CN112876693B - 一种木质纤维素溶液及木质纤维素的溶解方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种木质纤维素溶液和木质纤维素的溶解方法。以农业废弃生物质制浆分离得到的带木质素的木质纤维素作为原料,将该木质纤维素分散在含有20%~40%烷基氢氧化铵和0~15%尿素的水溶液中,在‑10~‑30℃下将分散液冻结,在室温下解冻,冷冻解冻循环1‑3次,得木质纤维素溶液;烷基氢氧化铵为四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵、苄基三甲基氢氧化铵和苄基三乙基氢氧化铵中的一种或几种。本发明适用于稻草、麦草等生物质原料,不需要对木质纤维素进行漂白和降低聚合度就可以直接溶解,制得的木质纤维素溶液可以在乙二醇、40vol%乙醇水溶液或水中再生,具有非常广泛的应用前景。

Description

一种木质纤维素溶液及木质纤维素的溶解方法
技术领域
本发明涉及一种木质纤维素溶液及木质纤维素的溶解方法,属于农业废弃物综合利用领域。
背景技术
随着可持续发展的理念越来越深入人心,可再生能源和资源的利用,环境友好型材料和可持续发展的技术已经成为科研领域的重要方向。生物质作为地球上最丰富的可再生资源,全球每年的生物合成量可以达到超10000亿吨,仅有少量的生物质用于造纸、饲养牲畜、农作物产品和建筑原料等。每年产生大量的农业废弃物生物质(稻草、麦草、玉米杆、玉米芯、蔗渣、棉杆等),如果不能将其合理的利用起来,直接燃烧掉的话,不仅会造成资源上的浪费,而且还会严重的污染环境。
农业废弃物生物质主要为植物细胞骨架的纤维素、半纤维素和木质素等组分,其中的纤维素由于存在复杂的分子间、分子内氢键结构及高结晶性,使其不能熔融且溶解困难,这造成纤维素还远没有达到工业上充分利用。经生物质制浆分离得到的木质纤维素都含有一定量的木质素,只有少数溶剂能溶解这种带有木质素的纤维素,如LiCl/DMSO(201510852214.6),离子液体(201310070780.2)等,但,溶剂价格昂贵且不易回收,难以工业应用;碱/尿素/水溶液(00114486.3;03128386.1;200310111447.8;200310111567.8)是一种绿色溶剂,但由于其不能溶解分子量较大的纤维素,且木质素的存在,会影响该体系对纤维素溶解,研究者采用酸水解(Journal of agricultural and food chemistry 63.27(2015):6113-6119)、球磨(Industrial Crops and Products 118(2018):48-52)等手段降低木质纤维素的分子量,达到在NaOH/尿素/水体系中溶解的目的;最近,烷基氢氧化铵水溶液(201710414026.4),可以溶解粘均分子量为7.0×104~3.0×105的纤维素,纤维素溶液稳定性强,对环境无污染,且溶解是物理过程,未发生化学反应,烷基氢氧化铵易于回收和循环利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种木质纤维素溶液和木质纤维素的溶解方法,方法简便,效率高,且易于实现工业化,克服了木质纤维素难以溶解的问题。
本发明的另一个目的在于采用此溶解方法所制得的木质纤维素溶液可用于制备膜材料等方面的应用。
实现本发明目的所采用的技术方案如下:
一种木质纤维素的溶解方法,包括如下步骤:
(1)将农业废弃物生物质原料通过碱法、酸法或溶剂法蒸煮,制得带木质素的木质纤维素;
(2)将步骤(1)得到的木质纤维素分散到烷基氢氧化铵的质量分数为20%~40%、尿素的质量分数为0-15%的水溶液中,在-10~-30℃下静置至分散液完全冻结,然后在室温下解冻,冻结-解冻重复1-3次即可得到木质纤维素溶液。
上述一种木质纤维素的溶解方法,木质纤维素原料为稻草、麦草、玉米杆、玉米芯、蔗渣、棉杆等。
上述一种木质纤维素的溶解方法,烷基氢氧化铵为四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵、苄基三甲基氢氧化铵和苄基三乙基氢氧化铵中的一种或几种混合。
上述一种木质纤维素的溶解方法,带木质素的木质纤维素的聚合度为600~1800。
上述一种木质纤维素的溶解方法,带木质素的木质纤维素的木质素含量为1%~10%。
上述一种木质纤维素的溶解方法,所述的木质纤维素溶液中,木质纤维素含量为0.1~10wt%。
上述一种木质纤维素的溶解方法,当木质纤维素中木质素含量为0~7%,聚合度在1100以下时,木质纤维素能完全溶解。
本发明还提供了一种木质纤维素溶液,由上述木质纤维素的溶解方法得到。
本发明还提供了一种木质纤维素薄膜的制备方法,包括如下步骤:将制得的木质纤维素溶液离心脱泡,在玻璃板上流延成膜,然后将其浸入乙二醇、40vol%乙醇水溶液或水的凝固浴中,用水充分冲洗,并干燥,制得再生的木质纤维素膜。
一种再生木质纤维素膜,由上述的一种再生木质纤维素膜的制备方法制得。
与现有技术相比,本发明具有以下优点和有益效果:
(1)本发明可以直接溶解木质纤维素,不需要先将浆料中的木质素脱除后再进行溶解操作。
(2)本发明工艺简单,不需要进一步降低木质纤维素的聚合度,直接进行溶解。
附图说明
图1中(a)是实施例9中麦草碱法制浆的木质纤维素溶液图,图1中(b)是实施例10中玉米芯碱法制浆的木质纤维素溶液图。
图2中(a)是实施例13中麦草碱法的木质纤维素溶液在40vol%乙醇中再生的木质纤维素薄膜的横截面的扫描电镜图,图2中(b)是实施例14中玉米芯溶剂法的木质纤维素溶液在乙二醇中再生的木质纤维素薄膜的横截面的扫描电镜图。
图3中(a)是实施例13中麦草碱法的木质纤维素薄膜在不同波长下的透过率图,图3中(b)实施例14中玉米芯溶剂法的木质纤维素薄膜在不同波长下的透过率图。
图4中(a)是实施例13中麦草碱法的木质纤维素薄膜的应力-应变曲线图,图4中(b)是实施例14中玉米芯溶剂法的木质纤维素薄膜的应力-应变曲线图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明的技术方案进行说明。
实施例1
稻草经碱法制浆得到木质素含量为5%,聚合度为1300的木质纤维素,称取2g分散到98g含有30wt%四甲基氢氧化铵和10wt%尿素的水溶液中,放置在-20℃的条件下冻结-解冻3次,离心脱泡去杂质即可得到木质纤维素溶液,所得木质纤维素溶液中木质纤维素的含量为1.6wt%,80%的木质纤维素被溶解。
实施例2
稻草经碱法制浆得到木质素含量为5%,聚合度为1300的木质纤维素,称取2g分散到98g含有30wt%四甲基氢氧化铵的水溶液中,放置在-20℃的条件下冻结-解冻3次,离心脱泡去杂质即可得到木质纤维素溶液,所得木质纤维素溶液中木质纤维素的含量为1.2wt%,60%的木质纤维素被溶解。
实施例3
稻草经碱法制浆得到木质素含量为5%,聚合度为1300的木质纤维素,称取2g分散到98g含有4.6wt%氢氧化锂和15wt%尿素的水溶液中,放置在-20℃的条件下冻结-解冻3次,离心脱泡去杂质即可得到木质纤维素溶液,所得木质纤维素溶液中木质纤维素的含量为0.8wt%,40%的木质纤维素被溶解。
从实施例1-3可知,烷基氢氧化铵的水溶剂体系中加入尿素可以提高木质纤维素的溶解度;烷基氢氧化铵和尿素的水体系溶剂溶解能力较氢氧化锂和尿素的水体系高。
实施例4
麦草经溶剂法制浆得到木质素含量为8%,聚合度为1200的木质纤维素,称取2g分散到98g含有20wt%四乙基氢氧化铵的水溶液中,放置在-30℃的条件下冻结-解冻1次,离心脱泡去杂质即可得到木质纤维素溶液,所得木质纤维素溶液中木质纤维素的含量为1.2wt%,60%的木质纤维素被溶解。
实施例5
玉米杆碱法制浆得到木质素含量为10%,聚合度为1200的木质纤维素,称取0.2g分散到99.8g含有30wt%四丙基氢氧化铵和5wt%尿素的水溶液中,放置在-20℃的条件下冻结-解冻2次,离心脱泡去杂质即可得到木质纤维素溶液,所得木质纤维素溶液中木质纤维素的含量为0.1wt%,50%的木质纤维素被溶解。
实施例6
玉米芯溶剂法制浆得到木质素含量为1%的聚合度为600的木质纤维素,称取10g分散到90g含有37wt%四丁基氢氧化铵和10wt%尿素的水溶液中,放置在-30℃的条件下冻结-解冻3次,离心脱泡去杂质即可得到木质纤维素溶液,所得木质纤维素溶液中木质纤维素的含量为10wt%,木质纤维素被完全溶解。
实施例7
蔗渣碱法制浆得到木质素含量为9%,聚合度为1100的木质纤维素,称取3g分散到97g含有30wt%苄基三甲基氢氧化铵和15wt%尿素的水溶液中,放置在-20℃的条件下冻结-解冻3次,离心脱泡去杂质即可得到木质纤维素溶液,所得木质纤维素溶液中木质纤维素的含量为2.3wt%,76.67%的木质纤维素被溶解。
实施例8
麦草酸法制浆得到木质素含量为6%,聚合度为1300的木质纤维素,称取2g,然后分散到98g含有25wt%苄基三乙基氢氧化铵和12wt%尿素的水溶液中,静置在-10℃条件下冻结-解冻3次,离心脱泡去杂质得到木质纤维素溶液,所得木质纤维素溶液中木质纤维素的含量为1.7wt%,85%的木质纤维素被溶解。
实施例9
麦草碱法制浆得到木质素含量为5%,聚合度为1800的木质纤维素,称取2g,然后分散到98g含有10wt%四甲基氢氧化铵、20wt%四乙基氢氧化铵和1wt%尿素的水溶液中,静置在-10℃条件下冻结-解冻3次,离心脱泡去杂质得到木质纤维素溶液,所得木质纤维素溶液中木质纤维素的含量为1.6wt%,如图1(a)所示,80%的木质纤维素被溶解。
实施例10
玉米芯碱法制浆得到木质素含量为10%,聚合度为1600的木质纤维素,称取4g,然后分散到96g含有15wt%四丙基氢氧化铵、18wt%四丁基氢氧化铵和10wt%尿素的水溶液中,静置在-20℃条件下冻结-解冻3次,离心脱泡去杂质得到木质纤维素溶液,所得木质纤维素溶液中木质纤维素的含量为2.6wt%,如图1(b)所示,65%的木质纤维素被溶解。
实施例11
棉杆溶剂法制浆得到木质素含量为6%,聚合度为1100的木质纤维素,称取4g,然后分散到96g含有12wt%苄基三甲基氢氧化铵、15wt%苄基三乙基氢氧化铵和10wt%尿素的水溶液中,静置在-30℃条件下冻结-解冻3次,离心脱泡去杂质得到木质纤维素溶液,所得木质纤维素溶液中木质纤维素的含量为3.6wt%,90%的木质纤维素被溶解。
实施例12
稻草酸法制浆得到木质素含量为8%,聚合度为800的木质纤维素,称取2g,然后分散到98g含有10wt%四甲基氢氧化铵、10wt%四乙基氢氧化铵、10wt%四丙基氢氧化铵、10wt%四丁基氢氧化铵和10wt%尿素的水溶液中,静置在-30℃条件下冻结-解冻3次,离心脱泡去杂质得到木质纤维素溶液,所得木质纤维素溶液中木质纤维素的含量为1.9wt%,95%的木质纤维素被溶解。
实施例13
称取2g麦草碱法制得的木质纤维素,分散到98g含有30wt%苄基三甲基氢氧化铵和10wt%尿素的水溶液中,搅拌5五分钟使木质纤维素很好的分散在溶液中,在-10~-20℃的条件下静置至分散液完全冻结,然后在室温下解冻,冷冻-解冻3次即可得到木质纤维素溶液,所得木质纤维素溶液中木质纤维素的含量为1.56wt%,78%的木质纤维素被溶解。木质纤维素溶液在5℃的温度下进行离心脱泡,在玻璃板上流延成膜,然后将其浸入40%vol乙醇的凝固浴中,用水充分冲洗,并干燥,制得再生的木质纤维素膜。其微观形态、透过率、拉伸强度分别如图2(a)、3(a)、4(a)所示。
实施例14
称取4g玉米芯溶剂法制得的木质纤维素,分散到96g含有30wt%苄基三甲基氢氧化铵和10wt%尿素的水溶液中,搅拌5五分钟使木质纤维素很好的分散在溶液中,在-20~-30℃的条件下静置至分散液完全冻结,然后在室温下解冻,冷冻-解冻3次即可得到木质纤维素溶液,所得木质纤维素溶液中木质纤维素的含量为3.92wt%,98%的木质纤维素被溶解。木质纤维素溶液在5℃的温度下进行离心脱泡,在玻璃板上流延成膜,然后将其浸入乙二醇的凝固浴中,用水充分冲洗,并干燥,制得再生的木质纤维素膜。其微观形态、透过率、拉伸强度分别如图2(b)、3(b)、4(b)所示。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种木质纤维素的溶解方法,其步骤包括:
(1)对农业废弃生物质原料进行碱法、酸法或溶剂法蒸煮,制得带木质素的木质纤维素;
(2)将木质纤维素分散到烷基氢氧化铵的质量分数为20%~40%、尿素的质量分数为0~15%的水溶液中,在-10~-30℃下静置至分散液完全冻结,然后在室温下解冻,冷冻解冻循环1-3次,即可得到木质纤维素溶液;
所述步骤(1)的带木质素的木质纤维素中的木质素含量为1%~10%;
所述步骤(1)中农业废弃生物质为稻草、麦草、玉米杆、玉米芯、蔗渣和棉杆中的一种或几种;
所述步骤(1)的带木质素的木质纤维素的聚合度为600~1800;
所述步骤(2)的烷基氢氧化铵为四甲基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵、苄基三甲基氢氧化铵和苄基三乙基氢氧化铵中的一种或几种混合;
所述步骤(2)的木质纤维素溶液中,木质纤维素含量为0.1~10wt%。
2.根据权利要求1所述的一种木质纤维素的溶解方法,其特征在于,所述步骤(2)的木质纤维素中,木质素的含量为1%~10%。
3.一种木质纤维素溶液,其特征在于,由权利要求1或2所述的木质纤维素的溶解方法制备得到。
4.一种再生木质纤维素膜的制备方法,其特征在于,将权利要求3所得的木质纤维素溶液离心脱泡去杂质,在玻璃板上形成流延膜,然后将其浸入乙二醇、40 vol%乙醇水溶液或水的凝固浴中,用水充分冲洗,并干燥,制得再生的木质纤维素膜。
5.一种再生木质纤维素膜,其特征在于,由权利要求4所述的一种再生木质纤维素膜的制备方法制得。
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