CN104005248A - 一种提高烷基化改性效率的植物纤维预处理方法及其烷基化改性方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高烷基化改性效率的植物纤维预处理方法及其烷基化改性方法，将植物纤维分散在水中制成植物纤维悬浮液；然后在磨浆机中精磨，将得到的植物纤维浆料经超声处理、无水乙醇浸透，再抽滤、打散、干燥，得到处理过的植物纤维。将得到的植物纤维进行烷基化改性，得到烷基化植物纤维，本发明机械加超声处理能够能破坏植物纤维细胞壁细纤维层之间的氢键结合，增加纤纤维表面游离羟基数量的方法，从而提高改性试剂的可及度，增加植物纤维素烷基化改性的效率，而且本发明能够在保留纤维自身强度的基础上提高其热塑性能。
Description
技术领域
本发明属于天然高分子技术领域，具体涉及一种提高烷基化改性效率的植物纤维预处理方法及其烷基化改性方法。
背景技术
天然植物纤维是自然界中最为丰富的可再生资源，具有生物可降解性和环境友好性的特点，其主要成分纤维素、半纤维素和木素大分子结构中含有能够参与化学反应的官能团，可以通过酯化、醚化等方法改变其热性能，从而制备出具有良好热塑性能的功能材料。
但是，天然植物纤维化学改性是改性试剂与纤维素大分子链上游离羟基的反应，纤维表面以及细胞壁内部游离羟基的数量以及改性药液渗透的深度会在很大程度上影响最终改性纤维的增重率和羟基的取代度。通常采用碱液浸泡的方法来提高纤维表面游离羟基的数量，但是该方法药品用量大、反应耗时长、改性效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高烷基化改性效率的植物纤维预处理方法及其烷基化改性方法，该方法既能最大限度保留纤维平均长度，又能增加植物纤维素烷基化改性的效率，在保持纤维自身强度的基础上提高其热塑性能。
为了达到上述目的，本发明提高烷基化改性效率的植物纤维预处理方法包括以下步骤：
1)将植物纤维分散在水中制成植物纤维悬浮液；然后将植物纤维悬浮液置于磨浆机中进行精磨处理直到植物纤维的保水值达到106.8％～228.3％，得到植物纤维浆料；
2)将植物纤维浆料经超声处理，然后用无水乙醇浸透，再抽滤以收集经过处理的植物纤维，最后将经过处理的植物纤维打散、干燥，得到处理过的植物纤维。
所述的步骤1)植物纤维悬浮液中植物纤维的绝干质量与水的质量比为(5～17)：100。
所述的步骤1)磨浆机采用PFI磨浆机，且磨浆间隙为0.3～0.7mm，磨浆总转数为500转～10000转。
所述的步骤2)超声处理前控制植物纤维浆料中植物纤维的绝干质量占植物纤维浆料总质量的1％～4％。
所述的步骤2)中超声的功率为400W，超声频率为20-100KHz，处理时间2～15min。
所述的步骤2)中乙醇浸透所需要的时间为5～20min。
所述的步骤2)中采用风干的方式进行干燥。
一种利用上述方法得到的植物纤维的烷基化改性方法，将植物纤维、1,4-二氧六环溶剂、十六烷基三甲基溴化铵、环氧氯丙烷、浓度为6mol/L的NaOH水溶液加入反应容器中，在70℃下反应6小时，将得到的物料冷却至室温并用水、丙酮交替充分洗涤至物料为中性，然后于60℃下真空干燥，即得到烷基化植物纤维；其中，每克植物纤维加入5mL的环氧氯丙烷，每克植物纤维中加入0.1g十六烷基三甲基溴化铵，环氧氯丙烷与NaOH水溶液的体积比为5:4。
每克植物纤维加入7.5mL的1,4-二氧六环溶剂。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明机械加超声处理能够能破坏植物纤维细胞壁细纤维层之间的氢键结合，增加纤维表面游离羟基数量的方法，从而提高改性试剂的可及度，增加植物纤维素烷基化改性的效率，而且本发明能够在保留纤维自身强度的基础上提高其热塑性能。利用本发明获得的植物纤维进行烷基化改性，可获得增重率为50.8％～89.4％、环氧值为5.98mmol/g～8.39mmol/g(盐酸—丙酮法测定)，玻璃化转移温度在185℃～132℃(差示量热扫描分析)的烷基化纤维。
另外，本发明采用的磨浆机机械处理以及超声处理无药剂污染，因此，本发明工艺环保。
进一步，本发明采用的PFI磨浆机对纤维能够使细胞壁中细纤维层产生位移和滑动，吸水润胀，表面分丝。而本发明磨浆时由于采用的浓度较常规浓度高，且一般磨浆间隙为0.2mm，而本发明的磨浆间隙在0.3-0.7mm，这样能减少切断增加纤维相互之间的摩擦，保留长度的基础上增加层与层之间的分离，因此，本发明能够最大限度保留纤维平均长度。
具体实施方式
实施例1：
1)将植物纤维分散在水中制成植物纤维悬浮液；植物纤维悬浮液中植物纤维的绝干质量与水的质量比为5：100；然后将植物纤维悬浮液置于PFI磨浆机中进行精磨处理直到植物纤维的保水值达到106.8％，得到植物纤维浆料；其中，PFI磨浆机的磨浆间隙为0.3mm，磨浆总转数为6000转；
2)将植物纤维浆料以400W的超声功率、50KHz的超声频率超声处理7min，然后用无水乙醇浸泡5min使浸透，再抽滤以收集经过处理的植物纤维，最后将经过处理的植物纤维打散、风干，得到处理过的植物纤维；其中，超声处理前控制植物纤维浆料中植物纤维的绝干质量占植物纤维浆料总质量的1％。
实施例2：
1)将植物纤维分散在水中制成植物纤维悬浮液；植物纤维悬浮液中植物纤维的绝干质量与水的质量比为10：100；然后将植物纤维悬浮液置于PFI磨浆机中进行精磨处理直到植物纤维的保水值达到150.2％，，得到植物纤维浆料；其中，PFI磨浆机的磨浆间隙为0.7mm，磨浆总转数为500转；
2)将植物纤维浆料以400W的超声功率、100KHz的超声频率超声处理2min，然后用无水乙醇浸泡12min使浸透，再抽滤以收集经过处理的植物纤维，最后将经过处理的植物纤维打散、风干，得到处理过的植物纤维；其中，超声处理前控制植物纤维浆料中植物纤维的绝干质量占植物纤维浆料总质量的3％。
实施例3：
1)将植物纤维分散在水中制成植物纤维悬浮液；植物纤维悬浮液中植物纤维的绝干质量与水的质量比为17：100；然后将植物纤维悬浮液置于PFI磨浆机中进行精磨处理直到植物纤维的保水值达到228.3％，得到植物纤维浆料；其中，PFI磨浆机的磨浆间隙为0.5mm，磨浆总转数为10000转；
2)将植物纤维浆料以20W的超声功率、100KHz的超声频率超声处理15min，然后用无水乙醇浸泡20min使浸透，再抽滤以收集经过处理的植物纤维，最后将经过处理的植物纤维打散、风干，得到处理过的植物纤维；其中，超声处理前控制植物纤维浆料中植物纤维的绝干质量占植物纤维浆料总质量的4％。
实施例4：
1)将植物纤维分散在水中制成植物纤维悬浮液；植物纤维悬浮液中植物纤维的绝干质量与水的质量比为15：100；然后将植物纤维悬浮液置于PFI磨浆机中进行精磨处理直到植物纤维的保水值达到200％，得到植物纤维浆料；其中，PFI磨浆机的磨浆间隙为0.4mm，磨浆总转数为8000转；精磨处理时控制打浆度为24°SR；
2)将植物纤维浆料以20W的超声功率、80KHz的超声频率超声处理10min，然后用无水乙醇浸泡8min使浸透，再抽滤以收集经过处理的植物纤维，最后将经过处理的植物纤维打散、风干，得到处理过的植物纤维；其中，超声处理前控制植物纤维浆料中植物纤维的绝干质量占植物纤维浆料总质量的2％。
上述实施例1～4中采用的植物纤维为针叶木纤维，但其他植物纤维也是可以适用的。
采用本发明实施例提供的方法处理过的纤维进行以下改性：
将处理过的针叶木纤维1g，1,4-二氧六环溶剂7.5mL，十六烷基三甲基溴化铵作催化剂0.1g、环氧氯丙烷改性剂5mL，4mL、6mol/L NaOH溶液于250mL三口烧瓶中，在反应温度为70℃的条件下反应6小时。反应结束后，将物料冷却并用水、丙酮交替充分洗涤至产物为中性，并于60℃下真空干燥，即可获得增重率为50.8％～89.4％、环氧值为5.98mmol/g～8.39mmol/g(盐酸—丙酮法测定)，玻璃化转移温度在185℃～132℃(差示量热扫描分析)的烷基化针叶木纤维。
由于最终得到的烷基化针叶木纤维的增重率为50.8％～89.4％、环氧值为5.98mmol/g～8.39mmol/g，因此，经过本发明能提高植物纤维烷基化改性的效率。
本发明采用机械和超声波处理相结合的方式，在保留原纤维平均长度的基础上，破坏细胞壁中细纤维之间的氢键结合，并松动纤维细胞壁，分离出纤维细胞壁中的细纤维，破坏纤维素结晶区结构，使纤维细胞壁层与层之间发生分离，纤维表面暴露出更多的游离羟基，从而提高改性试剂的可及度，在保留纤维自身强度的基础上增加植物纤维素烷基化改性的效率。
Claims (9)
1.一种提高烷基化改性效率的植物纤维预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将植物纤维分散在水中制成植物纤维悬浮液；然后将植物纤维悬浮液置于磨浆机中进行精磨处理直到植物纤维的保水值达到106.8％～228.3％，得到植物纤维浆料；
2)将植物纤维浆料经超声处理，然后用无水乙醇浸透，再抽滤以收集经过处理的植物纤维，最后将经过处理的植物纤维打散、干燥，得到处理过的植物纤维。
2.根据权利要求1所述的提高烷基化改性效率的植物纤维预处理方法，其特征在于：所述的步骤1)植物纤维悬浮液中植物纤维的绝干质量与水的质量比为(5～17)：100。
3.根据权利要求1所述的提高烷基化改性效率的植物纤维预处理方法，其特征在于：所述的步骤1)磨浆机采用PFI磨浆机，且磨浆间隙为0.3～0.7mm，磨浆总转数为500转～10000转。
4.根据权利要求1或3所述的提高烷基化改性效率的植物纤维预处理方法，其特征在于：所述的步骤2)超声处理前控制植物纤维浆料中植物纤维的绝干质量占植物纤维浆料总质量的1％～4％。
5.根据权利要求1所述的提高烷基化改性效率的植物纤维预处理方法，其特征在于：所述的步骤2)中超声的功率为400W，超声频率为20-100KHz，处理时间2～15min。
6.根据权利要求1所述的提高烷基化改性效率的植物纤维预处理方法，其特征在于：所述的步骤2)中乙醇浸透所需要的时间为5～20min。
7.根据权利要求1所述的提高烷基化改性效率的植物纤维预处理方法，其特征在于：所述的步骤2)中采用风干的方式进行干燥。
8.一种利用权利要求1所述的方法得到的植物纤维的烷基化改性方法，其特征在于：
将植物纤维、1,4-二氧六环溶剂、十六烷基三甲基溴化铵、环氧氯丙烷、浓度为6mol/L的NaOH水溶液加入反应容器中，在70℃下反应6小时，将得到的物料冷却至室温并用水、丙酮交替充分洗涤至物料为中性，然后于60℃下真空干燥，即得到烷基化植物纤维；其中，每克植物纤维加入5mL的环氧氯丙烷，每克植物纤维中加入0.1g十六烷基三甲基溴化铵，环氧氯丙烷与NaOH水溶液的体积比为5:4。
9.根据权利要求9所述的植物纤维的烷基化改性方法，其特征在于：
每克植物纤维加入7.5mL的1,4-二氧六环溶剂。
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