CN108676099A - 一种氧化细菌纤维素溶液的制备方法 - Google Patents

一种氧化细菌纤维素溶液的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氧化细菌纤维素溶液的制备方法，属于细菌纤维素的溶解领域。本发明的制备方法包括步骤如下：将细菌纤维素进行纯化、粉碎、匀浆并超声处理后，经过TEMPO/NaBr/NaClO的混合氧化体系氧化后，洗涤，经干燥粉碎或经除水后，得到氧化细菌纤维素粉末或氧化细菌纤维素浆，所述氧化细菌纤维素粉末或氧化细菌纤维素浆经碱性溶解剂水溶液溶解后，经低温静置冷冻并解冻后，得到透明的氧化细菌纤维素溶液。该制备方法简单易行，工艺控制容易，且试剂用量较少，节约成本，本方法可以将纤维素有效溶解，直接得到氧化细菌纤维素溶液，可广泛应用于包装，生物医学材料、智能水凝胶、膜制备，制备特定形状水凝胶等领域，拓宽了细菌纤维素的应用领域。

Description

一种氧化细菌纤维素溶液的制备方法
技术领域
本发明属于细菌纤维素的溶解领域，具体涉及一种氧化细菌纤维素溶液的制备方法。
背景技术
细菌纤维素是一类可降解的材料，与植物纤维素相比，细菌纤维素具有更高的化学纯度、合成速度快、以及合成过程可控制等优点，但是细菌纤维素具有高结晶度、聚合度以及分子内氢键与分子间氢键，这就造成了细菌纤维素很难溶解，目前，开发新型的纤维素绿色环保溶剂以及工艺成为了纤维素产业发展的重要方向。
目前，随着科技的进步以及人类社会对健康的重视，能够对外界环境条件变化做出响应的智能生物材料成为了科学研究的前沿领域，这些材料被广泛用于药物传递、药物缓释、以及伤口敷料的制备中，因此纤维素在应用之前，往往需要对纤维素进行改性，由于细菌纤维素以上众多的优异性能，使其成为了制备智能材料的重要候选前体之一，但由于其高结晶度、高聚合度、强烈的分子间氢键以及分子内氢键，使得即使经过改性的细菌纤维素也很难对外界环境变化做出响应。
在溶解细菌纤维素的研究中，前人做了很多努力，如申请号为201010598451.1的发明专利“一种高聚合度细菌纤维素的溶解方法”公开了用质量份数为65％-80％的ZnCl2水溶液溶解细菌纤维素的方法，虽然可以实现对细菌纤维素的溶解，但该方法药品用量很大，成本较高。专利申请号为200910016899.5的发明专利“溶解细菌纤维素的方法”公开了一种用咪唑基氯盐离子液体溶解细菌纤维素，溶解过程操作繁琐且保护且咪唑基氯盐用量较大。专利申请号为200910019950.8的发明专利“一种溶解细菌纤维素的方法”公开了先将细菌纤维素用乙二胺进行活化，然后用氯化锂/二甲基乙酰胺混合液体溶解，此方法操作过程繁琐，药品用量较大，成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种氧化细菌纤维素溶液的制备方法，该制备方法简单易行，工艺控制容易，且试剂用量较少，节约成本，本方法可以将纤维素有效溶解，直接得到氧化细菌纤维素溶液，可广泛应用于包装，生物医学材料、智能水凝胶、膜制备，制备特定形状水凝胶等领域，拓宽了细菌纤维素的应用领域。
一种氧化细菌纤维素溶液的制备方法，其特征在于：包括步骤如下：
将细菌纤维素进行纯化、粉碎、匀浆并超声处理后，经过TEMPO/NaBr/NaClO的混合氧化体系氧化后，洗涤，经干燥粉碎或经除水后，得到氧化细菌纤维素粉末或氧化细菌纤维素浆，所述氧化细菌纤维素粉末或氧化细菌纤维素浆经碱性溶解剂水溶液溶解后，经低温静置冷冻并解冻后，得到透明的氧化细菌纤维素溶液。
优选地，一种氧化细菌纤维素溶液的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)将细菌纤维素进行纯化、粉碎、匀浆并超声处理，得到细菌纤维素匀浆；
(2)向所述细菌纤维素匀浆中加入TEMPO/NaBr/NaClO的混合氧化体系混合，当反应pH不再变化时，用无水乙醇终止反应，得到氧化细菌纤维素；每克细菌纤维素干重(g)对应的TEMPO、NaBr、NaClO的添加量(mol)为，TEMPO添加量为0.05-0.15mmol/g，NaBr添加量为0.5-3mmol/g，氧化剂NaClO添加量为5-15mmol/g；
(3)将所述氧化细菌纤维素洗涤至中性并进行干燥、粉碎，得到氧化细菌纤维素粉末，或经过高速离心除水，得到氧化细菌纤维素浆；
(4)向步骤(3)得到的氧化细菌纤维素粉末或氧化细菌纤维素浆中加入碱性溶解剂，搅拌混匀，所述碱性溶解剂与氧化细菌纤维素干重(烘干至恒重)的质量比为15.5-99：1。
(5)将步骤(4)制备得到的氧化细菌纤维素混合体系置于-10℃--30℃条件下放置24-36h，15-30℃条件下解冻，得到透明的氧化细菌纤维素溶液。
优选地，所述步骤(1)中，所述纯化具体操作方法如下：使用碱溶液对发酵所得的细菌纤维素进行纯化直至乳白色并用清水洗涤至中性；所述碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种。
优选地，所述步骤(1)中，所述粉碎、匀浆的具体操作方法如下：将经纯化的细菌纤维素用组织捣碎机匀浆并超声处理30-120min，所述组织捣碎机转速为6000-12000r/m，匀浆时间为10-20min；所述超声功率为400-1000w，超声时间为0.5h-4h。
进一步地，所述步骤(2)中，所述BC的干重质量是以烘干至恒重的质量计，以下所称的BC干重均为以烘干至恒重的质量的BC干重。
进一步地，所述步骤(2)中，TEMPO/NaBr/NaClO的混合氧化体系中，添加有水，水的添加量质量比与BC干重质量比为：100ml：1g。
优选地，所述步骤(2)中，所述TEMPO/NaBr/NaClO氧化体系的初始pH值为11.5-13。
优选地，所述步骤(2)中，所述TEMPO/NaBr/NaClO氧化体系与BC的反应体系的pH保持在10.5-11范围内。
优选地，所述步骤(2)中，所述无水乙醇的添加量与BC干重比例为：2.5-10ml：1g，其添加量以BC干重计，即每克BC干重中的无水乙醇用量为2.5-10ml。
优选地，所述步骤(3)的干燥方法为自然风干，冷冻干燥，鼓风干燥。
优选地，所述步骤(3)中，经高速离心除水，使氧化细菌纤维含水率为88％-98％。
优选地，所述步骤(3)中，所述粉碎的具体操作方法为：利用粉碎机进行粉碎并收集粉末，所述粉碎机转速为12000-20000r/min，离心5-10min。
优选地，所述步骤(4)中，所述碱性溶解剂具体为碱性溶解剂水溶液，其具体组成为氢氧化钠/尿素溶解剂水溶液、氢氧化锂/尿素溶解剂水溶液、氢氧化钠/尿素/硫脲溶解剂水溶液或氢氧化锂/尿素/硫脲溶解剂水溶液中的一种，所述氢氧化钠占溶解剂水溶液质量百分比为6-8％，所述氢氧化锂占溶解剂水溶液质量百分比为6-8％，尿素占溶解剂水溶液质量百分比为8-12％，硫脲占溶解剂的质量百分比为8-12％。
优选地，所述步骤(4)中，所述搅拌时间为5-20min。
有益效果：
1、本发明的氧化细菌纤维素高效溶解方法，制备方法简便，溶解过程简单，工艺控制容易，且在药品用量较少的情况下获得高溶解度的氧化细菌纤维素，显著降低制备成本，提高溶解效率。
2、利用本发明方法溶解得到的氧化细菌纤维素溶液具有高溶解率、高透明度、较低体系粘度的特性，其细菌纤维素溶液均呈现均相透明状态，溶解率均高达98％以上。
3、本发明制备的氧化细菌纤维素溶液具有高度稳定性，在4℃环境中可保存4-6个月而未有沉淀析出，且溶液呈透明状态。
4、绿色环保：本发明的制备方法全程无有毒有害物质产生，且溶剂无挥发等特性，且当用交联剂交联所制备的氧化细菌纤维素溶液后，可进行溶解剂的回收。
5、应用性能突出，应用范围广：本发明的方法可以将细菌纤维素C6位羟基改性为羧基，同时获得显著溶解性能的氧化细菌纤维素溶液，显著提高了细菌纤维素的应用性能。
本发明所制备的氧化细菌纤维素溶液可用于膜，包装材料，尤其是可制备任意形态或者特定形状水凝胶、及智能水凝胶的制备，因氧化细菌纤维素溶液的均一性，可有效提高其在制备水凝胶过程中的生产效率。
附图说明
图1为利用本发明方法制备的氧化细菌纤维素溶液，其中，(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)分别由实施例1-7制备的氧化细菌纤维素溶液。
具体实施方式
实施例1
(1)将纯化后的细菌纤维素用组织捣碎机捣碎，组织捣碎机转速为6000r/min，组织捣碎时间为20min，在400W下超声4h。
(2)在100ml蒸馏水中溶解0.05mmol/gTEMPO和0.5mmol/gNaBr(以干细菌纤维素计)，将配制的溶液倒入从(1)中得到的匀浆BC中，并加入5mmol/g NaClO(以BC干重计)，使反应体系的pH保持在10.5-11范围内，当反应体系的pH值不在变化时，5ml/g用无水乙醇终止反应，此时可以得到氧化细菌纤维素，用蒸馏水将得到的氧化细菌纤维素洗涤至中性，无水乙醇用量为2.5-5ml/g。
(3)将(2)中得到的氧化细菌纤维素冷冻干燥，并用粉碎机重新粉碎成粉末，粉碎机转速为15000r/min。
(4)配制氧化细菌纤维素的碱性溶解剂水溶液，溶解剂水溶液含6％的NaoH和8％尿素(质量分数)。
(5)取1g(3)中得到的绝干的氧化细菌纤维素粉末放入到99g(4)中得到的碱性溶解剂水溶液中，搅拌5min使两者混合均匀。
(6)将(5)中得到的含有氧化细菌纤维素的溶解液放入到-15℃冷冻24h，在室温下解冻，即可得到质量分数为1％的氧化细菌纤维素溶液，该细菌纤维素溶液基本完全溶解，且溶液形态呈现均相透明，溶解率约为99％，透明度较高，体系粘度较小见附图1(a)，从图中可以看出，在背景图打印有文字的基础上，通过氧化细菌纤维素溶液可以清楚的投射过来，以此说明其具有和清水相似的透明度(以下实施例2-7制备的氧化细菌纤维素溶液也具有同样的透明度)。在4℃环境中可保存6个月而未有沉淀析出，且溶液仍呈现透明状态。
实施例2
(1)将纯化后的细菌纤维素用组织捣碎机捣碎，组织捣碎机转速为8000r/min，组织捣碎时间为15min，在1000W下超声30min。
(2)在100ml蒸馏水中溶解0.05mmol/gTEMPO和1mmol/gNaBr(以BC干重计)，将配制的溶液倒入从(1)中得到的匀浆BC中，并加入10mmol/g NaClO(以BC干重计)，使反应体系的pH保持在10.5-11范围内，当反应体系的pH值不在变化时，5ml/g用无水乙醇终止反应，此时可以得到氧化细菌纤维素，用蒸馏水将得到的氧化细菌纤维素洗涤至中性，无水乙醇用量为5-6ml/g。
(3)将(2)中得到的氧化细菌纤维素进行鼓风干燥，并用粉碎机重新粉碎成粉末，粉碎机转速15000r/min。
(4)配制氧化细菌纤维素的碱性溶解剂水溶液，碱性溶解剂水溶液含6％的氢氧化锂和8％尿素(质量分数)。
(5)取2g(3)中得到的绝干的氧化细菌纤维素粉末放入到98g(4)中得到的碱性溶解剂水溶液中，搅拌5min使两者混合均匀。
(6)将(5)中得到的含有氧化细菌纤维素的溶解液放入到-30℃冷冻30h，在室温下解冻，即可得到质量分数为2％的氧化细菌纤维素溶液，溶解率约为99％，见附图1(b)。在4℃环境中可保存6个月而未有沉淀析出，且溶液仍呈现透明状态。
实施例3
(1)将纯化后的细菌纤维素用组织捣碎机捣碎，组织捣碎机转速为12000r/min，组织捣碎时间为10min，在800W下超声1h。
(2)在100ml蒸馏水中溶解0.1mmol/gTEMPO和1mmol/gNaBr(以BC干重计)，将配制的溶液倒入从(1)中得到的匀浆BC中，并加入10mmol/g NaClO(以BC干重计)，使反应体系的pH保持在10.5-11范围内，当反应体系的pH值不在变化时，5ml/g用无水乙醇终止反应，此时可以得到氧化细菌纤维素，用蒸馏水将得到的氧化细菌纤维素洗涤至中性，无水乙醇用量为5-8ml/g。
(3)将(2)中得到的氧化细菌纤维素进行自然风干，并用粉碎机重新粉碎成粉末，粉碎机转速为18000r/min。
(4)配制氧化细菌纤维素的碱性溶解剂水溶液，溶解液含6％的NaoH、8％尿素及6％硫脲(质量分数)。
(5)取4g(3)中得到的绝干的氧化细菌纤维素粉末放入到96g(4)中得到的碱性溶解剂水溶液中，搅拌5min使两者混合均匀。
(6)将(5)中得到的含有氧化细菌纤维素的溶解液放入到-20℃冷冻24h，在室温下解冻，即可得到质量分数为4％的氧化细菌纤维素溶液,溶解率约为98.5％，见附图1(c)。在4℃环境中可保存4-6个月而未有沉淀析出，且溶液仍呈现透明状态。
实施例4
(1)将纯化后的细菌纤维素用组织捣碎机捣碎，组织捣碎机转速为10000r/min，组织捣碎时间为12min，在600W下超声2h。
(2)在100ml蒸馏水中溶解0.15mmol/gTEMPO和1.5mmol/gNaBr(以BC干重计)，将配制的溶液倒入从(1)中得到的匀浆BC中，并加入15mmol/g NaClO(以BC干重计)，使反应体系的pH保持在10.5-11范围内，当反应体系的pH值不在变化时，5ml/g用无水乙醇终止反应，此时可以得到氧化细菌纤维素，用蒸馏水将得到的氧化细菌纤维素洗涤至中性，无水乙醇用量为3-6ml/g。
(3)将(2)中得到的氧化细菌纤维素进行冷冻干燥，并用粉碎机重新粉碎成粉末，粉碎机转速为20000r/min。
(4)配制氧化细菌纤维素的碱性溶解剂水溶液，溶解液含8％的氢氧化锂、12％尿素及8％硫脲(质量分数)。
(5)取6g(3)中得到的绝干的氧化细菌纤维素粉末放入到94g(4)中得到的碱性溶解剂水溶液中，搅拌15min使两者混合均匀。
(6)将(5)中得到的含有氧化细菌纤维素的溶解液放入到-20℃冷冻36h，在室温下解冻，即可得到质量分数为6％的氧化细菌纤维素溶液，溶解率约为98％，见附图1(d)。在4℃环境中可保存6个月而未有沉淀析出，且溶液仍呈现透明状态。
实施例5
(1)将纯化后的细菌纤维素用组织捣碎机捣碎，组织捣碎机转速为9000r/min，
组织捣碎时间为18min，在500W下超声3h。
(2)在100ml蒸馏水中溶解0.1mmol/gTEMPO和0.5mmol/gNaBr(以BC干重计)，将配制的溶液倒入从(1)中得到的匀浆BC中，并加入8mmol/g NaClO(以BC干重计)，使反应体系的pH保持在10.5-11范围内，当反应体系的pH值不在变化时，5ml/g用无水乙醇终止反应，此时可以得到氧化细菌纤维素，用蒸馏水将得到的氧化细菌纤维素洗涤至中性。
(3)将(2)中得到的氧化细菌纤维素，进行冷冻干燥，并用粉碎机重新粉碎成粉末，粉碎机转速为17000r/min。
(4)配制氧化细菌纤维素的碱性溶解剂水溶液，溶解液含6％的NaoH和8％硫脲(质量分数)。(5)取2g(3)中得到的绝干的氧化细菌纤维素粉末放入到98g(4)中得到的碱性溶解剂水溶液中，搅拌5min使两者混合均匀。
(6)将(5)中得到的含有氧化细菌纤维素的溶解液放入到-20℃冷冻24h，在室温下解冻，即可得到质量分数为2％的氧化细菌纤维素溶液，溶解率约为99％，见附图1(e)。在4℃环境中可保存6个月而未有沉淀析出，且溶液仍呈现透明状态。
实施例6
(1)将纯化后的细菌纤维素用组织捣碎机捣碎，组织捣碎机转速为9000r/min，组织捣碎时间为13min，在450W下超声3.5h。
(2)在100蒸馏水中溶解0.1mmol/gTEMPO和1mmol/gNaBr(以BC干重计)，将配制的溶液倒入从(1)中得到的匀浆BC中，并加入12mmol/g NaClO(以BC干重计)，使反应体系的pH保持在10.5-11范围内，当反应体系的pH值不在变化时，5ml/g用无水乙醇终止反应，此时可以得到氧化细菌纤维素，用蒸馏水将得到的氧化细菌纤维素洗涤至中性。
(3)将(2)中得到的氧化细菌纤维素进行冷冻干燥，并用粉碎机重新粉碎成粉末，粉碎机转速为16000r/min。
(4)配制氧化细菌纤维素的碱性溶解剂水溶液，溶解液含8％的氢氧化锂和12％硫脲(质量分数)。(5)取4g(3)中得到的绝干的氧化细菌纤维素粉末放入到96g(4)中得到的碱性溶解剂水溶液中，搅拌5min使两者混合均匀。
(6)将(5)中得到的含有氧化细菌纤维素的溶解液放入到-20℃冷冻24h，在室温下解冻，即可得到质量分数为4％的氧化细菌纤维素溶液，溶解率约为98.5％，见附图1(f)。在4℃环境中可保存6个月而未有沉淀析出，且溶液仍呈现透明状态。
实施例7
(1)将纯化后的细菌纤维素用组织捣碎机捣碎，组织捣碎机转速为6000r/min，组织捣碎时间为20min，在400W下超声4h。
(2)在100ml蒸馏水中溶解0.05mmol/gTEMPO和0.3mmol/gNaBr(以BC干重计)，将配制的溶液倒入从(1)中得到的匀浆BC中，并加入4mmol/g NaClO(以BC干重计)，使反应体系的pH保持在10.5-11范围内，当反应体系的pH值不在变化时，5ml/g用无水乙醇终止反应，此时可以得到氧化细菌纤维素，用蒸馏水将得到的氧化细菌纤维素洗涤至中性。
(3)将(2)中得到的氧化细菌纤维素离心，离心机转速转速为12000r/min，离心时间为10min，使得最终湿BC的含水率在4％。
(4)配制氧化细菌纤维素的碱性溶解剂水溶液，溶解液含12％的NaoH和16％尿素((5)取(3)中得到的氧化细菌纤维素与等质量比的步骤(4)的碱性溶解剂水溶液，搅拌5min使两者混合均匀。
(6)将(5)中得到的含有氧化细菌纤维素的溶解液放入到-20℃冷冻24h，在室温下解冻，即可得到质量分数为2％的氧化细菌纤维素溶液，溶解率约为99％见附图1(g)。在4℃环境中可保存6个月而未有沉淀析出，且溶液仍呈现透明状态。

Claims (10)

1.一种氧化细菌纤维素溶液的制备方法，其特征在于：包括步骤如下：
将细菌纤维素进行纯化、粉碎、匀浆并超声处理后，经过TEMPO/NaBr/NaClO的混合氧化体系氧化后，洗涤，经干燥粉碎或经除水后，得到氧化细菌纤维素粉末或氧化细菌纤维素浆，所述氧化细菌纤维素粉末或氧化细菌纤维素浆经碱性溶解剂溶解后，经低温静置冷冻并解冻后，得到透明的氧化细菌纤维素溶液。
2.如权利要求1所述的一种氧化细菌纤维素溶液的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)将细菌纤维素进行纯化、粉碎、匀浆并超声处理，得到细菌纤维素匀浆；
(2)向所述细菌纤维素匀浆中加入TEMPO/NaBr/NaClO的混合氧化体系，混合，当反应pH不再变化时，用无水乙醇终止反应，得到氧化细菌纤维素；每克细菌纤维素干重对应的TEMPO、NaBr、NaClO的添加量为：TEMPO添加量为0.05-0.15mmol/g，NaBr添加量为0.5-3mmol/g，氧化剂NaClO添加量为5-15mmol/g；
(3)将所述氧化细菌纤维素洗涤至中性并进行干燥、粉碎，得到氧化细菌纤维素粉末，或经过高速离心除水，得到氧化细菌纤维素浆；
(4)向步骤(3)得到的氧化细菌纤维素粉末或氧化细菌纤维素浆中加入碱性溶解剂，搅拌混匀，所述碱性溶解剂与氧化细菌纤维素干重的质量比为15.5-99：1；
(5)将步骤(4)制备得到的氧化细菌纤维素混合体系置于-10℃--30℃条件下放置24-36h，15-30℃条件下解冻，得到氧化细菌纤维素溶液。
3.如权利要求2所述的一种氧化细菌纤维素溶液的制备方法，其特征在于：
所述步骤(1)中，所述粉碎、匀浆的具体操作方法如下：将经纯化的细菌纤维素用组织捣碎机匀浆并超声处理30-120min，所述组织捣碎机转速为6000-12000r/m，匀浆时间为10-20min；所述超声功率为400-1000w，超声时间为0.5h-4h。
4.如权利要求2所述的一种氧化细菌纤维素溶液的制备方法，其特征在于：
所述步骤(2)中，TEMPO/NaBr/NaClO的混合氧化体系中，添加有水，水的添加质量与BC干重质量比为：100ml：1g。
5.如权利要求2所述的一种氧化细菌纤维素溶液的制备方法，其特征在于：
所述步骤(2)中，所述无水乙醇的添加量与BC干重比例为：2.5-10ml：1g。
6.如权利要求2所述的一种氧化细菌纤维素溶液的制备方法，其特征在于：
所述步骤(3)的干燥方法为自然风干，冷冻干燥，鼓风干燥。
7.如权利要求2所述的一种氧化细菌纤维素溶液的制备方法，其特征在于：
所述步骤(3)中，经高速离心除水，使氧化细菌纤维含水率为88％-98％。
8.如权利要求2所述的一种氧化细菌纤维素溶液的制备方法，其特征在于：
所述步骤(3)中，所述粉碎的具体操作方法为：利用粉碎机进行粉碎并收集粉末，所述粉碎机转速为12000-20000r/min，离心5-10min。
9.如权利要求2所述的一种氧化细菌纤维素溶液的制备方法，其特征在于：
所述步骤(4)中，所述碱性溶解剂为氢氧化钠/尿素溶解剂水溶液、氢氧化锂/尿素溶解剂水溶液、氢氧化钠/尿素/硫脲溶解剂水溶液或氢氧化锂/尿素/硫脲溶解剂水溶液中的一种，所述氢氧化钠占溶解剂水溶液质量百分比为6-8％，所述氢氧化锂占溶解剂水溶液质量百分比为6-8％，尿素占溶解剂水溶液质量百分比为8-12％，硫脲占溶解剂的质量百分比为8-12％。
10.如权利要求2所述的一种氧化细菌纤维素溶液的制备方法，其特征在于：
所述步骤(4)中，所述搅拌时间为5-20min。
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