CN107938025A - 一种改性壳聚糖纤维丝的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改性壳聚糖纤维丝的制备方法，通过对壳聚糖微观化学结构进行接枝改性，增加了材料的柔韧性以及纤维表面的粗糙度，提高了材料的颗粒物吸附容量和效率，旨在使该材料在保持高分子材料聚合物原有性能的基础上，增加空气净化效率和使用寿命，提高了空气净化材料的生物降解性能，同时有效的利用了生活垃圾废弃物，达到绿色环保的目的。
Description
技术领域
本发明涉及材料科学与环保技术领域，具体涉及一种可生物降解的用于空气净化器滤材的改性壳聚糖纤维丝的制备方法。
背景技术
近年来，随着人们环保和健康意识的增强，对于空气中的可吸入颗粒物污染的防护，尤其是PM2.5的防护非常重视，防雾霾产品例如空气净化器的需求也日益增加。其中，以物理净化为主要原理的空气净化器的净化效果得到人们的广泛认可，这种类型的空气净化器的核心是净化滤材的性能，制作滤布、滤网的材料成为提高空气污染物净化性能的关键之一，在某种程度上，材料的发展决定着空气净化器的净化效率的高低。目前，空气净化器滤材的主流材料通常使用聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维等化学合成纤维，这是因为这些纤维种类成本较低，易于加工，然而存在废弃的滤材难以处理，不易生物降解，造成二次环境污染的问题。
对于可吸入颗粒物的净化过滤性能评价，一方面要求对污染物的吸附能力较强，另一方面还需要在净化吸附效率较高的前提下，过滤材料拥有较大的吸附容量和较长的使用寿命，而吸附容量主要取决于材料的比表面积，比表面积越大，可以吸附容纳的颗粒物就越多，吸附量就越大，但对于化学合成纤维而言，其微观结构是表面光滑的细丝状，比表面积没有太多的提升空间，只能通过宏观上的加大加厚滤布用量来提高污染物吸附容量和滤材寿命的问题，而加大滤布的用量，一方面会增加生产成本，另一方面还会增加空气阻力，使空气净化器运行过程中的噪音变大，用户体验感变差。
而可生物降解的天然纤维在微观化学结构上具有较粗糙的表面，其比表面积比较大，对污染颗粒物的吸附性能更佳，而且可自然降解，既能提高空气净化器的净化效率，又环保且能降低成产成本
甲壳素又名甲壳质，学名几丁质(chitin)，是一种直链天然氨基多糖，也是目前发现的唯一带有正电荷的可食性动物纤维。每年天然甲壳素的产量高达干亿吨之多，海洋生物中甲壳素产量达100亿吨以上，是自然界中数量仅次于纤维素的第二大天然生物质材料。作为结构物质，甲壳素主要分布于真菌、原生生物和无脊椎动物，在高等动物则主要分布于关节、蹄、足等以及肌肉与骨的接合处。长期以来，由于甲壳素不溶于水、稀酸、稀碱和大多数有机溶剂的惰性特点，一直没有受到应有重视。但近几十年来，随着生命科学和生物技术的巨大进步，甲壳素的理化特性、生物活性和功能特点逐渐被人们所认识，特别是甲壳素及其衍生物作为一种新型原料和材料在制药、组织工程、精细化工、材料与纺织工业、食品工业、农业以及环境保护诸多方面的应用价值，正在被快速地展现出来，受到人们的广泛关注，其产业化的深度和广度正在蓬勃推进，而其对人体和环境有益无害的“绿色原料”特性，更是符合时代潮流，得到了人们的青睐，展示了非常美好的市场前景。
壳聚糖(chitosan)，又称脱乙酰甲壳素，是由自然界广泛存在的几丁质(chitin)经过脱乙酰作用得到的，化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖。壳聚糖已经在医药、食品、化工、化妆品、水处理、金属提取及回收、生化和生物医学工程等诸多领域的应用研究取得了重大进展。目前，壳聚糖的生产原料主要来源是虾蟹壳，先从中提取甲壳素，再脱乙酰得到壳聚糖。
克氏原螯虾广泛存在于我国的江河湖泽、水塘湿地以及沟渠等长年水分充足的地方，由于我国人们具有喜爱虾蟹等水产品的饮食习惯，中国虾壳废弃物年产量居亚洲第一，其中仅有一小部分被利用，绝大多数被作为生活垃圾堆积掩埋，造成了严重资源浪费，近年来人们对克氏原螯虾的需求量逐年增大，与之相应的则是每年产生的废弃虾壳的数量也是十分庞大的，这些废弃虾壳采集收集方便容易、成本低、甲壳素含量高，如果能够合理的加以利用使其产生较高价值，不仅能减少环境污染，充分利用废弃物，也是社会中一笔价值不菲的财富。
发明内容
针对目前空气净化器滤材在降低生产成本和颗粒污染物吸附性能方面的不足以及现今大量克氏原螯虾的废弃虾壳没有得到有效合理的利用的不足，本发明提供了一种可生物降解的用于空气净化器滤材的改性壳聚糖纤维丝的制备方法，旨在使该材料在保持高分子材料聚合物原有性能的基础上，增加空气净化效率和使用寿命，提高了空气净化材料的生物降解性能，同时有效的利用了生活垃圾废弃物，达到绿色环保的目的。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的一种可生物降解的用于空气净化器滤材的改性壳聚糖纤维丝的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)取克氏原螯虾外壳清洗、烘干、粉碎后加入过量的2mol/L盐酸溶液浸泡反应24h，过滤得到固体，水洗至中性，将所得固体加入过量的50g/L氢氧化钠溶液在大约90℃-95℃下处理5小时，过滤后加入适量的无水乙醇洗涤，干燥得到天然甲壳素，称取所得天然甲壳素和水放入反应容器中，搅拌使天然甲壳素分散到水中，形成均匀的悬浊溶液，天然甲壳素和水的重量比为1；(7-8)；
(2)将悬浊溶液升高温度到50℃，滴加双氧水和醋酸混合溶液，在40min内滴加完；在60-70℃温度下搅拌3-4h，得低分子量甲壳素半澄清溶液；双氧水和醋酸混合溶液中，双氧水的质量百分比浓度为50％、醋酸的质量百分比浓度为60％；双氧水和醋酸混合溶液总重量为悬浊溶液重量的3.0-4.5％；
(3)在低分子量甲壳素半澄清溶液中加入氢氧化钠溶液，保持体系温度在65-70℃，搅拌20h，形成均一、澄清的低聚壳聚糖溶液；氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为50％；低分子量甲壳素半澄清溶液与氢氧化钠溶液的重量比为(1.9-2.1)；1；
(4)将所得低聚壳聚糖溶液加热到温度为65-70℃，滴加环氧乙烷，在40-60min内滴加完毕；环氧乙烷用量为低聚壳聚糖溶液质量的5％；
(5)加完环氧乙烷后，升高溶液温度到80-85℃反应4-5h后，加入分子量调节剂继续反应3-4h，自然冷却到环境温度，在反应容器中熟化2-3小时；冷冻干燥后得到改性壳聚糖；
(6)将改性壳聚糖溶解到适量的醋酸溶剂中制得纺丝溶液，以氢氧化钠溶液为凝固浴，通过湿法纺丝得到改性壳聚糖纤维丝。
所述的纤维丝直径在50微米以下。
优选的，所述的纤维丝直径在15纳米-50微米之间。
优选的，所述的纤维丝直径在15纳米-30微米之间。
优选的，所述的纤维丝直径在50纳米-10微米之间。
优选的，所述的纤维丝直径在50纳米-200纳米之间。
优选的，所述的纤维丝直径为75纳米。
与现有技术比，本发明的有益效果是：
该改性壳聚糖纤维丝使用了天然纤维素材料，可通过生物降解法进行自然降解，不会对环境造成污染，具有较高的环保性能，壳聚糖纤维具有抗菌活性和吸湿性，能够起到杀菌和调节室内湿度的作用，通过对壳聚糖微观化学结构进行接枝改性，增加了材料的柔韧性以及纤维表面的粗糙度，提高了材料的颗粒物吸附容量和效率，成型容易，成型工艺简单，符合空气净化器滤材的各种要求，可较好的应用于空气净化器滤材技术领域，生产成本较低，市场推广价值好。
本发明所得的改性壳聚糖纤维丝制备的空气过滤材料对粒径小于2.5微米的污染物颗粒的过滤效率均在95％以上，符合空气净化器过滤材料的效率要求，再生效率也在95％以上。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
实施例1
一种可生物降解的用于空气净化器滤材的改性壳聚糖纤维丝的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)取克氏原螯虾外壳清洗、烘干、粉碎后加入过量的2mol/L盐酸溶液浸泡反应24h，过滤得到固体，水洗至中性，将所得固体加入过量的50g/L氢氧化钠溶液在大约90℃下处理5小时，过滤后加入适量的无水乙醇洗涤，干燥得到天然甲壳素，称取所得天然甲壳素和水放入反应容器中，搅拌使天然甲壳素分散到水中，形成均匀的悬浊溶液，天然甲壳素和水的重量比为1；7；
(2)将悬浊溶液升高温度到50℃，滴加双氧水和醋酸混合溶液，在40min内滴加完；在60℃温度下搅拌3h，得低分子量甲壳素半澄清溶液；双氧水和醋酸混合溶液中，双氧水的质量百分比浓度为50％、醋酸的质量百分比浓度为60％；双氧水和醋酸混合溶液总重量为悬浊溶液重量的3.0％；
(3)在低分子量甲壳素半澄清溶液中加入氢氧化钠溶液，保持体系温度在65℃，搅拌20h，形成均一、澄清的低聚壳聚糖溶液；氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为50％；低分子量甲壳素半澄清溶液与氢氧化钠溶液的重量比为1.9；1；
(4)将所得低聚壳聚糖溶液加热到温度为65℃，滴加环氧乙烷，在40min内滴加完毕；环氧乙烷用量为低聚壳聚糖溶液质量的5％；
(5)加完环氧乙烷后，升高溶液温度到80℃反应4h后，加入分子量调节剂继续反应3h，自然冷却到环境温度，在反应容器中熟化2小时；冷冻干燥后得到改性壳聚糖；
(6)将改性壳聚糖溶解到适量的醋酸溶剂中制得纺丝溶液，以氢氧化钠溶液为凝固浴，通过湿法纺丝得到改性壳聚糖纤维丝。
所述的纤维丝直径在15纳米-50微米之间。
经测试，由所得改性壳聚糖纤维丝制备的空气过滤材料对粒径小于2.5微米的污染物颗粒的过滤效率为99％，符合空气净化器过滤材料的效率要求，再生效率在98％。
实施例2
一种可生物降解的用于空气净化器滤材的改性壳聚糖纤维丝的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)取克氏原螯虾外壳清洗、烘干、粉碎后加入过量的2mol/L盐酸溶液浸泡反应24h，过滤得到固体，水洗至中性，将所得固体加入过量的50g/L氢氧化钠溶液在大约92℃下处理5小时，过滤后加入适量的无水乙醇洗涤，干燥得到天然甲壳素，称取所得天然甲壳素和水放入反应容器中，搅拌使天然甲壳素分散到水中，形成均匀的悬浊溶液，天然甲壳素和水的重量比为1∶7.5；
(2)将悬浊溶液升高温度到50℃，滴加双氧水和醋酸混合溶液，在40min内滴加完；在65℃温度下搅拌3h，得低分子量甲壳素半澄清溶液；双氧水和醋酸混合溶液中，双氧水的质量百分比浓度为50％、醋酸的质量百分比浓度为60％；双氧水和醋酸混合溶液总重量为悬浊溶液重量的3.5％；
(3)在低分子量甲壳素半澄清溶液中加入氢氧化钠溶液，保持体系温度在70℃，搅拌20h，形成均一、澄清的低聚壳聚糖溶液；氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为50％；低分子量甲壳素半澄清溶液与氢氧化钠溶液的重量比为2.0∶1；
(4)将所得低聚壳聚糖溶液加热到温度为70℃，滴加环氧乙烷，在60min内滴加完毕；环氧乙烷用量为低聚壳聚糖溶液质量的5％；
(5)加完环氧乙烷后，升高溶液温度到85℃反应5h后，加入分子量调节剂继续反应4h，自然冷却到环境温度，在反应容器中熟化3小时；冷冻干燥后得到改性壳聚糖；
(6)将改性壳聚糖溶解到适量的醋酸溶剂中制得纺丝溶液，以氢氧化钠溶液为凝固浴，通过湿法纺丝得到改性壳聚糖纤维丝。
所述的纤维丝直径在15纳米-30微米之间。
经测试，由所得改性壳聚糖纤维丝制备的空气过滤材料对粒径小于2.5微米的污染物颗粒的过滤效率为98％，符合空气净化器过滤材料的效率要求，再生效率在99％。
实施例3
一种可生物降解的用于空气净化器滤材的改性壳聚糖纤维丝的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)取克氏原螯虾外壳清洗、烘干、粉碎后加入过量的2mol/L盐酸溶液浸泡反应24h，过滤得到固体，水洗至中性，将所得固体加入过量的50g/L氢氧化钠溶液在大约93℃下处理5小时，过滤后加入适量的无水乙醇洗涤，干燥得到天然甲壳素，称取所得天然甲壳素和水放入反应容器中，搅拌使天然甲壳素分散到水中，形成均匀的悬浊溶液，天然甲壳素和水的重量比为1∶8；
(2)将悬浊溶液升高温度到50℃，滴加双氧水和醋酸混合溶液，在40min内滴加完；在70℃温度下搅拌4h，得低分子量甲壳素半澄清溶液；双氧水和醋酸混合溶液中，双氧水的质量百分比浓度为50％、醋酸的质量百分比浓度为60％；双氧水和醋酸混合溶液总重量为悬浊溶液重量的4.0％；
(3)在低分子量甲壳素半澄清溶液中加入氢氧化钠溶液，保持体系温度在70℃，搅拌20h，形成均一、澄清的低聚壳聚糖溶液；氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为50％；低分子量甲壳素半澄清溶液与氢氧化钠溶液的重量比为2.0∶1；
(4)将所得低聚壳聚糖溶液加热到温度为70℃，滴加环氧乙烷，在50min内滴加完毕；环氧乙烷用量为低聚壳聚糖溶液质量的5％；
(5)加完环氧乙烷后，升高溶液温度到85℃反应5h后，加入分子量调节剂继续反应4h，自然冷却到环境温度，在反应容器中熟化3小时；冷冻干燥后得到改性壳聚糖；
(6)将改性壳聚糖溶解到适量的醋酸溶剂中制得纺丝溶液，以氢氧化钠溶液为凝固浴，通过湿法纺丝得到改性壳聚糖纤维丝。
所述的纤维丝直径在50纳米-10微米之间。
经测试，由所得改性壳聚糖纤维丝制备的空气过滤材料对粒径小于2.5微米的污染物颗粒的过滤效率为97％，符合空气净化器过滤材料的效率要求，再生效率在98％。
实施例4
一种可生物降解的用于空气净化器滤材的改性壳聚糖纤维丝的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)取克氏原螯虾外壳清洗、烘干、粉碎后加入过量的2mol/L盐酸溶液浸泡反应24h，过滤得到固体，水洗至中性，将所得固体加入过量的50g/L氢氧化钠溶液在大约95℃下处理5小时，过滤后加入适量的无水乙醇洗涤，干燥得到天然甲壳素，称取所得天然甲壳素和水放入反应容器中，搅拌使天然甲壳素分散到水中，形成均匀的悬浊溶液，天然甲壳素和水的重量比为1∶8；
(2)将悬浊溶液升高温度到50℃，滴加双氧水和醋酸混合溶液，在40min内滴加完；在65℃温度下搅拌3h，得低分子量甲壳素半澄清溶液；双氧水和醋酸混合溶液中，双氧水的质量百分比浓度为50％、醋酸的质量百分比浓度为60％；双氧水和醋酸混合溶液总重量为悬浊溶液重量的3.5％；
(3)在低分子量甲壳素半澄清溶液中加入氢氧化钠溶液，保持体系温度在70℃，搅拌20h，形成均一、澄清的低聚壳聚糖溶液；氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为50％；低分子量甲壳素半澄清溶液与氢氧化钠溶液的重量比为1.9∶1；
(4)将所得低聚壳聚糖溶液加热到温度为70℃，滴加环氧乙烷，在55min内滴加完毕；环氧乙烷用量为低聚壳聚糖溶液质量的5％；
(5)加完环氧乙烷后，升高溶液温度到82℃反应5h后，加入分子量调节剂继续反应4h，自然冷却到环境温度，在反应容器中熟化2小时；冷冻干燥后得到改性壳聚糖；
(6)将改性壳聚糖溶解到适量的醋酸溶剂中制得纺丝溶液，以氢氧化钠溶液为凝固浴，通过湿法纺丝得到改性壳聚糖纤维丝。
所述的纤维丝直径在50纳米-200纳米之间。
经测试，由所得改性壳聚糖纤维丝制备的空气过滤材料对粒径小于2.5微米的污染物颗粒的过滤效率为99％，符合空气净化器过滤材料的效率要求，再生效率在99％。
实施例5
一种可生物降解的用于空气净化器滤材的改性壳聚糖纤维丝的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)取克氏原螯虾外壳清洗、烘干、粉碎后加入过量的2mol/L盐酸溶液浸泡反应24h，过滤得到固体，水洗至中性，将所得固体加入过量的50g/L氢氧化钠溶液在大约95℃下处理5小时，过滤后加入适量的无水乙醇洗涤，干燥得到天然甲壳素，称取所得天然甲壳素和水放入反应容器中，搅拌使天然甲壳素分散到水中，形成均匀的悬浊溶液，天然甲壳素和水的重量比为1∶8；
(2)将悬浊溶液升高温度到50℃，滴加双氧水和醋酸混合溶液，在40min内滴加完；在70℃温度下搅拌3h，得低分子量甲壳素半澄清溶液；双氧水和醋酸混合溶液中，双氧水的质量百分比浓度为50％、醋酸的质量百分比浓度为60％；双氧水和醋酸混合溶液总重量为悬浊溶液重量的3.0％；
(3)在低分子量甲壳素半澄清溶液中加入氢氧化钠溶液，保持体系温度在65℃，搅拌20h，形成均一、澄清的低聚壳聚糖溶液；氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为50％；低分子量甲壳素半澄清溶液与氢氧化钠溶液的重量比为2.1∶1；
(4)将所得低聚壳聚糖溶液加热到温度为70℃，滴加环氧乙烷，在60min内滴加完毕；环氧乙烷用量为低聚壳聚糖溶液质量的5％；
(5)加完环氧乙烷后，升高溶液温度到85℃反应5h后，加入分子量调节剂继续反应4h，自然冷却到环境温度，在反应容器中熟化3小时；冷冻干燥后得到改性壳聚糖；
(6)将改性壳聚糖溶解到适量的醋酸溶剂中制得纺丝溶液，以氢氧化钠溶液为凝固浴，通过湿法纺丝得到改性壳聚糖纤维丝。
所述的纤维丝直径为75纳米。
经测试，由所得改性壳聚糖纤维丝制备的空气过滤材料对粒径小于2.5微米的污染物颗粒的过滤效率为97％，符合空气净化器过滤材料的效率要求，再生效率在98％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种改性壳聚糖纤维丝的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：(1)取克氏原螯虾外壳清洗、烘干、粉碎后加入过量的2mol/L盐酸溶液浸泡反应24h，过滤得到固体，水洗至中性，将所得固体加入过量的50g/L氢氧化钠溶液在大约90℃-95℃下处理5小时，过滤后加入适量的无水乙醇洗涤，干燥得到天然甲壳素，称取所得天然甲壳素和水放入反应容器中，搅拌使天然甲壳素分散到水中，形成均匀的悬浊溶液，天然甲壳素和水的重量比为1∶(7-8)；(2)将悬浊溶液升高温度到50℃，滴加双氧水和醋酸混合溶液，在40min内滴加完；在60-70℃温度下搅拌3-4h，得低分子量甲壳素半澄清溶液；双氧水和醋酸混合溶液中，双氧水的质量百分比浓度为50％、醋酸的质量百分比浓度为60％；双氧水和醋酸混合溶液总重量为悬浊溶液重量的3.0-4.5％；(3)在低分子量甲壳素半澄清溶液中加入氢氧化钠溶液，保持体系温度在65-70℃，搅拌20h，形成均一、澄清的低聚壳聚糖溶液；氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为50％；低分子量甲壳素半澄清溶液与氢氧化钠溶液的重量比为(1.9-2.1)∶1；(4)将所得低聚壳聚糖溶液加热到温度为65-70℃，滴加环氧乙烷，在40-60min内滴加完毕；环氧乙烷用量为低聚壳聚糖溶液质量的5％；(5)加完环氧乙烷后，升高溶液温度到80-85℃反应4-5h后，加入分子量调节剂继续反应3-4h，自然冷却到环境温度，在反应容器中熟化2-3小时；冷冻干燥后得到改性壳聚糖；(6)将改性壳聚糖溶解到适量的醋酸溶剂中制得纺丝溶液，以氢氧化钠溶液为凝固浴，通过湿法纺丝得到改性壳聚糖纤维丝。
2.根据权利要求1所述的一种改性壳聚糖纤维丝的制备方法，其特征在于，所述的纤维丝直径在50微米以下。
3.根据权利要求2所述的一种改性壳聚糖纤维丝的制备方法，其特征在于，所述的纤维丝直径在15纳米-50微米之间。
4.根据权利要求2所述的一种改性壳聚糖纤维丝的制备方法，其特征在于，所述的纤维丝直径在15纳米-30微米之间。
5.根据权利要求2所述的一种改性壳聚糖纤维丝的制备方法，其特征在于，所述的纤维丝直径在50纳米-10微米之间。
6.根据权利要求2所述的一种改性壳聚糖纤维丝的制备方法，其特征在于，所述的纤维丝直径在50纳米-200纳米之间。
7.根据权利要求2所述的一种改性壳聚糖纤维丝的制备方法，其特征在于，所述的纤维丝直径为75纳米。
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