CN108715765B - 一种利用半纤维素乳液通过微通道反应装置制备半纤维素基保水剂的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用半纤维素乳液通过微通道反应装置制备半纤维素基保水剂的方法，它通过对黏胶纤维制备出半纤维素乳液，利用微通道反应装置，与接枝改性剂和交联剂制备得到半纤维素基保水剂。与现有技术相比，本发明产物分布均匀，有效降低半纤维素主链的解聚程度，交联反应时间短，能耗低，吸水倍率高且可控，可连续化生产，提高生产效率。
Description
技术领域
本发明属于生物基材料技术领域，具体涉及一种利用半纤维素乳液通过微通道反应装置制备半纤维素基保水剂的方法。
背景技术
半纤维素被认为是第二大最丰富的可再生生物聚合物，占生物量的约20-40％，由木糖，甘露糖，半乳糖，阿拉伯糖和葡萄糖等组成，目前研究较多的是将半纤维素直接水解成单糖，用以生产己糖，戊糖，木糖，木糖醇，生物乙醇等。实际上，其主链或接枝侧链上含有羧基，羟基等强亲水基团，与水可发生较强亲和作用。因此，半纤维素及其衍生物独特的生物活性及理化性质，可产生更高附加值，已经得到越来越多的关注。
半纤维素经过改性(醚化或酯化)后，接入更多亲水性基团如羟基，酰胺基，磺酸基，羧基等，改性后的半纤维素利用其超强亲水性质可应用于农林业做保水剂，用以改进土壤保水，保湿，保肥性能，改善根系周围水，肥，气，热等生理环境。传统的化学合成保水剂生产成本高，生物降解率低，易造成土壤环境污染；淀粉类保水剂虽然生产成本低，吸水倍数高，但不宜长期储存，且耐热性差，半纤维素基保水剂则具有生产成本低，吸水性强，耐盐性好，易降解，绿色环保等优点。
工业上获取半纤维素的途径包括粘胶纤维提取半纤维素，生物质碱提取半纤维素。本发明旨在利用粘胶纤维碱提取半纤维素，并作均质化物理改性，得到呈均相体系的半纤维素乳液，旨在水相环境中直接对其进行原位改性，使其结构更为舒展，产生更均匀分布的产物，提高产物得率，降低半纤维素主链的解聚程度，也免去干燥过程，降低原料成本，同时也降低了能耗。
为解决改性交联耗时较长，接枝改性剂，交联剂与粘胶纤维副产物混合不均匀肥等问题，采用了微通道反应装置，因为其具有微通道比表面积大、传热和传质速度快，流通过程呈持续流动态等优点，可极大减少化合物的过度团聚并实现较快反应速率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种利用半纤维素乳液通过微通道反应装置制备半纤维素基保水剂的方法，以解决现有技术存在的效果不佳等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种利用半纤维素乳液通过微通道反应装置制备半纤维素基保水剂的方法，它包括如下步骤：
(1)对黏胶纤维进行碱溶解后，分离得到半纤维素悬浮液，经均质得到半纤维素乳液；
(2)将步骤(1)中制备得到的半纤维素乳液和接枝改性剂溶液同时分别泵入微通道反应装置的第一微结构混合器中，混合均匀后通入微通道反应装置的第一微通道反应器中反应；
(3)将步骤(2)中反应所得产物和交联剂同时分别泵入微通道反应装置的第二微结构混合器中，混合均匀后通入微通道反应装置的第二微通道反应器中反应，反应所得产物与引发剂同时分别泵入微通道反应装置的第三微结构混合器中，混合后所得产物经蒸馏水浸泡后，干燥，即得。
步骤(1)中，在45～55℃下，将黏胶纤维浸渍于浓度为10～20wt％的NaOH水溶液中，浸渍24h后过滤，并经压榨除去碱纤维素后，即得半纤维素悬浮液。
步骤(1)中，所述的均质是指在将半纤维素悬浮液于高压匀质机中以700～1000转/分钟的速度均质20～30min。
步骤(1)中，所述的半纤维素乳液中，半纤维素的质量百分比为15～30％，优选20％。
步骤(2)中，所述的接枝改性剂溶液为丙烯酸水溶液、尿素水溶液、丙烯酸酯水溶液、丙烯酰胺水溶液、N-异丙基酰胺水溶液、氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液中的任意一种或几种的组合。
步骤(2)中，所述的接枝改性剂溶液优选为丙烯酸水溶液或2wt％的NaOH水溶液。
步骤(2)中，接枝改性剂和半纤维素乳液中半纤维素的质量比为0.4～8：1。
进一步的，当接枝改性剂溶液为丙烯酸水溶液时，接枝改性剂和半纤维素乳液中半纤维素的质量比为2～8：1，优选3～5：1；当接枝改性剂溶液为丙烯酸水溶液时，接枝改性剂和半纤维素乳液中半纤维素的质量比为0.4～1：1，优选0.7～0.8：1。
步骤(3)中，所述的交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、多乙二醇丙烯酸酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酰胺和环氧氯丙烷中的任意一种或几种的组合，优选为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺或环氧氯丙烷。
步骤(3)中，步骤(3)中，交联剂和半纤维素乳液中半纤维素的质量比为1～20：20～1000。
进一步的，当交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺时，交联剂的质量为接枝改性剂的质量的0.1～2.0％；更进一步的，当交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，接枝改性剂溶液为丙烯酸水溶液时，交联剂的质量为接枝改性剂的质量的0.5～0.8％。
进一步的，当交联剂为环氧氯丙烷时，交联剂和半纤维素乳液中半纤维素的质量比为1：20～30，优选为1：24～26。
步骤(3)中，所述的引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、过氧化氢、四价铈离子，偶氮二异丁腈中的任意一种或几种的组合，优选为过硫酸铵。
步骤(3)中，引发剂与半纤维素乳液中半纤维素的质量比为1：13～35，优选为1：22～27。
其中，第一微通道反应器中，温度为50～60℃，反应时间为5～20min；第二微通道反应器中，温度为70～90℃，反应时间为5～15min；第三微结构混合器中，混合时间为5～15min。
其中，所述的微通道反应器为T型弯曲通道式反应器或Y型交错人字式微结构反应器，优选Y型交错人字式微结构反应器；所述的微结构混合器为内交叉指型微混合器或撞击流微混合器，优选内交叉指型微混合器。
有益效果：
与现有技术相比，本发明产物分布均匀，有效降低半纤维素主链的解聚程度，交联反应时间短，能耗低，吸水倍率高且可控，可连续化生产，提高生产效率。
附图说明
图一为本发明中微通道反应装置的结构示意图；
图二为本发明的反应示意图。
具体实施方式
本发明中半纤维素乳液的制备是由黏胶纤维加入大量碱溶解(NaOH水溶液)出半纤维素，并将碱回收，得到半纤维素混悬溶液，通过高压匀质机以每分钟700～1000转的速度，反应20～30min，得到半纤维素乳液。
本发明中所述的微通道反应器包含通过管道依次串联的微结构混合器、微结构反应器。第一原料储罐和第二原料储罐分别通过泵与第一微结构混合器相连通，微结构混合器再与微结构反应器连通，微结构反应器由温度控制模块控制温度。微结构反应器出料口与第二进料口通过泵与第二微结构混合器连接，本发明可采用现有技术中的微通道反应装置，也可自行组装或直接从市场上购买。
吸水倍率的计算：
绝干保水剂放入去离子水中，放置足够长时间后达到溶胀平衡，去除表面水分，称重。吸水倍率v的计算公式如下：
V＝(m1-m2)/m
m1指试样吸水后的质量，单位为克(g)；
m2指空白试样的质量，单位为克(g)；
m指试样的质量，单位为克(g)；
实施例1
将40g丙烯酸缓慢加入盛有50g固含量为20％的半纤维素水溶液的烧杯中，并将烧杯置于磁力搅拌器上以50-60℃加热搅拌20min，将0.24g N,N,-亚甲基双丙烯酰胺，0.5g过硫酸铵分别缓慢倒入接枝后的半纤维素溶液加热搅拌15min，得到半纤维素基保水剂初产品，加入大量蒸馏水除去杂质，将将得到的初产品60℃烘干或-20℃--10℃冻干。
实施例2
采用同实施例1相同的条件，所不同的是，实施例2反应中使用的原料为通过粘胶纤维处理过的20％半纤维素乳液，得到对应的半纤维素基保水剂的吸水倍率，见表1。
表1实施例1～2中半纤维素基保水剂的吸水倍率检测结果
| 实施例 | 原料类型 | 交联剂/g | 引发剂/g | 接枝单体/g | 吸水倍率g/g |
| 1 | 半纤维素水溶液 | 0.24 | 0.5 | 40 | 2314 |
| 2 | 半纤维素乳液 | 0.24 | 0.5 | 40 | 2745 |
实施例3
将50g固含量为20％的半纤维素乳液，40g丙烯酸按照流速1:1泵入微通道反应设备中，温度为50-60℃，调整流速使反应时间在5-20min，然后将接枝后的半纤维素溶液与0.24g N,N,-亚甲基双丙烯酰胺依次泵入第二微结构反应器中反应，反应时间保持5-15min，反应物与0.5g过硫酸铵同时泵入第三微结构反应器，混合，在出料口搅拌，得到半纤维素基保水剂初产品。加入大量蒸馏水除去杂质，将得到的初产品60℃烘干或-20℃--10℃冻干。
实施例4-7
采用同实施例3相同的条件，所不同的是，实施例4中反应原料为固含量为20％半纤维素水溶液，实施例5～7反应的丙烯酸的用量分别为30g，50g，60g。得到对应的半纤维素基保水剂的吸水倍率，见表2。
表2实施例3～7中半纤维素基保水剂的吸水倍率检测结果
| 实施例 | 反应原料 | 交联剂/g | 引发剂/g | 接枝单体/g | 吸水倍率g/g |
| 3 | 半纤维素乳液 | 0.24 | 0.50 | 30 | 3368 |
| 4 | 半纤维素水溶液 | 0.24 | 0.50 | 30 | 2831 |
| 5 | 半纤维素乳液 | 0.24 | 0.50 | 40 | 7653 |
| 6 | 半纤维素乳液 | 0.24 | 0.50 | 50 | 5742 |
| 7 | 半纤维素乳液 | 0.24 | 0.50 | 60 | 3226 |
实施例8-11
采用同实施例1相同的条件，所不同的是，实施例8～11反应的N,N,-亚甲基双丙烯酰胺的用量分别为0.16g，0.32g，0.40g，0.48g，得到对应的半纤维素基保水剂的吸水倍率，见表3。
表3实施例8～11中半纤维素基保水剂的吸水倍率检测结果
实施例12-15
采用同实施例1相同的条件，所不同的是，实施例12～15反应的过硫酸铵用量分别为0.67g，0.4g，0.33g，0.29g，得到对应的半纤维素基保水剂的吸水倍率，见表4。
表4实施例12～15中半纤维素基保水剂的吸水倍率检测结果
| 实施例 | 交联剂/g | 引发剂/g | 接枝单体/g | 吸水倍率g/g |
| 12 | 0.24 | 0.67 | 40 | 6842 |
| 13 | 0.24 | 0.4 | 40 | 6948 |
| 14 | 0.24 | 0.33 | 40 | 5219 |
| 15 | 0.24 | 0.29 | 40 | 4390 |
实施例16
将50g固含量为20％的半纤维素溶液，与7.5g 2％NaOH溶液按照流速1:1泵入微通道反应设备中，温度为室温，调整流速使反应时间在20min，然后将碱化后的半纤维素溶液泵入第二微结构反应器中，将0.4g环氧氯丙烷逐滴泵入第二微结构反应器，反应时间保持15min，在出料口处搅拌数十分钟，得到半纤维素基保水剂初产品。用36％醋酸中和至中性，抽滤，然后用70％的异丙醇－水溶液洗涤三次，最后烘干，粉碎至40-100目。
实施例17-20
采用同实施例16相同的条件，所不同的是，实施例17～20反应的2％NaOH溶液用量分别为4g，6g，8g，10g，得到对应的半纤维素基保水剂的吸水倍率，见表4。
表5实施例16～20中半纤维素基保水剂的吸水倍率检测结果
实施例21-24
采用同实施例13相同的条件，所不同的是，实施例21～24反应的环氧氯丙烷用量分别为0.5g，0.45g，0.37g，0.33g，得到对应的半纤维素基保水剂的吸水倍率，见表6。
表6实施例21～24中半纤维素基保水剂的吸水倍率检测结果
| 实施例 | NaOH/g | 环氧氯丙烷/g | 吸水倍率g/g |
| 21 | 7.5 | 0.5 | 5192 |
| 22 | 7.5 | 0.45 | 5383 |
| 23 | 7.5 | 0.37 | 4308 |
| 24 | 7.5 | 0.33 | 3781 |
Claims (7)
1.一种利用半纤维素乳液通过微通道反应装置制备半纤维素基保水剂的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
(1)对黏胶纤维进行碱溶解后，分离得到半纤维素悬浮液，经均质得到半纤维素乳液；
(2)将步骤(1)中制备得到的半纤维素乳液和接枝改性剂同时分别泵入微通道反应装置的第一微结构混合器中，混合均匀后通入微通道反应装置的第一微通道反应器中反应；
(3)将步骤(2)中反应所得产物和交联剂同时分别泵入微通道反应装置的第二微结构混合器中，混合均匀后通入微通道反应装置的第二微通道反应器中反应，反应所得产物与引发剂同时分别泵入微通道反应装置的第三微结构混合器中，混合后所得产物经蒸馏水浸泡后，干燥，即得；
步骤(1)中，将黏胶纤维浸渍于NaOH水溶液中，充分浸渍后除去碱纤维素，即得半纤维素悬浮液；
步骤(1)中，所述的均质是指在将半纤维素悬浮液于匀质机中以700～1000转/分钟的速度均质20～30min；所述的半纤维素乳液中，半纤维素的质量百分比为15～30％；
步骤(3)中，第一微通道反应器中，温度为50～60℃，反应时间为5～20min；第二微通道反应器中，温度为70～90℃，反应时间为5～15min；第三微结构混合器中，混合时间为5～15min。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的接枝改性剂为丙烯酸。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，接枝改性剂和半纤维素乳液中半纤维素的质量比为0.4～8：1。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，交联剂和半纤维素乳液中半纤维素的质量比为1～20：20～1000。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的引发剂为过硫酸铵和过硫酸钾中的任意一种或几种的组合。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，引发剂与半纤维素乳液中半纤维素的质量比为1：13～35。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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