CN106046178B - 一种以剑麻纤维为原料制备醋酸纤维素的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种以剑麻纤维为原料制备醋酸纤维素的方法，包括如下步骤：S1.将剑麻纤维粉碎，置于水中加热，冷却后过滤，取滤渣置于硫酸溶液中加热，冷却后过滤，并用水洗涤滤渣至中性，烘干，得活化后的剑麻纤维；S2.将S1中所得物质与乙酰化剂和分散剂混合，加热反应，然后加入浓硫酸作催化剂，继续加热反应完毕，冷却后离心，取上层清液置于水中，搅拌、静置，使醋酸纤维素产物沉析；S3.将S2中所得沉析物过滤，用水洗涤至中性，干燥，即得所述醋酸纤维素；本发明所述制备方法简单，且属于环境友好的合成方法，以非均相制备醋酸纤维素，避免了现有均相合成法需涉及环境影响较大的二氯甲烷等溶剂的不足，为剑麻资源的综合利用提供一条有效的途径。

Description

一种以剑麻纤维为原料制备醋酸纤维素的方法
技术领域
本发明属于剑麻纤维综合利用技术领域，更具体地，涉及一种以剑麻纤维为原料制备醋酸纤维素的方法。
背景技术
醋酸纤维素是纤维素的乙酸酯化产物，是生产醋酸纤维制品的原料。醋酸纤维广泛用于香烟滤嘴、服装面料、感光胶片等行业，全世界年消耗量约150万吨。目前，工业上，醋酸纤维素的生产主要以优质棉浆或木浆为原料。但棉花资源有限，森林资源日益得到保护，因此，我国目前合成醋酸纤维素的原料主要依赖进口，成本较高；而且均相合成法需涉及环境影响较大的二氯甲烷等溶剂。
剑麻是龙舌兰属的亚热带、热带植物，原产于美洲，生长期短，收割期长，现我国广东、海南、广西、福建等地有大量种植和加工，剑麻产量约占世界剑麻总产量的六分之一。剑麻的剑形叶片经压榨、洗涤、梳理等处理，可得硬质长纤维，即剑麻纤维。剑麻纤维含纤维素约50%-60%，其余成分主要为果胶、半纤维素、木质素等，纤维束之间形成结晶，并为果胶、半纤维素、木质素等成分所包裹。因而表现为硬质纤维，强度极高，但缺乏柔软性，不易纺织，难以作为纺织材料。因此，剑麻纤维目前主要用于编织缆绳、粗麻袋、地毯以及作为抛光材料等，也尝试用于汽车车身填充材料，但总体而言，这些产品的附加值较低，限制了剑麻资源的开发利用。
本发明提出了以剑麻纤维为原料，非均相制备醋酸纤维素的方法，属于环境友好的合成方法，同时，为剑麻资源的综合利用提供一条有效的途径。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供了一种以剑麻纤维为原料制备醋酸纤维素的方法。
本发明的技术目的通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种以剑麻纤维为原料制备醋酸纤维素的方法，包括如下步骤：
S1. 将剑麻纤维粉碎，置于水中加热，冷却后过滤，取滤渣置于硫酸溶液中加热，冷却后过滤，以水洗涤至中性，烘干，得活化后的剑麻纤维；
S2.将S1中所得活化后的剑麻纤维与乙酰化剂、分散剂混合，加热反应一定时间，加入浓硫酸，继续加热反应完全，冷却后离心，取上层清液置于水中，搅拌、静置，使醋酸纤维素产物沉析、水解；
S3.将S2所得沉析物过滤，滤渣用水洗涤至中性，干燥，即得所述醋酸纤维素；
S2中，所述乙酰化剂为乙酸酐，分散剂为冰乙酸；所述乙酸酐和冰乙酸的质量比为1：（1~5）；
S2中，活化后的剑麻纤维与乙酸酐的反应质量比为1：（2~10）；
S2中，活化后的剑麻纤维与浓硫酸的反应质量比为（10~30）：1；
S2中加热反应和继续加热反应的反应温度为80~120℃。
优选地，S2中，所述乙酸酐与冰乙酸的混合比为1：1。
优选地，S2中，活化后的剑麻纤维与乙酸酐的反应质量比为1：5。
优选地，S2中，活化后的剑麻纤维与浓硫酸的反应质量比为20：1。
优选地，S1中，按质量体积比计，所述剑麻纤维与水的混合比为1：（50~150），S1中加热温度为30~50℃，加热时间为1~3h。
优选地，S1中，硫酸溶液的体积百分比浓度为3~8%，加热温度为40~60℃，加热时间为0.3~1h。本发明采用浓度较低的硫酸溶液作为剑麻纤维原料的活化剂，在大规模生产中不会对环境产生不利的影响。
S3中，所述醋酸纤维素的沉析、水解过程无需使用醋酸溶液或者醋酸盐溶液为介质。
优选地，将S1中所得活化后的剑麻纤维与乙酰化剂、分散剂混合，加热反应0～60min，加入浓硫酸，继续加热反应完全，冷却后离心。
醋酸纤维素的乙酰化度（乙酰基的百分含量，T%）或者总取代度（DS）是衡量其酯化程度的指标，不同酯化度的醋酸纤维素，其用途有所不同，二醋酸纤维素制成的醋酸纤维产品可用于纺织面料、香烟滤嘴等，市场需求大，而三醋酸纤维素制成的醋酸纤维产品也可用于纺织面料，但主要用于感光材料基材，需求量较小。可根据ASTM D871-96(2010)标准方法测定乙酰化度（T%），并可进一步按照下式换算得DS：
本发明所得醋酸纤维素为白色粉末状产品，乙酰化度（T%）为40%-42%，总取代度DS为2.5-2.7，属于二醋酸纤维素。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所述制备方法简单，且属于环境友好的合成方法，以非均相制备醋酸纤维素，避免了现有均相合成法需涉及环境影响较大的二氯甲烷等溶剂的缺陷。为剑麻资源的综合利用提供一条有效的途径。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是，本实施例只用于对本发明进行进一步说明，但不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1:
将剑麻纤维原料剪切成5~10 mm段，机械粉碎成绒状，取5g置于500ml去离子水中，加热至50℃并持续2小时，适当冷却后抽滤；滤渣置于200 mL 5% H2SO4溶液中，加热至50℃并持续30分钟；冷却，抽滤，滤渣用去离子水洗至中性，所得滤渣在110℃烘干，备用。
取经上述处理后的剑麻纤维1.0g，与10.0g乙酸酐、10.0g冰乙酸混合均匀，加热到100℃并持续10分钟，加入0.1 g浓硫酸，继续加热并维持100℃1小时；将反应溶液冷却，离心分离，上层清液倾入1 L去离子水中，充分搅拌后静置2小时；抽滤，将沉淀物用去离子水洗至中性，于100℃干燥，得白色粉末状醋酸纤维素产物，与纯的醋酸纤维素的性状一致，表明该粉末状产品纯度很高，产品性能好。此醋酸纤维素的乙酰化度为40.8%，总取代度DS为2.56。
实施例2:
将剑麻纤维原料剪切成5~10 mm段，机械粉碎成绒状，取5g置于500 ml去离子水中，加热至50℃并持续2小时，适当冷却后抽滤；滤渣置于200 mL 5% H2SO4溶液中，加热至50℃并持续30分钟；冷却，抽滤，滤渣用去离子水洗至中性，所得滤渣在110℃烘干，备用。
取经上述处理后的剑麻纤维原料1.0g，与5.0g乙酸酐、10.0g冰乙酸、0.1 g浓硫酸混合均匀，加热至100℃并持续1小时；将反应溶液冷却，离心分离，上层清液倾入1 L去离子水中，充分搅拌后静置2小时；抽滤，将沉淀物用去离子水洗至中性，于100℃干燥，得浅杏色粉末状醋酸纤维素，表明该粉末状产品纯度较高，产品性能好。此醋酸纤维素的乙酰化度为41.6%，总取代度DS为2.64。
实施例3:
将剑麻纤维原料剪切成5~10 mm段，机械粉碎成绒状，取5g置于500ml去离子水中，加热至50℃并持续2小时，适当冷却后抽滤；滤渣置于200 mL 5% H2SO4溶液中，加热至50℃并持续30分钟；冷却，抽滤，滤渣用去离子水洗至中性，所得滤渣在110℃烘干，备用。
取经上述处理后的剑麻纤维1.0g，与2.0g乙酸酐、10.0g冰乙酸、0.1 g浓硫酸混合均匀，加热至50℃并持续3小时；将反应溶液冷却，离心分离，上层清液倾入1 L去离子水中，充分搅拌后静置5小时；抽滤，将沉淀物用去离子水洗至中性，于100℃干燥，得灰白色粉末状醋酸纤维素，表明该粉末状产品纯度较高，产品性能好。此醋酸纤维素的乙酰化度为41.0%，总取代度DS为2.58。
对比例1:
将剑麻纤维原料剪切成5~10 mm段，机械粉碎成绒状，取5g置于500ml去离子水中，加热至50℃并持续2小时，适当冷却后抽滤；滤渣在100℃烘干，备用。
取经上述处理后的剑麻纤维1.0g，与10g乙酸酐、10.0g冰乙酸混合均匀，加热到80℃并持续20分钟，加入0.1 g浓硫酸，继续保持100℃ 5小时；将反应溶液离心分离，上层清液倾入1 L去离子水中，充分搅拌后静置10小时；所得沉淀物很少，经抽滤、去离子水洗至中性，于110℃干燥，得极少量黄棕色粉末状产物。表明乙酰化产率很低，而且产品纯度不如实施例1~3。说明单纯用水加热法对剑麻纤维原料进行活化的方式，活化程度不足。
对比例2:
将剑麻纤维原料剪切成5~10 mm段，机械粉碎成绒状，取5g置于500ml去离子水中，加热至50℃并持续2小时，适当冷却后抽滤；滤渣置于200 mL 5% H2SO4溶液中，加热至50℃并持续30分钟；冷却，抽滤，滤渣用去离子水洗至中性，所得滤渣在110℃烘干，备用。
取经上述处理后的剑麻纤维1.0g，与10.0g乙酸酐、10.0g冰乙酸混合均匀，加热到100℃并持续60分钟，加入0.3 g浓硫酸，继续加热并维持100℃1小时；将反应溶液冷却，离心分离，上层清液倾入1 L去离子水中，充分搅拌后静置2小时；抽滤，将沉淀物用去离子水洗至中性，于100℃干燥，得褐色粉末状产物。表明该产品纯度和性能不如实施例1~3，催化剂浓硫酸的量相对过多。
对比例3:
将剑麻纤维原料剪切成5~10 mm段，机械粉碎成绒状，取5g置于500ml去离子水中，加热至50℃并持续2小时，适当冷却后抽滤；滤渣置于200 mL 5% H2SO4溶液中，加热至50℃并持续30分钟；冷却，抽滤，滤渣用去离子水洗至中性，所得滤渣在110℃烘干，备用。
取经上述处理后的剑麻纤维1.0g，与10.0g乙酸酐、10.0g冰乙酸混合均匀，加热到100℃并持续60分钟，加入0.02 g浓硫酸，继续加热并维持100℃1小时；将反应溶液冷却，离心分离，上层清液倾入1 L去离子水中，充分搅拌后静置2小时；抽滤，将沉淀物用去离子水洗至中性，于100℃干燥，得少量浅黄色粉末状产物。表明产率和产品纯度不如实施例1~3，催化剂浓硫酸的量相对不足。

Claims (7)

1.一种以剑麻纤维为原料制备醋酸纤维素的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1. 将剑麻纤维粉碎，置于水中加热，冷却后过滤，取滤渣置于硫酸溶液中加热，冷却后过滤，以水洗涤至中性，烘干，得活化后的剑麻纤维；
S2. 将S1中所得活化后的剑麻纤维与乙酰化剂、分散剂混合，加热反应一定时间，加入浓硫酸，继续加热反应完全，冷却后离心，取上层清液置于水中，搅拌、静置，使醋酸纤维素产物沉析、水解；
S3. 将S2所得沉析物过滤，滤渣用水洗涤至中性，干燥，即得所述醋酸纤维素；
S2中，所述乙酰化剂为乙酸酐，分散剂为冰乙酸；所述乙酸酐和冰乙酸的质量比为1：（1~5）；
S2中，活化后的剑麻纤维与乙酸酐的反应质量比为1：（2~10）；
S2中，活化后的剑麻纤维与浓硫酸的反应质量比为（10~30）：1；
S2中加热反应和继续加热反应的反应温度为80~120℃；
S1中，硫酸溶液的体积百分比浓度为3~8%，置于硫酸溶液中加热温度为40~60℃，加热时间为0.3~1h。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中，所述乙酸酐和冰乙酸的混合质量比为1：2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中，活化后的剑麻纤维与乙酸酐的反应质量比为1：5。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中，活化后的剑麻纤维与浓硫酸的反应质量比为20：1。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1中，按质量体积比计，所述剑麻纤维与水的混合比为1：（50~150）g/mL，S1中置于水中加热温度为30~50℃，加热时间为1~3h。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将S1中所得活化后的剑麻纤维与乙酰化剂、分散剂混合，加热反应时间为10min，加入浓硫酸，继续加热反应完全，冷却后离心。
7.权利要求1至6任一所述的方法制备得到的醋酸纤维素。
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