CN105970346A - 杂双环离子液体同时溶解动物毛和高分子助剂制备纺丝液的方法 - Google Patents

杂双环离子液体同时溶解动物毛和高分子助剂制备纺丝液的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型杂双环离子液体同时溶解动物毛和高分子助剂制备纺丝液的方法。以猪毛、山羊毛、绵羊毛、兔毛、牦牛毛，及各种废弃的毛纺织品和无纺织利用价值的羊毛为原料，天然棉麻纤维、聚乙烯醇、聚丙烯腈等为助剂，利用一系列1,5‑二氮杂双环[4,3,0]‑5‑壬烯离子液体同时溶解角蛋白和助剂制备纺丝液。其步骤如下：原料经水洗、脱脂、干燥、粉碎，按一定比例1‑15％(wt％)加入到离子液体中，同时添加1‑30％(wt％)助剂，在90‑130℃下加热溶解10‑360min，得到不同浓度的纺丝液。该方法原料易得、价廉，可减少废弃动物毛对环境的污染。1,5‑二氮杂双环[4,3,0]‑5‑壬烯系列离子液体，合成简单，对角蛋白二级结构破坏小，所得纺丝液可纺性能高；溶解过程易操作，易回收利用，清洁环保。

Description

杂双环离子液体同时溶解动物毛和高分子助剂制备纺丝液的方法
技术领域
本发明属于生物质资源再生利用领域，涉及一种溶解动物毛制备角蛋白纺丝液的方法，具体涉及一种以离子液体为溶剂同时溶解动物毛和高分子助剂制备共混纺丝液的方法。
背景技术
角蛋白是一种纤维状蛋白质，属于天然生物高分子，广泛存在于动物毛发、禽羽毛、动物的蹄和角中。我国每年有大量废弃的动物毛和蹄壳产生，不仅浪费了资源，且严重污染环境。角蛋白具有良好的生物相容性、细胞亲和性、可降解性、安全性等优点，可以再生利用应用于纺织、医药和包装行业。特别是随着石油、煤炭等不可再生资源的日渐短缺，天然可再生资源的综合利用成为社会可持续发展的重要组成部分。因此，角蛋白的回收利用具有重要的环保意义和应用价值。动物毛角蛋白资源回收利用的前提和基础是动物毛的溶解。角蛋白由多种α-氨基酸组成，这些氨基酸通过肽键构成多肽长链，多肽长链又通过氢键、二硫键、盐式键、酯键、范德华力等横向联系，使角蛋白呈曲折交联的α-螺旋三维结构，并形成纤维的结晶区和非结晶区。由于其结构复杂而精密，因此角蛋白不溶于普通的分子溶剂。传统的溶解方法有酸碱法、还原法、氧化法以及铜氨溶液法。这些方法会产生大量的废酸、废碱等，回收利用困难，对环境造成严重的污染，且溶解过程角蛋白分子降解严重，利用附加值不高。
离子液体作为一种新型绿色溶剂，由于强大的静电相互作用而表现出诸多优点，如溶解能力强、不易挥发、极性强、可设计、良好的热稳定性和导电性等，在能源、环境、以电化学、催化及材料合成等领域展现出了良好的发展前景，离子液体对生物高分子的溶解也受到了广泛关注。现有一种再生角蛋白功能纤维的加工技术，其可见专利“02155407.2，一种再生角蛋白功能纤维的加工技术”，该发明工艺流程复杂，纺丝溶液的溶剂系统为金属盐溶液，溶解过程中产生大量的金属盐废液，难以重复利用，并造成环境污染；现有一种利用氯化咪唑盐系列离子液体溶解动物毛制备角蛋白溶液的方法，其可见专利“200410011389.6，一种角蛋白溶液的制备方法”。此方法溶解时间长达2-10小时，且制备的角蛋白溶液可纺性不高；现有一种以阴离子为卤素离子和醋酸根离子，阳离子为烷基咪唑的离子液体溶解动物毛制备再生蛋白纤维的方法，其可见专利“200510077289.8，使用离子液体溶解动物毛制备再生蛋白纤维的方法”，此工艺所得的角蛋白液中角蛋白结构破坏严重、分子量低，无法满足纺丝要求；现有一种专利，以1-丁基-3-甲基咪唑氯盐或1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯离子液体溶解动物毛，制备角蛋白丝素蛋白共混溶液，其可见专利“201310072808.6，再生角蛋白丝素蛋白共混溶液的制备及湿法纺丝的方法”。该工艺采用的是烷基咪唑磷酸酯类离子液体，以丝素蛋白为助剂。上述专利所涉及的离子液阳离子均为单环结构，极性较大，对角蛋白二级结构破坏较大，角蛋白纺丝液可纺性不高。
基于以上研究现状，本发明合成了新型1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯类离子液体为溶剂，同时溶解动物毛和高分子聚合物助剂，制备离子液体角蛋白纺丝液。该过程操作简单，离子液体可重复利用，避免造成环境污染，应用前景广阔。
发明内容
本发明的目的是充分利用废弃动物毛角蛋白资源、减少动物毛溶解过程中二级结构的破坏，克服单纯动物毛角蛋白成丝强度较低的缺点，以及传统角蛋白提取过程中产生的酸、碱、盐污染环境、难以回收再利用的缺点，发明一种利用新型杂双环类离子液体同时溶解动物毛角蛋白和高分子助剂制备纺丝液的方法。
本发明提供的离子液体制备纺丝液的方法，其原料为动物毛角蛋白，添加高分子助剂。首先用水清洗动物毛，然后用乙醇或丙酮浸泡脱脂去杂1-12小时，在40-80℃的温度下烘干，再将其粉碎成微细粉；将一定比例的动物毛细粉加入到离子液体中，同时添加一定量的高分子助剂，在90-130℃条件下机械搅拌或微波加热10-360min，得到离子液体角蛋白纺丝液。
本发明所述离子液体为一系列1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯类离子液体中的一种或两种以上混合物，包括1-甲基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯磷酸二甲酯，1-乙基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯磷酸二乙酯，1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯乙酸盐，1-丁基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯乙酸盐，1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯咪唑盐，1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯-2-甲基咪唑盐，1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯-2-烯丙基咪唑盐，1-乙基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯氯盐，1-丁基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯氯盐，1-烯丙基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯氯盐，1-乙基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯溴盐，1-丁基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯溴盐。
本发明所述动物毛为山羊毛、绵羊毛、兔毛、猪毛、牦牛毛，以及各种废弃的毛纺织品和无纺织利用价值的羊毛。
本发明所述的助剂为高分子聚合物，包括天然棉纤维、天然麻纤维、甲壳素、蚕蛹蛋白、聚乙烯醇、聚丙烯腈、尼龙、涤纶、芳纶、氨纶、二醋酸纤维。
本发明提供的一系列新型1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯类离子液体制备纺丝液的方法，该杂双环类离子液体阳离子为双环结构，与单环阳离子相比极性小，对角蛋白分子二级结构的破坏较小，再生角蛋白可以保留微观的纤维状结构，大幅度提高纺丝液可纺性能；该类离子液体溶解动物毛角蛋白的同时，可以溶解诸多高分子助剂，解决了动物毛角蛋白单独成丝强度较低的难题；该过程操作简单，离子液体可重复利用，避免造成环境污染，应用前景广阔。
具体实施方式：
本发明用以下实施例说明，但并不限于下述实施例，在不脱离前后所述宗旨的范围内，变化实施都包含在本发明的技术范围内。
实施例1
称取脱脂干燥后的绵羊毛细粉1.7571g，加入到22.4519g 1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯乙酸盐离子液体中，同时在离子液体中添加0.1952g的天然麻纤维，于90℃油浴下机械搅拌15min，得到粘稠的角蛋白和麻纤维共混纺丝液(用玻璃棒挑起，成丝状；用注射器挤出细长的丝)。
实施例2
称取脱脂干燥后的山羊毛细粉1.6124g，加入到20.3786g 1-甲基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯磷酸二甲酯离子液体中，同时在离子液体中添加0.1792g的二醋酸纤维，于120℃下微波加热10min，得到粘稠的角蛋白和二醋酸纤维共混纺丝液(用玻璃棒挑起，成丝状；用注射器挤出细长的丝)。
实施例3
称取脱脂干燥后的耗牛毛细粉2.1449g，加入到27.5776g 1-乙基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯磷酸二乙酯离子液体中，同时在离子液体中添加0.2200g的聚乙烯醇，于110℃油浴下机械搅拌180min，得到粘稠的角蛋白和聚乙烯醇共混纺丝液(用玻璃棒挑起，成丝状；用注射器挤出细长的丝)。
实施例4
称取脱脂干燥后的猪毛细粉1.8877g，加入到19.0912g1-丁基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯氯盐离子液体中，同时在离子液体中添加0.4719g的聚丙烯腈，于100℃下微波加热20min，得到粘稠的角蛋白和聚丙烯腈共混纺丝液(用玻璃棒挑起，成丝状；用注射器挤出细长的丝)。
实施例5
称取脱脂干燥后的兔毛细粉2.4842g，加入到25.1180g1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯咪唑盐离子液体中，同时在离子液体中添加0.4968g的芳纶，于120℃油浴下机械搅拌240min，得到粘稠的角蛋白和芳纶共混纺丝液(用玻璃棒挑起，成丝状；用注射器挤出细长的丝)。
实施例6
称取脱脂干燥后的山羊毛细粉2.0444g，加入到23.0000g 1-丁基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯乙酸盐离子液体中，同时在离子液体中添加0.5111g的甲壳素，于130℃油浴下机械搅拌180min，得到粘稠的角蛋白和甲壳素共混纺丝液(用玻璃棒挑起，成丝状；用注射器挤出细长的丝)。
实施例7
称取脱脂干燥后的耗牛毛细粉2.4579g，加入到24.5789g 1-烯丙基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯氯盐离子液体中，同时在离子液体中添加0.2731g的尼龙，于100℃油浴下机械搅拌300min，得到粘稠的角蛋白和尼龙共混纺丝液(用玻璃棒挑起，成丝状；用注射器挤出细长的丝)。
实施例8
称取脱脂干燥后的猪毛细粉2.1254g，加入到21.2537g 1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯-2-甲基咪唑盐离子液体中，同时在离子液体中添加0.2362g的涤纶，于120℃油浴下机械搅拌240min，得到粘稠的角蛋白和涤纶共混纺丝液(用玻璃棒挑起，成丝状；用注射器挤出细长的丝)。
实施例9
称取脱脂干燥后的绵羊毛细粉1.5555g，加入到19.8757g 1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯-2-烯丙基咪唑盐离子液体中，同时在离子液体中添加0.1728g的氨纶，于110℃油浴下机械搅拌300min，得到粘稠的角蛋白和氨纶共混纺丝液(用玻璃棒挑起，成丝状；用注射器挤出细长的丝)。
实施例10
称取脱脂干燥后的猪毛细粉2.2360g，加入到20.2650g 1-乙基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯氯盐离子液体中，同时在离子液体中添加0.3678g的棉浆纤维，于120℃油浴下机械搅拌90min，得到粘稠的角蛋白和棉浆纤维共混纺丝液(用玻璃棒挑起，成丝状；用注射器挤出细长的丝)。
实施例11
称取脱脂干燥后的山羊毛细粉2.0171g，加入到19.3891g 1-丁基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯溴盐离子液体中，同时在离子液体中添加0.5127g的蚕蛹蛋白，于120℃油浴下机械搅拌100min，得到粘稠的角蛋白和蚕蛹蛋白共混纺丝液(用玻璃棒挑起，成丝状；用注射器挤出细长的丝)。
实施例12
称取脱脂干燥后的绵羊毛细粉1.8572g，加入到20.3987g两种离子液体混合物中(1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯乙酸盐2.7312g，1-丁基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯氯盐17.6675g)，同时在离子液体混合物中添加0.1952g的天然麻纤维，于100℃油浴下机械搅拌70min，得到粘稠的角蛋白和麻纤维共混纺丝液(用玻璃棒挑起，成丝状；用注射器挤出细长的丝)。

Claims (5)

1.一种使用离子液体同时溶解动物毛角蛋白和高分子助剂制备纺丝液的方法，工艺流程为：将洗净脱脂干燥的动物毛原料按重量百分含量1-15％(wt％)加入到离子液体中，同时在离子液体中添加1-30％(wt％)的高分子助剂，在90-130℃条件下加热溶解10-360min，得到相应浓度的离子液体纺丝液；所用离子液体的化学结构表达式如下：
R1＝CH3,C2H5；R2＝H,C4H9；R3＝H,CH3,C3H5；R4＝C2H5,C4H9,C3H5；R5＝C2H5,C4H9。
2.根据权利要求1所述的使用离子液体同时溶解动物毛角蛋白和高分子助剂制备纺丝液的方法，其特征在于，所述离子液体为一系列1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯类离子液体中的一种或两种以上混合物，包括1-甲基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯磷酸二甲酯，1-乙基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯磷酸二乙酯，1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯乙酸盐，1-丁基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯乙酸盐，1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯咪唑盐，1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯-2-甲基咪唑盐，1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯-2-烯丙基咪唑盐，1-乙基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯氯盐，1-丁基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯氯盐，1-烯丙基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯氯盐，1-乙基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯溴盐，1-丁基-1,5-二氮杂双环[4,3,0]-5-壬烯溴盐。
3.根据权利要求1所述的使用离子液体同时溶解动物毛角蛋白和高分子助剂制备纺丝液的方法，其特征在于，所述的动物毛包括猪毛、山羊毛、绵羊毛、兔毛、牦牛毛，以及各种废弃的毛纺织品和无纺织利用价值的羊毛。
4.根据权利要求1所述的使用离子液体同溶解动物毛角蛋白和高分子助剂制备纺丝液的方法，其特征在于，所用高分子助剂包括天然棉纤维、天然麻纤维、甲壳素、蚕蛹蛋白、聚乙烯醇、聚丙烯腈、尼龙、涤纶、芳纶、氨纶、二醋酸纤维。
5.根据权利要求1所述的使用离子液体同溶解动物毛角蛋白和高分子助剂制备纺丝液的方法，其特征在于，加热溶解方式为油浴加热机械搅拌溶解或微波加热溶解。
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