CN104910281B - 一种含酯基季铵盐改性纳米纤维素及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于纤维素有机改性领域，具体涉及一种含酯基季铵盐改性纳米纤维素及其制备方法和应用。所述含酯基季铵盐改性纳米纤维素通过如下方法制备得到：向纳米纤维素水分散液中加入含酯基季铵盐表面活性剂，充分反应后，得到白色悬浮液；将白色悬浮液进行超声处理，然后离心去除上层清液，取白色固体沉淀，经真空冷冻干燥、研磨后得到含酯基季铵盐改性纳米纤维素。本发明采用含酯基季铵盐表面活性剂对纳米纤维素进行改性，该阳离子活性剂高效无毒，合成方法简单，正电荷密度高，同时易于降解，其酯基能有效地与纤维素表面羟基作用，能有效改善纳米纤维素与多种极性疏水性聚合物(如聚乳酸)的相容性。
Description
技术领域
本发明属于纤维素有机改性领域，具体涉及一种含酯基季铵盐改性纳米纤维素及其制备方法和应用。
背景技术
纤维素是世界上最丰富的天然有机物之一，纳米纤维素及其衍生物在纺织、轻工、化工、国防、石油、医药、能源、生物技术和环境保护等领域应用十分广泛。但是由于天然纤维素的聚集态结构特点及其分子间和分子内存在着较多羟基和较高的结晶度，不能在水和一般有机、无机溶剂中溶解，也缺乏热可塑性，并且耐化学腐蚀性、强度都比较差，这对其成型、加工和应用都极为不利，致使其应用受到许多限制。例如，在纤维素对聚乳酸的改性应用中，存在纤维素与聚乳酸的相容性不佳且力学性能较差等问题。
目前已有报道采用小分子和高分子季铵盐阳离子协同改性纳米纤维素，但是该方法技术较为复杂，改性剂不易降解，且仅应用于纺织染色领域。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种含酯基季铵盐改性纳米纤维素及其制备方法和应用。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
一种含酯基季铵盐改性纳米纤维素的制备方法，包括如下步骤：
(1)将纳米纤维素粉末溶于去离子水中，经超声处理并充分搅拌后，得到分散均匀的纳米纤维素水分散液；
(2)向纳米纤维素水分散液中加入含酯基季铵盐表面活性剂，充分反应后，得到白色悬浮液；将白色悬浮液进行超声处理，然后离心去除上层清液，得到白色固体沉淀；
(3)将白色固体沉淀用去离子水洗涤，再经真空冷冻干燥后得到含酯基季铵盐改性纳米纤维素。
上述方案中，所述含酯基季铵盐表面活性剂的分子结构式如下：
其中，R为C12～C16的烷基。
上述方案中，所述纳米纤维素粉末和含酯基季铵盐表面活性剂的质量比为4:1～3:1。
上述方案中，所述纳米纤维素水分散液的固液比为2g～5g：100ml。
上述方案中，步骤(2)所述充分反应为：升温至30-40℃，边搅拌边反应2-4h。
上述方案中，步骤(2)所述超声处理的超声功率为100W，超声时间为15～30min。
上述制备方法制备得到的含酯基季铵盐改性纳米纤维素。
上述含酯基季铵盐改性纳米纤维素在纤维素改性聚乳酸中的应用。
本发明的有益效果如下：本发明采用含酯基季铵盐表面活性剂对纳米纤维素进行改性，该阳离子表面活性剂高效无毒，合成方法简单，正电荷密度高，同时易于降解，其酯基能有效地与纤维素表面羟基作用，能有效改善纳米纤维素与多种极性疏水性聚合物(如聚乳酸)的相容性；本发明制备方法简单，易于操作，制备得到的含酯基季铵盐改性纳米纤维素无毒性，兼具有机相容性和可降解性，将其应用于纤维素改性聚乳酸薄膜，获得的薄膜具有无毒、易降解和拉伸性能良好的优点。
附图说明
图1为使用相同质量分数的未改性纳米纤维素和本发明实施例所制备的含酯基季铵盐改性纳米纤维素分别制备的改性聚乳酸薄膜样品图。
图2为使用相同质量分数的未改性纳米纤维素和本发明实施例所制备的含酯基季铵盐改性纳米纤维素分别制备的改性聚乳酸薄膜的拉伸性能曲线。
其中A为使用未改性纳米纤维素，B为使用含酯基季铵盐改性纳米纤维素。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种含酯基季铵盐改性纳米纤维素，通过如下方法制备得到：
(1)将2g纳米纤维素粉末溶于100ml去离子水中，超声处理15min，充分搅拌后得到分散均匀的纳米纤维素水分散液；
(2)向纳米纤维素水分散液中加入0.5g含酯基季铵盐表面活性剂，升温至30℃，充分搅拌，反应2h，得到白色悬浮液；将白色悬浮液超声处理15min，然后在10000r/min转速下离心，去除上层清液，得到白色固体沉淀；
(3)将白色固体沉淀用去离子水洗涤2次，真空冷冻干燥24h后，将得到的白色固体研磨，得到粉末状固体即含酯基季铵盐改性纳米纤维素。
本实施例中，所述含酯基季铵盐表面活性剂为C16双酯基季铵盐表面活性剂，其分子结构式如下：
其中，R为C12的烷基。
实施例2
一种含酯基季铵盐改性纳米纤维素，通过如下方法制备得到：
(1)将3g纳米纤维素粉末溶于100ml去离子水中，超声处理15min，充分搅拌后得到分散均匀的纳米纤维素水分散液；
(2)向纳米纤维素水分散液中加入0.75g含酯基季铵盐表面活性剂，升温至30℃，充分搅拌，反应2h，得到白色悬浮液；将白色悬浮液超声处理20min，然后在10000r/min转速下离心，去除上层清液，得到白色固体沉淀；
(3)将白色固体沉淀用去离子水洗涤2次，真空冷冻干燥24h后，将得到的白色固体研磨，得到粉末状固体即含酯基季铵盐改性纳米纤维素。
本实施例中，所述含酯基季铵盐表面活性剂为C16双酯基季铵盐表面活性剂，其分子结构式如下：
其中，R为C14的烷基。
实施例3
一种含酯基季铵盐改性纳米纤维素，通过如下方法制备得到：
(1)将4g纳米纤维素粉末溶于100ml去离子水中，超声处理15min，充分搅拌后得到分散均匀的纳米纤维素水分散液；
(2)向纳米纤维素水分散液中加入1.3g含酯基季铵盐表面活性剂，升温至35℃，充分搅拌，反应3h，得到白色悬浮液；将白色悬浮液超声处理25min，然后在11000r/min转速下离心，去除上层清液，得到白色固体沉淀；
(3)将白色固体沉淀用去离子水洗涤2次，真空冷冻干燥24h后，将得到的白色固体研磨，得到粉末状固体即含酯基季铵盐改性纳米纤维素。
本实施例中，所述含酯基季铵盐表面活性剂为C16双酯基季铵盐表面活性剂，其分子结构式如下：
其中，R为C14的烷基。
实施例4
一种含酯基季铵盐改性纳米纤维素，通过如下方法制备得到：
(1)将5g纳米纤维素粉末溶于100ml去离子水中，超声处理15min，充分搅拌后得到分散均匀的纳米纤维素水分散液；
(2)向纳米纤维素水分散液中加入1.67g含酯基季铵盐表面活性剂，升温至40℃，充分搅拌，反应4h，得到白色悬浮液；将白色悬浮液超声处理30min，然后在12000r/min转速下离心，去除上层清液，得到白色固体沉淀；
(3)将白色固体沉淀用去离子水洗涤3次，真空冷冻干燥24h后，将得到的白色固体研磨，得到粉末状固体即含酯基季铵盐改性纳米纤维素。
本实施例中，所述含酯基季铵盐表面活性剂为C16双酯基季铵盐表面活性剂，其分子结构式如下：
其中，R为C16的烷基。
将实施例1～4制备得到的含酯基季铵盐改性纳米纤维素应用于纤维素改性聚乳酸薄膜的制备，同时使用未改性的纳米纤维素作为对照，具体的操作步骤为：(1)分别取相同质量分数的未改性纳米纤维素和含酯基季铵盐改性纳米纤维素与聚乳酸溶解于三氯甲烷溶剂中，边搅拌边反应3h；(2)将溶液均匀地涂在玻璃板上，在40℃下真空干燥24h，使溶剂完全挥发，使用刮刀将薄膜刮下，得到纤维素改性聚乳酸薄膜。使用本发明含酯基季铵盐改性纳米纤维素改性制备的纤维素改性聚乳酸薄膜与对照组(使用未改性纳米纤维素制备的纤维素聚乳酸薄膜)的样品对比图见图1，拉伸性能曲线见图2。从图1可以看出，对照组中纳米纤维素有明显的团聚现象，说明与聚乳酸的相容性不好，而使用本发明所述含酯基季铵盐改性纳米纤维素基本观察不到团聚的现象，这说明了含酯基季铵盐改性纳米纤维素与聚乳酸的相容性得到了明显的改善。从图2可以看出，使用含酯基季铵盐改性的纳米纤维素制备的纤维素改性聚乳酸薄膜具有更好的拉伸强度和断裂伸长率。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种含酯基季铵盐改性纳米纤维素的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将纳米纤维素粉末溶于去离子水中，经超声处理并充分搅拌后，得到分散均匀的纳米纤维素水分散液；
(2)向纳米纤维素水分散液中加入含酯基季铵盐表面活性剂，充分反应后，得到白色悬浮液；将白色悬浮液进行超声处理，然后离心去除上层清液，得到白色固体沉淀；
(3)将白色固体沉淀用去离子水洗涤，再经真空冷冻干燥、研磨后得到含酯基季铵盐改性纳米纤维素；
所述含酯基季铵盐表面活性剂的分子结构式如下：
其中，R为C12～C16的烷基。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米纤维素粉末和含酯基季铵盐表面活性剂的质量比为4:1～3:1。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米纤维素水分散液的固液比为2g～5g：100ml。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述充分反应为：升温至30-40℃，边搅拌边反应2-4h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述超声处理的超声功率为100W，超声时间为15～30min。
6.权利要求1～5任一所述制备方法制备得到的含酯基季铵盐改性纳米纤维素。
7.权利要求6所述的含酯基季铵盐改性纳米纤维素在纤维素改性聚乳酸中的应用。
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