CN112175095A

CN112175095A - 一种三元低共熔溶剂体系磺化改性纤维素的方法

Info

Publication number: CN112175095A
Application number: CN202011189992.9A
Authority: CN
Inventors: 杨桂花; 和铭; 马光瑞; 陈嘉川; 张凯; 齐乐天
Original assignee: Qilu University of Technology
Current assignee: Qilu University of Technology
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2040-10-30
Also published as: CN112175095B

Abstract

本发明提供了一种三元低共熔溶剂体系磺化改性纤维素的方法，将氨基磺酸、尿素及氯化胆碱制备成三元低共熔溶剂，将纤维素加入至三元低共熔溶剂中进行反应。本发明方法中将低共熔溶剂与磺化改性相结合，是一种磺化效果显著的纤维素改性方法，同时实现了改性剂循环使用极大的降低了生产成本。本方法操作简单，适宜于规模化的生产。这为纤维素的高值化利用提供新思路和新方法，为获得改性纤维素制备提供了新方法。

Description

一种三元低共熔溶剂体系磺化改性纤维素的方法

技术领域

本发明属于纤维素、低共熔溶剂领域，涉及一种三元低共熔溶剂体系磺化改性纤维素的方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

纤维素的分子式为(C₆H₁₀O₅)_n，是由D-吡喃式葡萄糖单元通过β(1→4)糖苷键连接而成的天然聚合物。天然纤维素的结构特点是在它的分子间和分子内存在着很多氢键并具有较高的结晶度，因而纤维素一般不溶于有机溶剂和水。同时还有不耐化学腐蚀等缺点，导致了其在应用过程中受到了许多的限制。纤维素丰富的羟基，因此可以利用羟基的活性在一定条件下进行纤维素的氧化、酯化、醚化反应。经过氧化、酯化、醚化等反应后可以在葡萄糖基环上引入很多其他结构的基团，导致了纤维素性能的变化。将天然纤维素进行改性处理可以对纤维素进行充分的利用，对未来能源的发展具有重要的意义。

已经有研究者尝试了多种方法来实制备改性纤维素，如羧甲基纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素等。但发明人研究发现，这些改性方式过程烦琐且化学改性剂无法循环使用，不仅造成了资源的浪费，同时还会因废液处理增加成本。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种三元低共熔溶剂体系磺化改性纤维素的方法，能够使低共熔溶剂与磺化改性相结合，纤维素磺化效果显著，同时实现了改性剂循环使用，极大的降低了生产成本。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一方面，一种三元低共熔溶剂体系，由氨基磺酸、尿素及氯化胆碱制备成三元低共熔溶剂。

另一方面，一种上述三元低共熔溶剂体系在磺化改性纤维素中的应用。

本发明提供的三元低共熔溶剂体系中，氨基磺酸-尿素-氯化胆碱三者间可通过强氢键作用在低温下互溶形成稳定体系。加入纤维素后，一方面体系可减弱纤维内氢键的相互作用力，实现纤维的润胀，另一方面可以与纤维上官能团反应实现改性的目的。

第三方面，一种三元低共熔溶剂体系磺化改性纤维素的方法，将氨基磺酸、尿素及氯化胆碱制备成三元低共熔溶剂，将纤维素加入至三元低共熔溶剂中进行反应。

本发明采用利用三元低共熔溶剂能够在室温下直接对纤维素进行磺化改性。反应条件温和，磺化效果较好。

第四方面，一种改性纤维素，由上述方法制备获得。

第五方面，一种上述改性纤维素在污水处理、造纸、食品、印刷、化妆品、油井钻探或杂化材料领域中的应用。

本发明的有益效果为：

(1)本发明采用氨基磺酸、尿素及氯化胆碱配制三元DES体系，配制的DES的温度低，时间短。

(2)本发明采用氨基磺酸、尿素及氯化胆碱配制三元DES体系磺化改性纤维素，磺化效果好，且DES可回收循环利用。

(3)本发明中的三元DES体系中的氨基磺酸能够在磺化改性过程中提供磺酸基团，成本低且作用效果好。

(4)本发明提供的改性方法简单、成本低、具有普适性，易于规模化生产。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例的工艺流程图。

图2为本发明的实施例4纤维改性后的扫描电镜图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

鉴于现有纤维素改性过程烦琐且改性剂无法循环使用，本发明提出了一种三元低共熔溶剂体系磺化改性纤维素的方法。

本发明的一种典型实施方式，提供了一种三元低共熔溶剂体系，由氨基磺酸、尿素及氯化胆碱制备成三元低共熔溶剂。

本发明研究发现：在DES的配制过程中，氨基磺酸、尿素及氯化胆碱的不同摩尔比会对其共熔效果产生巨大影响，因此，在一些实施例中，所述氨基磺酸、尿素及氯化胆碱以1:2～5:0.9～1.1摩尔比混合。

制备三元低共熔溶剂的过程为，将氨基磺酸、尿素及氯化胆碱混合后加热搅拌，获得澄清透明溶液即可。本发明研究发现：配制DES的温度及搅拌速率对配制效果有重要影响，因此，在一些实施例中，制备过程中，温度为50～80℃，搅拌速率为150～300rpm。该条件下有效地提高了DES的配制效果。

本发明的另一种实施方式，提供了一种上述三元低共熔溶剂体系在磺化改性纤维素中的应用。

本发明的第三种实施方式，提供了一种三元低共熔溶剂体系磺化改性纤维素的方法，将氨基磺酸、尿素及氯化胆碱制备成三元低共熔溶剂，将纤维素加入至三元低共熔溶剂中进行反应。

本申请研究发现：加入DES中纤维素的量以及处理时间会对磺化效果产生巨大影响。因此，在一些实施例中，所述加入纤维素的量为：纤维素与氨基磺酸的质量比为1:6～12。

在一些实施例中，加入纤维素后的反应时间为0.5～2h。

在一些实施例中，反应后加入水终止反应。

在一种或多种实施例中，水的加入量为反应体系体积的1～3倍。

在一种或多种实施例中，将反应后的纤维素分离、洗涤。

在一种或多种实施例中，分离后的滤液进行旋蒸回收三元低共熔溶剂。

在一种或多种实施例中，旋蒸温度为50～70℃，转速为30～100rpm。

本发明的第四种实施方式，提供了一种改性纤维素，由上述方法制备获得。

在一些实施例中，取代度为0.1～0.14，改性处理后纤维素的宽度在13.50～13.83μm。

本发明的第五种实施方式，提供了一种上述改性纤维素在污水处理、造纸、食品、印刷、化妆品、油井钻探或杂化材料领域中的应用。

原理说明：氨基磺酸-尿素-氯化胆碱三者间可通过强氢键作用在低温下互溶形成稳定体系。加入纤维素后，一方面体系可减弱纤维内氢键的相互作用力，实现纤维的润胀，另一方面可以与纤维上官能团反应实现改性的目的。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例1

1.调配三元低共熔溶剂体系：氨基磺酸、尿素、氯化胆碱以1:2:1摩尔比混合。

2.低温溶解，选用水浴加热溶解。处理条件为：水浴溶解温度为60℃，搅拌速率为200rpm，静置时间为12h。

3.纤维素改性，纤维素与氨基磺酸的质量比为1:9，加入纤维素后的反应时间为0.5h。

4.终止反应，加入3倍于反应体系的水终止反应。

5.洗涤纤维，用水洗涤2次反应后的纤维素，过滤后回收滤液。

6.回收DES，采用旋蒸蒸发仪回收，回收条件为：旋蒸温度为60℃，转速为100rpm。制备过程如图1所示。

本实施例制得的纤维取代度为0.1，纤维的重均宽度为13.54μm，扭结程度为14.62(见表1)。

实施例2

1.调配三元低共熔溶剂体系：氨基磺酸、尿素、氯化胆碱以1:3:1摩尔比混合。

2.低温溶解，选用水浴加热溶解。处理条件为：水浴溶解温度为50℃，搅拌速率为200rpm，静置时间为12h。

3.纤维素改性，纤维素与氨基磺酸的质量比为1:10，加入纤维素后的反应时间为1h。

4.终止反应，加入2倍于反应体系的水终止反应。

5.洗涤纤维，用水洗涤3次反应后的纤维素，过滤后回收滤液。

6.回收DES，采用旋蒸蒸发仪回收，回收条件为：旋蒸温度为60℃，转速为100rpm。

本实施例制得的纤维取代度为0.12，纤维的重均宽度为13.63μm，扭结程度为10.82(见表1)。

实施例3

2.低温溶解，选用水浴加热溶解。处理条件为：水浴溶解温度为50℃，搅拌速率为300rpm，静置时间为12h。

3.纤维素改性，纤维素与氨基磺酸的质量比为1:12，加入纤维素后的反应时间为2h。

4.终止反应，加入1倍于反应体系的水终止反应。

本实施例制得的纤维取代度为0.124，纤维的重均宽度为13.64μm，扭结程度为10(见表1)。

实施例4

2.低温溶解，选用水浴加热溶解。处理条件为：水浴溶解温度为60℃，搅拌速率为250rpm，静置时间为12h。

3.纤维素改性，纤维素与氨基磺酸的质量比为1:10，加入纤维素后的反应时间为2h。

4.终止反应，加入2倍于反应体系的水终止反应。

6.回收DES，采用旋蒸蒸发仪回收，回收条件为：旋蒸温度为70℃，转速为100rpm。

本实施例制得的纤维素，如图2所示。其中，取代度为0.14，纤维的重均宽度为13.83μm，扭结程度为6.19(见表1)。

对比例1

1.调配二元低共熔溶剂体系：氨基磺酸、尿素以1：2摩尔比混合。

2.水浴溶解温度为80℃，搅拌速率为250rpm，再加热至150℃，反应0.5h，静置时间为24h。

3.纤维素改性，纤维素与氨基磺酸的质量比为1:12，加入纤维素后的反应时间为0.5h。

4.终止反应，加入2倍于反应体系的水终止反应。

6.回收DES，采用旋蒸蒸发仪回收，回收条件为：旋蒸温度为70℃，转速为70rpm。

本对比例制得的纤维素取代度为0.08，纤维的重均宽度为13.52μm，扭结程度为20.1。

表1实施例1～4改性纤维素的表征结果

	取代度	重均宽度/μm	扭结程度
				纤维素原料	0	13.5	41.17
实施例1	0.10	13.54	14.62
				实施例2	0.12	13.63	10.82
实施例3	0.124	13.64	10
				实施例4	0.14	13.83	6.19

结果：三元DES体系易制备，且DES体系对纤维的润胀及改性有良好效果。上述实例制得的纤维取代度在0.1～0.2之间，纤维的重均宽度在13.54～14.0μm之间，扭结指数在5～30之间。这创新了三元DES体系磺化改性纤维素的方法，也表明了配制三元DES体系的可行性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种三元低共熔溶剂体系，其特征是，由氨基磺酸、尿素及氯化胆碱制备成三元低共熔溶剂。

2.如权利要求1所述的三元低共熔溶剂体系，其特征是，所述氨基磺酸、尿素及氯化胆碱的摩尔比为1:2～5:0.9～1.1。

3.如权利要求1所述的三元低共熔溶剂体系，其特征是，制备过程中，温度为50～80℃，搅拌速率为150～300rpm。

4.一种权利要求1～3任一所述的三元低共熔溶剂体系在磺化改性纤维素中的应用。

5.一种三元低共熔溶剂体系磺化改性纤维素的方法，其特征是，将氨基磺酸、尿素及氯化胆碱制备成三元低共熔溶剂，将纤维素加入至三元低共熔溶剂中进行反应。

6.如权利要求5所述的三元低共熔溶剂体系磺化改性纤维素的方法，其特征是，所述加入纤维素的量为：纤维素与氨基磺酸的质量比为1:6～12；

或，加入纤维素后的反应时间为0.5～2h。

7.如权利要求5所述的三元低共熔溶剂体系磺化改性纤维素的方法，其特征是，反应后加入水终止反应。

8.如权利要求7所述的三元低共熔溶剂体系磺化改性纤维素的方法，其特征是，水的加入量为反应体系体积的1～3倍；

或，将反应后的纤维素分离、洗涤；

或，分离后的滤液进行旋蒸回收三元低共熔溶剂；

或，旋蒸温度为50～70℃，转速为30～100rpm。

9.一种改性纤维素，其特征是，由权利要求5～8任一所述的方法制备获得。

10.一种权利要求9所述的改性纤维素在污水处理、造纸、食品、印刷、化妆品、油井钻探或杂化材料领域中的应用。