CN105175760B - 一种醋酸丁酸纤维素膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种醋酸丁酸纤维素膜的制备方法，属于高分子材料化学领域，所述的制备方法包括以下步骤：S1、纤维素溶液的制备；S2、纤维素的酰化；S3、醋酸丁酸纤维素膜初品的制备；S4、醋酸丁酸纤维素膜初品烘干等处理得醋酸丁酸纤维素膜。本发明工艺流程短，无需使用任何催化剂，所使用的离子液体安全无污染，可回收重复使用，是一种环保的生产工艺；本发明的方法生产醋酸丁酸纤维素膜的速度快且产品质量高、力学性能优异，具有广阔的应用前景。
Description
【技术领域】
本发明属于高分子材料化学领域，具体涉及一种醋酸丁酸纤维素膜的制备方法。
【背景技术】
醋酸丁酸纤维素(CAB)是在纤维素大分子组成中，引入乙酰基和丁酰基所得到的纤维素混合酯。醋酸丁酸纤维素具有良好的溶解性、柔韧性、耐候性、模塑性等，可广泛应用于制作高透明度、耐候性好的塑料片基、薄膜和各种涂料的流平剂、成膜物质等，CAB的加入可以改善涂料流平性、耐久性、颜料定向性及柔韧性等。作为皮革光亮剂，CAB具有优良的耐光性能，可以明显提高皮革的档次。近年来，人们发现用CAB做电容性的湿度敏感器，作为水溶性药物载体制备微胶囊、用于共混改性制备CAB/聚酯材料、制备CAB中空纤维薄膜等。
醋酸丁酸纤维素工业上是用乙酸或丁酸处理纤维素，然后再用乙酸、乙酐、丁酸、丁酸酐的混合液在硫酸催化作用下进行酯化反应制得粗制品，再经水解、中和、沉析、水洗、蒸煮、干燥等工艺得到最终成品醋酸丁酸纤维素。
目前由于纤维素的不熔融和在普通溶剂中难以溶解的特性，使得CAB的合成路线主要为非均相酯化水解法。邓照西、黄彩结分别以精制棉短绒和浆粕为原料，以浓硫酸为催化剂，通过预处理、酰化、水解等步骤制备出CAB。刘继泉等系统地研究了CAB制备过程中主要步骤的影响因素，确定了生产高丁酰基含量CAB的工艺条件。值得注意的是：非均相法制备纤维素酯需要对纤维进行预处理，使用的催化剂硫酸同时具有氧化、磺化、脱水和异构化作用，导致一些副反应发生，且反应过程中会产生大量的废液污染环境，腐蚀设备。因此，开发新型纤维素溶剂，继而开发CAB制备的新工艺仍然是人们关注的重点。
【发明内容】
本发明提供一种醋酸丁酸纤维素膜的制备方法，以解决制备方法繁琐、副产物回收率低、耗费大量溶剂等问题。本发明的醋酸丁酸纤维素膜使用的离子液体可循环利用，且生产工艺简单、生产速度快、产品质量高、力学性能优异，本发明是一种安全无污染的制备工艺。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种醋酸丁酸纤维素膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、纤维素溶液的制备：将离子液体放入超声波清洗器中，并将离子液体加热到75～115℃，按照纤维素与离子液体的质量体积比为1:15～45将纤维素加入到离子液体中，打开超声波清洗器后同时搅拌溶液，使纤维素完全溶解，得到纤维素溶液，所述离子液体包括1-烯丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-丁基-3-甲基咪唑磷酸盐、1-烷基-3-甲基咪唑氯盐、1-烯丁基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-烯丙基-3-甲基咪唑硫酸盐中的一种或多种；
S2、纤维素的酰化：将摩尔比为1:0.55～1.8醋酸酐―丁酸酐混合液以混合单体连续滴加的方法加入到步骤S1制得的纤维素溶液中，在75～115℃下进行酰化反应0.3～1.5h，所述纤维素溶液与醋酸酐―丁酸酐混合液的质量体积比为1:25～45；
S3、醋酸丁酸纤维素膜初品的制备：将步骤S2酰化完全的反应液均匀铺在玻璃槽中，降温到常温后静置1～2h，再用蒸馏水反复浸泡，使醋酸丁酸纤维素再生出来形成醋酸丁酸纤维素膜初品；
S4、烘干纤维素膜：将S3制得的纤维素薄膜放在干净的基片上，用热风风干0.5～3.5h后，再用两片基片均匀夹盖，放入真空烘箱中，在45～75℃下烘14～20h，制得醋酸丁酸纤维素膜。
优选地，步骤S1中所述的纤维素包括棉纤维素、竹纤维素、木屑纤维素、甘蔗渣纤维素中的一种或多种。
优选地，步骤S1中的超声波清洗器的频率为20～130khz。
优选地，步骤S2中所述酰化反应的条件为：在95～115℃下反应0.3～0.9h。
优选地，步骤S3中蒸馏水反复浸泡后，剩下的离子液体水溶液可以回收及循环利用，具体方法是：将S3制醋酸丁酸纤维素膜初品剩下的离子液体水溶液回收利用，先进行过滤除杂，再用旋转蒸发仪除去其大部分酸和水，旋蒸温度为55～90℃，再用分子蒸馏以90～100℃的温度除去离子液体水溶液中含有的少量酸和水，制得离子液体，并对回收的离子液体循环利用。
优选地，步骤S4中所述的基片包括玻璃片、陶瓷片、金属片中的一种。
优选地，步骤S4中所述热风的温度为20～30℃。。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明对设备要求较低、生产工艺简单、生产速度快、产品质量高；
(2)本发明使用的离子液体可充分回收循环利用，是一种绿色环保的工艺；(3)本发明制得的醋酸丁酸纤维素再生膜从内部到表面致密，均匀致密的结构有利于得到力学性能优异的纤维素材料；
(4)本发明使用的纤维素原料来源广泛、成本低廉、可实现天然植物纤维素的高值化利用；
(5)本发明制备的醋酸丁酸纤维素膜具有良好的耐候性和力学性能，具有一定的乙酰取代度和丁酰取代度，具有广阔的应用前景。
【附图说明】
图1为实施例1所得到的醋酸丁酸纤维素膜的SEM分析断面形貌照片；
图2为实施例1所得到的醋酸丁酸纤维素膜的SEM分析表面形貌照片。
【具体实施方式】
下面结合具体实施例进行具体说明。
实施例1
一种醋酸丁酸纤维素膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、纤维素溶液的制备：将离子溶液放入频率在20khz范围的超声波清洗器中，并将离子溶液加热到75℃，按照纤维素与离子液体的质量体积比为1:15将纤维素加入到离子液体中，打开超声波清洗器后同时搅拌溶液，使纤维素完全溶解，得到纤维素溶液；其中，离子液体为1-烯丁基-3-甲基咪唑氯盐溶液，纤维素为木屑纤维素。
S2、纤维素的酰化：将摩尔比为1:0.55醋酸酐―丁酸酐混合液以混合单体连续滴加的方法加入到步骤S1制得的纤维素溶液中，纤维素溶液与醋酸酐―丁酸酐混合液的质量体积比为1:25，在75℃下进行酰化反应1.5h。
S3、醋酸丁酸纤维素膜初品的制备：将步骤S2酰化完全的反应液均匀铺在玻璃槽中，降温到常温后静置1h，再用蒸馏水反复浸泡，使醋酸丁酸纤维素再生出来形成醋酸丁酸纤维素膜初品。
S4、烘干纤维素膜：将S3制得的纤维素薄膜放在干净的陶瓷片上，并加热陶瓷片到20℃，用20℃的热风风干3.5h后，再用两片陶瓷片均匀夹盖，放入45℃真空烘箱中烘干20h，制得醋酸丁酸纤维素膜。
其中，步骤S3中蒸馏水反复浸泡后，剩下的离子液体水溶液可以回收及循环利用，具体方法是：将S3制醋酸丁酸纤维素膜初品剩下的离子液体水溶液回收利用，先进行过滤除杂，再用旋转蒸发仪除去其大部分酸和水，旋蒸温度为55℃，再用分子蒸馏以90℃的温度除去离子液体水溶液中含有的少量酸和水，制得离子液体，并对回收的离子液体循环利用。
实施例2
一种醋酸丁酸纤维素膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、纤维素溶液的制备：将离子溶液放入频率在30khz范围的超声波清洗器中，并将离子溶液加热到115℃，按照纤维素与离子液体的质量体积比为1:45将纤维素加入到离子液体中，打开超声波清洗器后同时搅拌溶液，使纤维素完全溶解，得到纤维素溶液；其中，离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑磷酸盐溶液，纤维素为木屑纤维素。
S2、纤维素的酰化：将摩尔比为1:1.8醋酸酐―丁酸酐混合液以混合单体连续滴加的方法加入到步骤S1制得的纤维素溶液中，纤维素溶液与醋酸酐―丁酸酐混合液的质量体积比为1:45，在115℃下进行酰化反应0.3h。
S3、醋酸丁酸纤维素膜初品的制备：将步骤S2酰化完全的反应液均匀铺在玻璃槽中，降温到常温后静置2h，再用蒸馏水反复浸泡，使醋酸丁酸纤维素再生出来形成醋酸丁酸纤维素膜初品。
S4、烘干纤维素膜：将S3制得的纤维素薄膜放在干净的陶瓷片上，并加热陶瓷片到30℃，用30℃的热风风干3.5h后，再用两片陶瓷片均匀夹盖，放入75℃真空烘箱中烘干14h，制得醋酸丁酸纤维素膜。
其中，步骤S3中蒸馏水反复浸泡后，剩下的离子液体水溶液可以回收及循环利用，具体方法是：将S3制醋酸丁酸纤维素膜初品剩下的离子液体水溶液回收利用，先进行过滤除杂，再用旋转蒸发仪除去其大部分酸和水，旋蒸温度为90℃，再用分子蒸馏以100℃的温度除去离子液体水溶液中含有的少量酸和水，制得离子液体，并对回收的离子液体循环利用。
实施例3
一种醋酸丁酸纤维素膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、纤维素溶液的制备：将离子溶液放入频率在60khz范围的超声波清洗器中，并将离子溶液加热到85℃，按照纤维素与离子液体的质量体积比为1:25将纤维素加入到离子液体中，打开超声波清洗器后同时搅拌溶液，使纤维素完全溶解，得到纤维素溶液；其中，离子液体为1-烷基-3-甲基咪唑氯盐溶液；纤维素为木屑纤维素、竹纤维素混合物。
S2、纤维素的酰化：将摩尔比为1:1醋酸酐―丁酸酐混合液以混合单体连续滴加的方法加入到步骤S1制得的纤维素溶液中，纤维素溶液与醋酸酐―丁酸酐混合液的质量体积比为1:25，在95℃下进行酰化反应0.9h。
S3、醋酸丁酸纤维素膜初品的制备：将步骤S2酰化完全的反应液均匀铺在玻璃槽中，降温到常温后静置1.5h，再用蒸馏水反复浸泡，使醋酸丁酸纤维素再生出来形成醋酸丁酸纤维素膜初品。
S4、烘干纤维素膜：将S3制得的纤维素薄膜放在干净的陶瓷片上，并加热陶瓷片到25℃，用30℃的热风风干2.5h后，再用两片陶瓷片均匀夹盖，放入55℃真空烘箱中烘干19h，制得醋酸丁酸纤维素膜。
其中，步骤S3中蒸馏水反复浸泡后，剩下的离子液体水溶液可以回收及循环利用，具体方法是：将S3制醋酸丁酸纤维素膜初品剩下的离子液体水溶液回收利用，先进行过滤除杂，再用旋转蒸发仪除去其大部分酸和水，旋蒸温度为89℃，再用分子蒸馏以95℃的温度除去离子液体水溶液中含有的少量酸和水，制得离子液体，并对回收的离子液体循环利用。
实施例4
一种醋酸丁酸纤维素膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、纤维素溶液的制备：将离子溶液放入频率在80khz范围的超声波清洗器中，并将离子溶液加热到95℃，按照纤维素与离子液体的质量体积比为1:35将纤维素加入到离子液体中，打开超声波清洗器后同时搅拌溶液，使纤维素完全溶解，得到纤维素溶液；其中，离子液体为1-烯丁基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-烯丙基-3-甲基咪唑硫酸盐的混合溶液；纤维素为棉纤维素、甘蔗渣纤维素混合物。
S2、纤维素的酰化：将摩尔比为1:1.5醋酸酐―丁酸酐混合液以混合单体连续滴加的方法加入到步骤S1制得的纤维素溶液中，纤维素溶液与醋酸酐―丁酸酐混合液的质量体积比为1:35，在85℃下进行酰化反应0.6h。
S3、醋酸丁酸纤维素膜初品的制备：将步骤S2酰化完全的反应液均匀铺在玻璃槽中，降温到常温后静置1.5h，再用蒸馏水反复浸泡，使醋酸丁酸纤维素再生出来形成醋酸丁酸纤维素膜初品。
S4、烘干纤维素膜：将S3制得的纤维素薄膜放在干净的玻璃片上，并加热玻璃片到30℃，用25℃的热风风干2.5h后，再用两片玻璃片均匀夹盖，放入65℃真空烘箱中烘干18h，制得醋酸丁酸纤维素膜。
其中，步骤S3中蒸馏水反复浸泡后，剩下的离子液体水溶液可以回收及循环利用，具体方法是：将S3制醋酸丁酸纤维素膜初品剩下的离子液体水溶液回收利用，先进行过滤除杂，再用旋转蒸发仪除去其大部分酸和水，旋蒸温度为60℃，再用分子蒸馏以95℃的温度除去离子液体水溶液中含有的少量酸和水，制得离子液体，并对回收的离子液体循环利用。
产品性能测试实验：
分别对实施例1、2、3、4产品的性能进行测试，测试结果如下表所示。
由表可知：回收得的离子溶液纯度为99.4～99.9％，成品率为93.4％～93.7％，S1步骤中纤维素溶液溶解状态好，说明了使用本发明的醋酸丁酸纤维素膜的制备方法的离子液体溶解纤维素好，回收的离子液体浓度高，制得的纤维素膜成品率高。
由图1、图2可知：两张图片均未见到有孔洞结构，说明在离子液体中制备的醋酸丁酸纤维素膜从内部到表面致密均匀，这与从NaOH/H2O体系中得到的再生纤维素的多孔结构有所不同，致密的结构有利于得到力学性能优异的纤维素材料。
以上内容不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (5)
1.一种醋酸丁酸纤维素膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、纤维素溶液的制备：将离子液体放入超声波清洗器中，并将离子液体加热到75~115℃，按照纤维素与离子液体的质量体积比为1:15~45将纤维素加入到离子液体中，打开超声波清洗器后同时搅拌溶液，所述超声波清洗器的频率为20~130khz，使纤维素完全溶解，得到纤维素溶液；所述离子液体包括1-烯丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-丁基-3-甲基咪唑磷酸盐、1-烷基-3-甲基咪唑氯盐、1-烯丁基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-烯丙基-3-甲基咪唑硫酸盐中的一种或多种；
S2、纤维素的酰化：将摩尔比为1:0.55~1.8醋酸酐―丁酸酐混合液以混合单体连续滴加的方法加入到步骤S1制得的纤维素溶液中，在95~115℃下进行酰化反应0.3~0.9h，所述纤维素溶液与醋酸酐-丁酸酐混合液的质量体积比为1:25~45；
S3、醋酸丁酸纤维素膜初品的制备：将步骤S2酰化完全的反应液均匀铺在玻璃槽中，降温到常温后静置1~2h，再用蒸馏水反复浸泡，使醋酸丁酸纤维素再生出来形成醋酸丁酸纤维素膜初品；
S4、烘干纤维素膜：将S3制得的纤维素薄膜初品放在干净的基片上，用热风风干0.5~3.5h后，再用两片基片均匀夹盖，放入真空烘箱中，在45~75℃下烘14~20 h，制得醋酸丁酸纤维素膜。
2.根据权利要求1所述的醋酸丁酸纤维素膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述的纤维素包括棉纤维素、竹纤维素、木屑纤维素、甘蔗渣纤维素中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的醋酸丁酸纤维素膜的制备方法，其特征在于，步骤S3中蒸馏水反复浸泡后，剩下的离子液体水溶液可以回收及循环利用，具体方法是：将S3制醋酸丁酸纤维素膜初品剩下的离子液体水溶液回收利用，先进行过滤除杂，再用旋转蒸发仪除去其大部分酸和水，旋蒸温度为55~90℃，再用分子蒸馏以90~100℃的温度除去离子液体水溶液中含有的少量酸和水，制得离子液体，并对回收的离子液体循环利用。
4.根据权利要求1所述的醋酸丁酸纤维素膜的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述的基片包括玻璃片、陶瓷片、金属片中的一种。
5.根据权利要求1所述的醋酸丁酸纤维素膜的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述热风的温度为20~30℃。
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