CN109575314B - 一种溶解纤维素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种溶解纤维素的方法，包括以下步骤：（一）混合：将纤维素固体与氢氧化钠、尿素、水在常温下混合，形成固液混合物；固液混合物中纤维素的质量分数为3～20%，氢氧化钠的质量分数为4～15%，尿素的质量分数为4～15%，余量为水；（二）降温：将固液混合物以每分钟降温0.2～5℃的速率从常温降至‑12～‑22℃，得到粘稠的纤维素溶液。本发明通过缓慢降温的方式将大量纤维素全部溶解到尿素、氢氧化钠水溶液中，从而制得浓度为3%～20%的纤维素溶液。该方法所用原料均廉价、无毒；本发明所制得纤维素溶液的浓度远远超过现有技术水平，整个过程具有简易、低成本、低能耗、低碳排放的优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种溶解纤维素的方法，属于自然资源加工及化工技术领域。
背景技术
纤维素是地球上最古老、最丰富、可再生的天然高分子，是取之不尽用之不竭的宝贵资源。纤维素是植物细胞壁的主要成分，木材、棉花、棉短绒、麦草、稻草、芦苇、麻、桑皮、楮皮和甘蔗渣等均含有大量纤维素。棉花的纤维素含量接近100%，为天然的最纯纤维素来源。一般木材中，纤维素占40～50%，还有10～30%的半纤维素和20～30%的木质素。
从分子结构来看，纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖。纤维素不能被消化吸收，既不溶于水，也不溶于稀碱溶液，又不溶于一般的有机溶剂。这种难溶解的特性使得以纤维素为原料的工业生产裹足不前。随着全球变暖的加剧、石油资源的日益匮乏，人们重新对纤维素加工加以重视，世界各国投入了大量科研资金和科技人员研究纤维素的利用技术，尤其是安全、低成本、低能耗的纤维素溶解技术。
中国专利ZL201010288782.5提到了一种溶解纤维素的方法，可将少量纤维素在急剧冷却条件下溶于尿素、氢氧化钠的水溶液（1～2分钟内完成溶解）。然而，这种方法对纤维素的溶解能力有限，溶液中纤维素的质量分数小于7%，需要消耗大量的氢氧化钠和尿素才能将少量纤维素溶解。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种溶解纤维素的方法，该方法通过缓慢降温的方式将大量纤维素全部溶解到尿素、氢氧化钠的水溶液中，可以根据需要得到不同浓度的纤维素溶液，最高浓度可达20%，并且消耗很少的尿素、氢氧化钠、水。
解决上述技术问题的技术方案是：一种溶解纤维素的方法，包括以下步骤：
（一）混合：将纤维素固体与氢氧化钠、尿素、水在常温下混合，形成固液混合物；固液混合物中纤维素的质量分数为3～20%，氢氧化钠的质量分数为4～15%，尿素的质量分数为4～15%，余量为水；
（二）降温：将固液混合物以每分钟降温0.2～5℃的速率从常温降至-12～-22℃，得到粘稠的纤维素溶液。
进一步的，步骤（一）中固液混合物中纤维素的质量分数为7.1～15%。
进一步的，步骤（一）中固液混合物中纤维素的质量分数为8～20%。
进一步的，步骤（一）中降温速率为每分钟降温0.2～2℃。
进一步的，步骤（二）中降温时间为1～3小时。
进一步的，所述纤维素为微晶纤维素、无定形纤维素中的一种或两种的组合。
本发明溶解纤维素的原理是：
在缓慢降温的环境中，纤维素固体能够按一定比例与尿素、氢氧化钠、水结合形成更稳定的物质，该物质可溶于水。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
所得纤维素溶液的质量浓度高于3%，最高可达到20%（最高浓度是现有技术最高浓度的近三倍），纤维素溶液的稳定性很好，可以在常压、室温环境下放置一周不变质；可以溶解微晶纤维素、无定形纤维素、木浆纤维素、纸浆纤维素、甘蔗渣纤维素等多种原料，即对原料的适应性很强；本发明对尿素、氢氧化钠、水的消耗量明显低于现有技术，可降低原料成本，并节约水资源。整个技术具有明显的成本优势和节水效果。
说明书附图
图1：本发明实施例一得到的半透明、粘稠的纤维素溶液照片。
图2：本发明实施例一得到的半透明、粘稠的纤维素溶液在100倍光学显微镜下拍摄的图像。
图3：本发明实施例二得到的半透明、粘稠的纤维素溶液在100倍光学显微镜下拍摄的图像。
图4：对比例一得到的纤维素不完全溶解的纤维素溶液照片。
图5：对比例一得到的纤维素不完全溶解的纤维素溶液在100倍光学显微镜下拍摄的图像。
图6：对比例二得到的纤维素不完全溶解的纤维素溶液在100倍光学显微镜下拍摄的图像。
具体实施方式
所需的设备主要有：冷冻机，耐碱装置，搅拌装置等。
实施例一
将1.2克微晶纤维素与1克氢氧化钠、1克尿素、8克水在20℃下混合，充分搅拌，形成固液混合物；将此固液混合物置于玻璃烧杯中，以每分钟降温1℃的速率从20℃降至-12℃，得到半透明、粘稠的纤维素溶液，其中纤维素质量浓度为10.7%，如附图1所示。在100倍光学显微镜下观察，未见到不溶解的纤维素颗粒，如附图2所示。
实施例二
将25.7克微晶纤维素与10克氢氧化钠、13克尿素、80克水在18℃下混合，充分搅拌，形成固液混合物；将此固液混合物置于塑料杯中，以每分钟降温0.7℃的速率从18℃降至-18℃，得到半透明、粘稠的纤维素溶液，其中纤维素质量浓度为20%。在100倍光学显微镜下观察，未见到不溶解的纤维素颗粒，如附图3所示。
实施例三
将1公斤微晶纤维素与1公斤氢氧化钠、2公斤尿素、10公斤水在20℃下混合，充分搅拌，形成固液混合物；将此固液混合物置于塑料桶中，以每分钟降温1.2℃的速率从常温20℃降至-20℃，得到半透明、粘稠的纤维素溶液，其中纤维素质量浓度为7.1%。
实施例四
将60克无定形纤维素与70克氢氧化钠、100克尿素、900克水在20℃下混合，充分搅拌，形成固液混合物；将此固液混合物置于玻璃烧杯中，以每分钟降温0.5℃的速率从常温20℃降至-16℃，得到半透明、粘稠的纤维素溶液，其中纤维素质量浓度为5.3%。
对比实验
对比例一
按照专利ZL00114485.5所述方法（急剧冷却），将1克氢氧化钠、1克尿素、8克水在20℃下混合，充分搅拌，制得无色透明溶液；将此溶液从常温20℃冷却至-12℃，向其中加入1.2克微晶纤维素，搅拌3分钟，肉眼可见到绝大部分纤维素不能溶解，混合物中含有大量白色固体，如附图4所示。在100倍光学显微镜下观察，可见大量未溶解的纤维素颗粒，如附图5所示。
本对比例说明，按照专利ZL00114485.5所述方法（急剧冷却）不能够制备纤维素完全溶解的质量浓度为10.7%的纤维素溶液。
对比例二
按照专利ZL00114485.5所述方法（急剧冷却），将1克氢氧化钠、1克尿素、8克水在20℃下混合，充分搅拌，制得无色透明溶液；将此溶液从常温20℃冷却至-13℃，向其中加入0.76克微晶纤维素，搅拌3分钟，肉眼可见到大部分纤维素不能溶解，混合物中含有大量白色固体。在100倍光学显微镜下可观察到很多未溶解的纤维素颗粒，如附图6所示。
本对比例说明，按照专利ZL00114485.5所述方法（急剧冷却）不能够制备纤维素完全溶解的质量浓度为7.1%的纤维素溶液。
对比例三
按照专利ZL00114485.5所述方法（急剧冷却），将1.5克氢氧化钠、1.5克尿素、8克水在常温下混合，充分搅拌，制得无色透明溶液；将此溶液从常温20℃冷却至-13℃，向其中加入0.76克微晶纤维素，搅拌2分钟，肉眼可见到大部分纤维素不能溶解，混合物中含有大量白色固体。
本对比例说明，按照专利ZL00114485.5所述方法（急剧冷却）不能够制备纤维素完全溶解的质量浓度为6.5%的纤维素溶液。
上述各实施例仅为效果较好的实现方式，除此之外，仍有许多类似方法可实现本发明，凡采用等同或等效替换的技术方案，均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种溶解纤维素的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（一）混合：将纤维素固体与氢氧化钠、尿素、水在常温下混合，形成固液混合物；固液混合物中纤维素的质量分数为7.1～20%，氢氧化钠的质量分数为4～15%，尿素的质量分数为4～15%，余量为水；
（二）降温：将固液混合物以每分钟降温0.2～1.2℃的速率从常温降至-12～-22℃，得到粘稠的纤维素溶液。
2.根据权利要求1所述的一种溶解纤维素的方法，其特征在于：步骤（一）中固液混合物中纤维素的质量分数为7.1～15%。
3.根据权利要求1所述的一种溶解纤维素的方法，其特征在于：步骤（一）中固液混合物中纤维素的质量分数为8～20%。
4.根据权利要求1所述的一种溶解纤维素的方法，其特征在于：步骤（二）中降温时间为1～3小时。
5.根据权利要求1所述的一种溶解纤维素的方法，其特征在于：所述纤维素为微晶纤维素、无定形纤维素中的一种或两种的组合。
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