CN102127241B

CN102127241B - 一种以草本植物为原料制备植物纤维素膜的方法

Info

Publication number: CN102127241B
Application number: CN2011100345183A
Authority: CN
Inventors: 李文江; 代琛; 谢飞
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2011-02-01
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2031-02-01
Also published as: CN102127241A

Abstract

本发明公开了一种以草本植物为原料制备植物纤维素膜的方法，包括步骤：(1)以草本植物为原料，经提取，得到植物纤维素；(2)将上述植物纤维素、抗氧化剂和溶剂N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液混合均匀，制得植物纤维素溶液；(3)将上述植物纤维素溶液经喷膜或刮制成膜，经后处理得到植物纤维素膜。该方法工艺简单，绿色无污染，制得的植物纤维素膜具有良好的机械性能和生物可降解性。

Description

一种以草本植物为原料制备植物纤维素膜的方法

技术领域

本发明涉及纤维素膜的制备领域，具体涉及一种以草本植物为原料制备植物纤维素膜的方法。

背景技术

植物纤维素是地球上最丰富的可再生有机资源，我国仅稻草、麦草、蔗渣、芦苇、竹子等非木材纤维年产量就超过10亿吨，是取之不尽的天然高分子化工原料和能源。植物纤维素材料无毒，而且抗水性强，因此可以以粉状、片状、膜以及长短丝等不同形式出现。如能充分利用自然界中的植物纤维素，不仅有利于保护环境，而且可以缓解目前由于日益减少的油气资源所带来的能源压力。

纤维素的分子间及分子内具有极强的氢键作用，使得纤维素难以被常规溶剂所直接溶解，传统的纤维素膜的制备方法是粘胶法和铜氨法，产品分别为玻璃纸和铜络玢，而且已有广泛的应用。但是粘胶法过程中会放出CS₂和H₂S等有毒物质，严重污染环境；铜氨法中铜和氨回收困难，加之污染严重，使传统方法的进一步发展均受到了严重的制约。

近年来，人们致力于研究适用于纤维素溶解的新型溶剂体系，并且取得了一定的成果，例如NH₃/NH₄SCN体系、LiCl/DMAc(即二甲基乙酰胺)体系、NMMO(即N-甲基吗啉-N-氧化物)/H₂O体系等。目前，NMMO/H₂O体系是最被重视的有机溶剂体系，以该体系为溶剂生产的Lyocell纤维已实现了工业化。研究表明，纤维素的NMMO纺丝溶液不仅可以纺织纤维，还可制成可生物降解的绿色薄膜。因此，有必要开发绿色环保且工艺简单的可生物降解的绿色薄膜的制备方法。

发明内容

本发明提供了一种以草本植物为原料制备植物纤维素膜的方法，该方法工艺简单，绿色无污染，制得的植物纤维素膜具有良好的机械性能和生物可降解性。

一种以草本植物为原料制备植物纤维素膜的方法，包括步骤：

(1)以草本植物为原料，经碱法提取，得到植物纤维素；

(2)将上述植物纤维素、抗氧化剂和水的质量百分含量为10％-15％的N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液混合均匀，制得植物纤维素溶液；

(3)将上述植物纤维素溶液制成膜，经后处理得到植物纤维素膜。

作为优选：

步骤(1)中，所述的草本植物选自稻草、麦草、芦苇、咸水草、三角黄草、甘蔗渣中的一种或多种。

所述的植物纤维素的制备方法采用本领域通用的现有技术，如碱法提取。碱法提取的步骤包括：将草本植物经过干燥→碾压→碱液煮练→脱水→碳酸钠溶液浸渍→脱水→稀酸处理洗涤→脱水→碳酸钠溶液浸渍→脱水→稀酸处理洗涤→水洗→脱水→干燥，制得植物纤维素。

步骤(2)中，所述的抗氧化剂选自没食子酸丙酯、2，6-二叔丁基对甲酚中的一种或两种。

步骤(2)中，可预先将N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液于80℃-100℃抽真空，真空度为-0.1MPa至-0.07MPa，直至N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液中水的质量百分含量为10-15％。

为了达到更好的发明效果，步骤(2)中，预先在N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液中加入抗氧化剂，混合均匀后再添加植物纤维素，溶胀2小时-3小时，于80℃-100℃抽真空，真空度为-0.1MPa至-0.07MPa，直至植物纤维素完全溶解，得到植物纤维素溶液。

步骤(2)中，所述的植物纤维素溶液中植物纤维素的质量百分浓度优选为5％-15％。浓度过低纤维素溶液太稀薄，所得膜的机械强度小，浓度太高则纤维素溶液的流动性差，成膜困难，故优选该浓度范围。

步骤(3)中，所述的成膜的方式可采用现有技术，如经喷膜或刮膜技术。

所述的后处理包括：将膜用去离子水凝固浴凝固，取出膜水洗后再用甘油水溶液塑化处理并干燥。

所述的甘油水溶液的体积百分浓度优选为25％-35％。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明以非木浆类的草本植物为原料，例如稻草、麦草、芦苇、咸水草、甘蔗渣等，操作方便，原料廉价易得，不仅避免了废弃资源的浪费和环境的污染，而且这与我国属于非森林大国、草本植物纤维素丰富的国情相符，有很大的发展空间。

本发明以NMMO/H₂O体系作溶剂，该溶剂对环境生物几乎无毒性，而且回收利用率极高，可达99.5％-99.7％。此外本发明方法操作过程简单，且生产过程是物理过程，避免了污染问题，是一种绿色的生产方法。

具体实施方式

以下结合具体的实例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

取经干燥、碾压和粉碎预处理的草本植物原料稻草、麦草、芦苇或咸水草适量，将其置于浓度为10g/L的氢氧化钠水溶液中浸泡8h，草本植物原料与氢氧化钠水溶液的浴比(重量比)控制在1∶18，加热至沸腾2h。然后水洗不溶物至无色，再用质量分数为5％的稀盐酸和质量分数为4％的稀碳酸钠水溶液反复洗涤，直至不溶物的pH值为7±0.2，然后干燥不溶物，即得草本植物纤维素：稻草纤维素、麦草纤维素、芦苇纤维素或咸水草纤维素。

取市售的NMMO水溶液100ml，在真空度为-0.1MPa，温度为90℃条件下浓缩至水份的质量百分含量为13.5％的NMMO水溶液，加入适量制得的草本植物纤维素：稻草纤维素、麦草纤维素、芦苇纤维素或咸水草纤维素，以及草本植物纤维素干重量0.1％的添加剂没食子酸丙酯，搅拌使其混合均匀。然后溶胀2小时，再次在温度为95℃条件下抽真空，真空度为-0.1MPa，直至得到透明、均匀的草本植物纤维素溶液，草本植物纤维素溶液中草本植物纤维素的质量百分浓度均为5％。

通过两种方法制备纤维素膜：

方法(1)：将得到的各种草本植物纤维素溶液分别加入到吹起喷膜机中，经环形模头喷出，通过喷气将纤维素膜吹涨至原来的3倍后，浸入去离子水凝固浴中，洗去残留的NMMO，再经体积百分浓度为25％的甘油水溶液塑化处理，干燥后分别得到稻草纤维素膜、麦草纤维素膜、芦苇纤维素膜或咸水草纤维素膜。

方法(2)：将得到的各种草本植物纤维素溶液分别放入刮膜机中刮制成膜，将膜浸入去离子水凝固浴中，洗去残留的NMMO，再经体积百分浓度为25％甘油水溶液塑化处理，最后将膜自然干燥，即分别得到再生稻草纤维素膜、再生麦草纤维素膜、再生芦苇纤维素膜或再生咸水草纤维素膜。

实施例2

取经干燥、碾压和粉碎预处理的甘蔗渣适量，将其置于浓度为18g/L的氢氧化钠水溶液中浸泡8h，甘蔗渣与氢氧化钠水溶液的浴比控制在1∶25，加热至沸腾3h。然后水洗不溶物至无色，再用质量分数为5％的稀盐酸和质量分数为4％的稀碳酸钠水溶液反复洗涤，直至不溶物的pH值为7±0.2，然后干燥，即得甘蔗渣纤维素。

取市售的NMMO水溶液100ml，在真空度为-0.08MPa，温度为100℃条件下浓缩至水份的质量百分含量为15％的NMMO水溶液，加入制得的甘蔗渣纤维素适量和甘蔗渣纤维素干重量0.1％的添加剂没食子酸丙酯，搅拌使其混合均匀。然后溶胀3小时，再次在温度为95℃条件下抽真空，真空度为-0.1MPa，直至得到透明、均匀的甘蔗渣纤维素溶液，甘蔗渣纤维素溶液中甘蔗渣纤维素的质量百分浓度为15％。

通过两种方法制备甘蔗渣纤维素膜：

方法(1)：将得到的甘蔗渣纤维素溶液加入到吹起喷膜机中，经环形模头喷出，通过喷气将纤维素膜吹涨至原来的10倍后，浸入去离子水凝固浴中，洗去残留的NMMO，再经体积百分浓度为25％甘油水溶液塑化处理，干燥后得到甘蔗渣纤维素膜。

方法(2)：将得到的甘蔗渣纤维素溶液放入刮膜机中刮制成膜，将膜浸入去离子水凝固浴中，洗去残留的NMMO，再经体积百分浓度为30％甘油水溶液塑化处理，最后将膜自然干燥后，即得到再生纤维素膜。

实施例3

取经干燥、碾压和粉碎预处理的稻草200g，将其置于浓度为15g/L的氢氧化钠水溶液中浸泡8h，稻草与氢氧化钠水溶液的浴比控制在1∶22，加热至沸腾2.5h。然后水洗不溶物至无色，再用质量分数为5％的稀盐酸和质量分数为4％的稀碳酸钠水溶液反复洗涤，直至不溶物的pH值为7±0.2，然后干燥，即得稻草纤维素。

取市售的NMMO水溶液100ml，在真空度为-0.08MPa，温度为95℃条件下浓缩至水份的质量百分含量为13.3％的NMMO水溶液，加入制得的稻草纤维素7.5克和稻草纤维素干重量0.1％的添加剂没食子酸丙酯，搅拌使其混合均匀。然后，溶胀2.5小时，再次在温度为95℃条件下抽真空，真空度为-0.1MPa，直至得到透明、均匀的稻草纤维素溶液，稻草纤维素溶液中稻草纤维素的质量百分浓度为10％。

将得到的稻草纤维素溶液放入刮膜机中刮制成膜，将膜浸入去离子水凝固浴中，洗去残留的NMMO，再经体积百分浓度为30％甘油水溶液塑化处理，最后将膜自然干燥后，即得到再生纤维素膜。

Claims

1.一种以草本植物为原料制备植物纤维素膜的方法，包括步骤：

(1)以草本植物为原料，经提取，得到植物纤维素；

所述的草本植物为稻草、麦草、芦苇、咸水草、甘蔗渣中的一种或多种；

所述的提取为碱法提取，包括：将草本植物经过干燥→碾压→碱液煮练→脱水→碳酸钠溶液浸渍→脱水→稀酸处理洗涤→脱水→碳酸钠溶液浸渍→脱水→稀酸处理洗涤→水洗→脱水→干燥，制得植物纤维素；

(2)将步骤(1)中的植物纤维素、抗氧化剂和水的质量百分含量为10％-15％的N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液混合均匀，制得植物纤维素溶液；

所述的抗氧化剂为没食子酸丙酯、2，6-二叔丁基对甲酚中的一种或两种；

(3)将步骤(2)中的植物纤维素溶液制成膜，经后处理得到植物纤维素膜。

2.根据权利要求1所述的以草本植物为原料制备植物纤维素膜的方法，其特征在于，步骤(2)中，预先将N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液于80℃-100℃抽真空，真空度为-0.1MPa至-0.07MPa，直至N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液中水的质量百分含量为10％-15％。

3.根据权利要求1所述的以草本植物为原料制备植物纤维素膜的方法，其特征在于，步骤(2)中，预先在N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液中加入抗氧化剂，混合均匀后再添加植物纤维素，溶胀2小时-3小时，于80℃-100℃抽真空，真空度为-0.1MPa至-0.07MPa，直至植物纤维素完全溶解，得到植物纤维素溶液。

4.根据权利要求1或3所述的以草本植物为原料制备植物纤维素膜的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的植物纤维素溶液中植物纤维素的质量百分浓度为5％-15％。

5.根据权利要求1所述的以草本植物为原料制备植物纤维素膜的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的后处理包括：将膜用去离子水凝固浴凝固，取出膜水洗后再用甘油水溶液塑化处理并干燥。

6.根据权利要求5所述的以草本植物为原料制备植物纤维素膜的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的甘油水溶液的体积百分浓度为25％-35％。