素12％，氢氧化钠7.5％，硫脲5％，尿素7％，其余为水。而按照专利号为200510027217.2的方法制备相同浓度的纤维素溶液需要15分钟，另外所用溶剂至少需要冷却到0℃，且新方法制备的纤维素溶液过滤性能更好。

实施例5

步骤(1)先将88克储存在容器中含有重量百分比为14％的氢氧化钠和重量百分比为86％的水的混合溶液放在冰箱中预冷至2℃时取出；

步骤(2)在上述混合溶液中加入重量百分比为12％的聚合度为600的木桨粕12克并均匀搅拌3分钟以生成碱纤维素溶液；

步骤(3)在碱纤维素溶液中加入100克已预冷至0℃的重量百分比分别为12％和16％的硫脲和尿素的水溶液，均匀搅拌5分钟即可制得透明的纤维素溶液。

制备纤维素溶液的总时间为8分钟，制得的纤维素溶液中所含物质的最终重量百分比为：纤维素6％，氢氧化钠7％，硫脲6％，尿素6％，其余为水。而按照专利号为200510027217.2的方法制备相同浓度的纤维素溶液需要20分钟，另外所用溶剂至少需要冷却到—8℃，且新方法制备的纤维素溶液过滤性能更好。

实施例6

步骤(1)先将86克储存在容器中含有重量百分比为16％的氢氧化钠和重量百分比为84％的水的混合溶液放在冰箱中预冷至10℃时取出；

步骤(2)在上述混合溶液中加入重量百分比为14％的聚合度为520的棉浆粕14克并均匀搅拌5分钟以生成碱纤维素溶液；

步骤(3)在碱纤维素溶液中加入100克已预冷至0℃的重量百分比分别为13％和16％的硫脲和尿素的水溶液，均匀搅拌5分钟即可制得透明的纤维素溶液。

制备纤维素溶液的总时间为10分钟，制得的纤维素溶液中所含物质的最终重量百分比为：纤维素7％，氢氧化钠8％，硫脲6.5％，尿素8％，其余为水。而按照专利号为200510027217.2的方法无法制备得到完全澄清的相同浓度的纤维素溶液。

实施例7

步骤(1)先将90克储存在容器中含有重量百分比为20％的氢氧化钠和重量百分比为80％的水的混合溶液放在冰箱中预冷至3℃时取出；

步骤(2)在上述混合溶液中加入重量百分比为10％的聚合度为600的棉浆粕10克并均匀搅拌5分钟以生成碱纤维素溶液；

步骤(3)在碱纤维素溶液中加入100克已预冷至0℃的重量百分比分别为6％和30％的硫脲和尿素的水溶液，均匀搅拌5分钟即可制得透明的纤维素溶液。

制备纤维素溶液的总时间为10分钟，制得的纤维素溶液中所含物质的最终重量百分比为：纤维素5％，氢氧化钠10％，硫脲3％，尿素15％，其余为水。而按照专利号为200510027217.2的方法无法制备得到完全澄清的相同浓度的纤维素溶液。

为进一步说明本发明的创造性，将上述溶解所得的5种溶液在一个大气压下用400目的筛网过滤，过滤速度快，无胶团状固体不溶物滤出。

由上述实验可以得出：上述的一种新的纤维素溶液及其制备方法用于对纤维素进行溶解时，溶解纤维素的温度以及其它条件都相对宽松，在室温下短时间内即可以达到纤维素的完全溶解，并可以溶解较高分子量的纤维素和制备固含量较高的纤维素溶液，而且制备的纤维素过滤更容易。

Claims

1.一种新的纤维素溶液，其特征是由纤维素、氢氧化钠、硫脲、尿素和水构成，溶液所含物质的最终重量百分比为：

纤维素 2～12％

氢氧化钠 7～10％

硫脲 0～8％

尿素 0～15％

水余量。

2.如权利要求1所述的一种新的纤维素溶液的制备方法，其特征是采用如下步骤实现的：

步骤(1) 先将储存在容器中含有重量百分比为14～20％的氢氧化钠和重量百分比为80～86％的水的混合溶液放在冰箱中预冷至0～10℃时取出；

步骤(2) 在上述混合溶液中加入重量百分比为4～24％的纤维素并均匀搅拌3～5分钟以生成碱纤维素溶液；

步骤(3) 在碱纤维素溶液中加入已预冷至0～10℃的重量百分比分别为0～16％和0～30％的硫脲和尿素的水溶液，均匀搅拌3～5分钟即可制得透明的纤维素溶液。