CN109678972A - 一种2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高分子材料领域,公开了一种2,3‑二醛基‑6‑羧基纳米纤维素及其制备方法与应用。所述的2,3‑二醛基‑6‑羧基纳米纤维素的制备方法为:以植物纤维为原料,先用2,2,6,6‑四甲基哌啶氧化物(TEMPO)氧化纤维素的C6位置的伯醇羟基,再将其经超微盘磨处理数次,然后用高碘酸钠氧化纤维素吡喃式葡萄糖结构单元中的C2,C3位置,生产醛基,经冷冻干燥后得到2,3‑二醛基‑6‑羧基纳米纤维素。所述2,3‑二醛基‑6‑羧基纳米纤维素具有丰富的活性含氧官能团,易被修饰或改性制备纤维素衍生物,可以应用到抗菌材料、日用化学产品、工业废水处理和纺织品等众多应用领域。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料领域,具体涉及一种2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素及其制备方法与应用。
背景技术
纤维素是地球上最丰富的可再生资源,也是自然界中最丰富的天然高分子聚合物之一,具有价廉、可生物降解、对生态环境友好等优点,开发纤维素基功能材料得到了人们的普遍重视。纤维素除应用于造纸外,通过溶解体系发生均相反应,转化合成各种高值化材料,如羧甲基纤维素、醋酸纤维素等高附加值产品。此外,天然纤维素经改性后可制得性能优异的新材料,广泛应用于医药、日用化工、膜及塑料工业等领域。相关研究主要围绕纤维素物理、化学预处理和纤维素酯化、醚化、接枝共聚,选择性功能化以及生物改性等方面。
纳米纤维素也被称为纤维素纳米晶体,是一种直径为1~100nm,长度为几十到几百纳米的刚性棒状纤维素。与普通纤维素相比,由于CNC的高纯度、高结晶度、高杨氏模量、高强度等特性,其在材料合成上展示出了极高的杨氏模量和强度等性能,加之具有生物材料的轻质、可降解、生物相容及可再生等特性,使其在高性能复合材料中显示出巨大的应用前景。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足,本发明的首要目的在于提供一种2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素;
本发明的另一目的在于提供上述2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素的制备方法;
本发明的再一目的在于上述2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现:
一种2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素,其结构式如式(1)所示:
式(1):
其中,n为100~300的自然数。
上述的2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素的制备方法,包括如下步骤:
(1)以植物纤维为原料,用2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物/NaBr/NaClO氧化体系(TEMPO/NaBr/NaClO)氧化纤维素的C6位置的伯醇羟基,氧化后的纤维素用超微粒粉碎机处理数次,得到含C6-羧基的纳米纤维素;
(2)用高碘酸盐氧化步骤(2)中的含C6-羧基的纳米纤维素吡喃式葡萄糖结构单元中的C2和C3位置,生成醛基,经冷冻干燥后得到2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素。
优选的,步骤(1)中所述步骤(1)中所述植物纤维为木材纤维或/和非木材纤维,所述木材纤维为杨木纤维、桉木纤维和松木纤维中的至少一种,所述非木材纤维为稻草纤维、麦草纤维、芦苇纤维、玉米秆纤维和竹子纤维中的至少一种。
优选的,步骤(1)中TEMPO氧化体系反应为:每克绝干纤维素中添加TEMPO 0.005~0.1g,NaBr 0.01~1g,NaClO 1~10g;25℃下,pH约为10~11,100~1000r/min搅拌至pH保持不变。
优选的,步骤(1)中超微粒粉碎机处理条件为:浆浓为0.1~20%,盘磨间隙为-100~200μm,处理次数为10~100次。
优选的,步骤(2)中高碘酸盐氧化条件为:每克含C6-羧基的纳米纤维素中加入高碘酸盐1~5g,在40~80℃下避光反应1~3h,搅拌速度为100~1000r/min。
上述的2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素具有丰富的活性含氧官能团,易被修饰或改性制备功能性纤维素衍生物,可以应用到抗菌材料、日用化学产品、工业废水处理和纺织品等众多应用领域。
本发明2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素的制备过程如图1所示。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
本发明利用TEMPO和高碘酸钠对纤维素分子的选择性氧化,分别生成具有羧基和醛基的2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素。生成的2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素可以进一步通过银镜反应或者氧化剂氧化,生成分子链结构单元中含有三个羧基的纤维素衍生物,易于被改性或者修饰制备功能性材料。通过高度的选择性氧化手段将羧基和醛基同时组装到纤维素分子中,使纤维素含有丰富的活化官能团。
本发明所述的2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素因为表面含有丰富的羧基和醛基等活性化学官能团,提高纳米纤维的活性和稳定性,可以在水中长期均匀分散,无絮聚,也可以作为反应的模板或反应中间体,用于合成化学产品、制备生物医药、抗菌材料等领域,这也为纳米纤维素在功能材料及化学品领域的应用提供了新的思路。
附图说明
图1为2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素的制备过程示意图。
图2为纤维素和2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素的IR图谱。
图3为2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素的FE-SEM图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素,其制备方法如下:
(1)以杨木纤维为原料,用2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物/NaBr/NaClO氧化体系(TEMPO/NaBr/NaClO)氧化纤维素的C6位置的伯醇羟基,所述TEMPO氧化体系反应为:每克绝干纤维中添加TEMPO 0.005g,NaBr 0.01g,NaClO 1g;25℃下,pH约为10,100r/min搅拌至pH保持不变。氧化后的纤维素用超微粒粉碎机处理数10次,盘磨时浆浓为0.1%,盘磨间隙为-100μm,得到含C6-羧基的纳米纤维素;
(2)用高碘酸钠氧化步骤(2)中的含C6-羧基的纳米纤维素吡喃式葡萄糖结构单元中的C2,C3位置,生成醛基,经冷冻干燥后得到2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素。所述的高碘酸钠氧化条件为:每克含C6-羧基的纳米纤维素中加入高碘酸钠1g,在40℃下避光反应1h,搅拌速度为500r/min。
通过IR图谱证明本实施例最终产物为2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素。通过滴定法测得2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素中醛基和羧基含量分别为0.5mmol/g和0.4mmol/g。
实施例2
一种2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素,其制备方法如下:
(1)以竹子纤维为原料,用2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物/NaBr/NaClO氧化体系(TEMPO/NaBr/NaClO)氧化纤维素的C6位置的伯醇羟基,所述TEMPO氧化体系反应为:每克绝干纤维中添加TEMPO 0.01g,NaBr 0.05g,NaClO 5g;25℃下,pH约为10.5,500r/min搅拌至pH保持不变。氧化后的纤维素用超微粒粉碎机处理数100次,盘磨时浆浓为20%,盘磨间隙为100μm,得到含C6-羧基的纳米纤维素;
(2)用高碘酸钠氧化步骤(2)中的含C6-羧基的纳米纤维素吡喃式葡萄糖结构单元中的C2,C3位置,生成醛基,经冷冻干燥后得到2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素。所述的高碘酸钠氧化条件为:每克含C6-羧基的纳米纤维素中加入高碘酸钠2.5g,在60℃下避光反应1h,搅拌速度为100r/min。
通过IR图谱证明本实施例最终产物为2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素。通过滴定法测得2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素中醛基和羧基含量分别为1.2mmol/g和1.5mmol/g。
实施例3
一种2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素,其制备方法如下:
(1)以桉木纤维为原料,用2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物/NaBr/NaClO氧化体系(TEMPO/NaBr/NaClO)氧化纤维素的C6位置的伯醇羟基,所述TEMPO氧化体系反应为:每克绝干纤维中添加TEMPO 0.05g,NaBr 1g,NaClO 10g;25℃下,pH约为11,1000r/min搅拌至pH保持不变。氧化后的纤维素用超微粒粉碎机处理数50次,盘磨时浆浓为10%,盘磨间隙为200μm,得到含C6-羧基的纳米纤维素;
(2)用高碘酸钠氧化步骤(2)中的含C6-羧基的纳米纤维素吡喃式葡萄糖结构单元中的C2,C3位置,生成醛基,经冷冻干燥后得到2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素。所述的高碘酸钠氧化条件为:每克含C6-羧基的纳米纤维素中加入高碘酸钠5g,在80℃下避光反应1h,搅拌速度为1000r/min。
通过IR图谱证明本实施例最终产物为2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素。通过滴定法测得2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素中醛基和羧基含量分别为2.6mmol/g和3.1mmol/g。
实施例4
一种2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素,其制备方法如下:
(1)以松木纤维为原料,用2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物/NaBr/NaClO氧化体系(TEMPO/NaBr/NaClO)氧化纤维素的C6位置的伯醇羟基,所述TEMPO氧化体系反应为:每克绝干纤维中添加TEMPO 0.015g,NaBr 0.5g,NaClO 8g;25℃下,pH约为10,500r/min搅拌至pH保持不变。氧化后的纤维素用超微粒粉碎机处理数100次,盘磨时浆浓为5%,盘磨间隙为-100μm,得到含C6-羧基的纳米纤维素;
(2)用高碘酸钠氧化步骤(2)中的含C6-羧基的纳米纤维素吡喃式葡萄糖结构单元中的C2,C3位置,生成醛基,经冷冻干燥后得到2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素。所述的高碘酸钠氧化条件为:每克含C6-羧基的纳米纤维素中加入高碘酸钠2.5g,在80℃下避光反应3h,搅拌速度为500r/min。
通过IR图谱证明本实施例最终产物为2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素。通过滴定法测得2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素中醛基和羧基含量分别为3.4mmol/g和3.8mmol/g;松木纤维和2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素的红外图谱如图2所示;2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素的FE-SEM图如图3所示。
对实施例4制备的氧化纳米纤维素进行红外光谱分析,如图2所示。本实施例制备的氧化的红外图谱在1728cm-1附近的吸收峰属于醛基结构中的C=O特征吸收峰,但是该峰在松木纤维素的红外光谱中没有出现,说明实施例制备的纤维素衍生物中含有醛基。松木纤维和本实施例制备的氧化纳米纤维素的红外图谱中在1620cm-1处出现羧基中的C=O吸收峰,证明在本实施例制备的氧化纳米纤维素中含有羧基。由于TEMPO和高碘酸钠两者分别特定氧化纤维素C6和C2-C3位置,以上结果表明生成得到目标产物2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素。本实施例所制备的2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素的FE-SEM图如图3所示,直径为10-50nm,分散均匀,无絮聚。
实施例5、2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素醛基和羧基含量的测试
对实施例1~4制备得到的2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素进行醛基和羧基含量的测试。
(1)醛基含量检测
根据盐酸羟胺滴定法测量醛基含量(AC)。通过与盐酸羟胺反应,醛基转化为肟。将0.1g的2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素分解在50ml去离子水中,并将pH调节至4.5。将羟胺盐酸盐(20mL,0.25mol/L,pH=4.5)加入到2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素分散液中,在室温下进行反应24小时。最后,用0.1mol/L NaOH滴定直至pH变为4.5,用羟胺盐酸盐溶液作为空白对照组。计算公式如下:
AC=CV/m(mmol/g)
式中:AC为醛基含量(mmol/g),c为氢氧化钠浓度(0.1mol/L);V为氢氧化钠溶液的消耗体积,mL;m为烘干样品的重量,g。
(2)羧基含量检测
通过电导滴定计算羧基含量。将0.5g氧化纤维素在15mL 0.01mol/L HCl溶液中浸渍1小时。去离子水洗涤后加入100mL 0.001mol/L NaCl溶液中。在滴定前加入200μL0.1mol/L HCl。以50μl/次的速度滴加0.1mol/L NaOH溶液并记录电导率值。羧基含量由下式计算:
羧基含量=(CNaOH×VNaOH)/WS(mmol/g)
式中:CNaOH是滴定剂浓度(mol/L),VNaOH是等电点间消耗的NaOH体积(mL),WS是用于滴定的样品干重(g)。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素,其特征在于结构式如式(1)所示:
式(1):
其中,n为100~1000的自然数。
2.权利要求1所述的2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)以植物纤维为原料,用2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物/NaBr/NaClO氧化体系氧化纤维素的C6位置的伯醇羟基,氧化后的纤维素用超微粒粉碎机处理数次,得到含C6-羧基的纳米纤维素;
(2)用高碘酸盐氧化步骤(2)中的含C6-羧基的纳米纤维素吡喃式葡萄糖结构单元中的C2和C3位置,生成醛基,经冷冻干燥后得到2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素。
3.根据权利要求2所述的2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述植物纤维为木材纤维或/和非木材纤维,所述木材纤维为杨木纤维、桉木纤维和松木纤维中的至少一种,所述非木材纤维为稻草纤维、麦杆纤维、芦苇纤维、玉米秆纤维和竹子纤维中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述TEMPO氧化体系反应为:每克绝干纤维素中添加TEMPO 0.005~0.1g,NaBr0.01~1g,NaClO 1~10g;25℃下,pH为10~11,100~1000r/min搅拌至pH保持不变。
5.根据权利要求2所述的2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述的超微粒粉碎机处理条件为:浆浓为0.1~20%,盘磨间隙为-100~200μm,处理次数为10~100次。
6.根据权利要求2所述的2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素的制备方法,其特征在于:步骤(2)所述的高碘酸盐氧化条件为:每克含C6-羧基的纳米纤维素中加入高碘酸盐1~5g,在40~80℃下避光反应1~3h,搅拌速度为100~1000r/min。
7.权利要求1所述的2,3-二醛基-6-羧基纳米纤维素在抗菌材料、日用化学产品、工业废水处理和纺织品领域中的应用。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190426 |
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