CN113956364B - 一种醋酸丁酸纤维素的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种醋酸丁酸纤维素的制备方法,涉及纤维素改性技术领域,上述制备方法具体包括以下步骤:(1)活化:将纤维素浸入至乙酸和乙酸酐的混合活化液中,水浴活化得到活化纤维素;(2)酯化、水解:将活化纤维素与乙酸、乙酸酐混合后在固体酸催化剂催化条件下,进行酯化反应,再将酯化后的纤维素加入至乙酸中进行水解;(3)纯化:将水解后的纤维素经沉析、过滤、洗涤、干燥,得到醋酸丁酸纤维素;所述固体酸催化剂包括催化剂A和催化剂B;所述催化剂A为SO4 2‑‑ZrO2‑Fe2O3催化剂,所述催化剂B为SO4 2‑‑ZrO2‑Al2O3催化剂。该制备方法较为便捷、无污染,能够制备出收率高,且具有较高含量丁酰基。
Description
技术领域
本发明涉及纤维素改性技术领域,具体涉及一种醋酸丁酸纤维素的制备方法。
背景技术
醋酸丁酸纤维素通常由乙酸或丁酸处理纤维素,再使用乙酸、丁酸、乙酐以及丁酸酐的混合液在硫酸催化的条件下进一步酯化制成,其相比于传统的乙酸纤维素,可溶性范围更宽,能够广泛应用于塑料、涂料等制品中,从而改善涂料的流动性、耐久性以及柔韧性等。文献:张雄,贾康乐,张磊,等.醋酸丁酸纤维素合成研究进展[J].广东化工,2018,045(012):127-128.总结了合成醋酸丁酸纤维素的工艺,包括非均相合成法、均向合成法以及新型合成技术如微波加热、固体酸催化剂使用以及酯交换法等。目前为止,传统的工艺合成法往往存在产率低、污染大、能耗高以及成本高等问题,而新型合成技术的研发往往能够克服相关技术缺陷,实现绿色、环保、节约的醋酸丁酸纤维素的制备。
在众多新型合成醋酸丁酸纤维素的技术中,使用固体酸催化剂的方式由于效率高、污染小而被广泛研究,如专利CN201110305945.0保护了一种固体酸催化剂制备纤维素有机酸酯的方法,其中涉及到SO4 2-/MxOy型固体酸、生物质炭基固体酸、磷铝分子筛固体酸三种固体酸催化剂,制备方法无设备腐蚀、环境友好,且最终制备得到的产品质量较好。专利CN201910892764.9则保护了一种制备高羟基含量醋酸丁酸纤维素的方法,该方法中采用氢解的方法脱除酰基从而获得高质量羟基,在氢解过程中使用到钯炭催化剂,避免了加水水解产生酸性废水,减少反应时间的同时还降低了生产成本。但上述各发明中最终制备得到的醋酸丁酸纤维素丁酰基的含量相对较低,或未具体考察相关产品的收率情况。
针对现有技术中醋酸丁酸纤维素的制备方法存在的产率低、丁酰含量低以及污染大等问题,亟需寻找一种产率高、污染小的醋酸丁酸纤维素的制备方法。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题,提供了一种醋酸丁酸纤维素的制备方法,该制备方法较为便捷、无污染,能够制备出收率高,且具有较高含量的丁酰基。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
本发明提供了一种醋酸丁酸纤维素的制备方法,包括以下步骤:
(1)活化:将纤维素浸入至乙酸和乙酸酐的混合活化液中,水浴活化得到活化纤维素;
(2)酯化、水解:将活化纤维素与乙酸、乙酸酐混合后在固体酸催化剂催化条件下,进行酯化反应,再将酯化后的纤维素加入至乙酸中进行水解,水解的温度为60℃,时间为2h;
(3)纯化:将水解后的纤维素经沉析、过滤、洗涤、干燥,得到醋酸丁酸纤维素;
所述固体酸催化剂包括催化剂A和催化剂B;所述催化剂A为SO4 2--ZrO2-Fe2O3催化剂,所述催化剂B为SO4 2--ZrO2-Al2O3催化剂。
进一步地,所述催化剂A的制备方法包括:将ZrOCl2溶液与铁化合物的混合溶液混合后加入氨水溶液调节pH,搅拌并过滤,将得到的沉淀物清洗并干燥,而后加入至浓硫酸中浸渍,经过逐级升温煅烧后得到SO4 2--ZrO2-Fe2O3催化剂。
进一步地,所述铁化合物的混合溶液为氯化铁、氯化亚铁和柠檬酸铁的混合溶液。
进一步地,所述催化剂B的制备方法包括:将Al2O3置于Zr(NO3)4溶液中浸渍,加入氨水溶液调节pH,搅拌并过滤,将得到的沉淀物清洗并干燥,而后加入至浓硫酸中浸渍,经过逐级升温煅烧后得到SO4 2--ZrO2-Al2O3催化剂。
进一步地,所述催化剂A和催化剂B的重量比为2-4:1。
进一步地,所述催化剂A的制备中的逐级升温具体包括:初次升温至300-350℃,保持20min,再次升温至400-450℃保持1-1.2h,第三次升温至550-600℃,保持1-1.5h;所述催化剂B的制备中的逐级升温具体包括:初次升温至350℃,保持10-20min,再次升温至450-500℃保持0.5-1h,第三次升温至600℃,保持1-1.5h。所述调节pH具体为调节至8-10所述浓硫酸的浓度为0.5mol/L,浸渍时间为20-24h。
进一步地,步骤(1)中所述混合活化液浸泡纤维素的时间为2-12h,活化温度为40-100℃。
进一步地,步骤(1)中所述纤维素与混合活化液的重量比为1:3;所述乙酸和乙酸酐的重量比为1:1。
进一步地,步骤(2)中所述水解的温度为60℃,时间为2h。
进一步地,步骤(2)中所述活化纤维素、乙酸、乙酸酐和固体酸催化剂的重量比为90-165:8-12:10-16:0.3-0.7。优选为125:10:12:0.5。
进一步地,步骤(2)中所述酯化反应的温度为90℃,时间为0.5-1h。
本发明还提供了上述制备方法制备得到的醋酸丁酸纤维素。
本发明的醋酸丁酸纤维素能够应用在塑料或涂料的制备中。
本发明所取得的技术效果是:
1.本发明使用固体酸催化剂代替浓硫酸,防止设备腐蚀的同时也避免了污染问题的发生,具体使用双催化剂,能够充分发挥二者的酸性活性位点的作用,促进二者催化的协同性作用。
2.本发明中得到的醋酸丁酸纤维素得率高,相比于普通的产品,且具有较高含量的丁酰值,产品产率高,具有广泛的应用前景。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
在进一步描述本发明具体实施方式之前,应理解,本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案;还应当理解,本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案,而不是为了限制本发明的保护范围。
当实施例给出数值范围时,应理解,除非本发明另有说明,每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义,本文中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意义。
值得说明的是,本发明中使用的原料均为普通市售产品,因此对其来源不做具体限定。
实施例1
一种醋酸丁酸纤维素的制备方法,包括以下步骤:
(1)活化:将纤维素浸入至乙酸和乙酸酐的混合活化液中,水浴活化得到活化纤维素;其中,纤维素与混合活化液的重量比为1:3;所述乙酸和乙酸酐的重量比为1:1;浸泡纤维素的时间为2h,活化温度为100℃;
(2)酯化、水解:将活化纤维素与乙酸、乙酸酐混合后在固体酸催化剂催化条件下,进行酯化反应,反应的温度为90℃,时间为0.5h,再将酯化后的纤维素加入至乙酸中进行水解,水解的温度为60℃,时间为2h;其中,活化纤维素、乙酸、乙酸酐和固体酸催化剂的重量比为90:8:10:0.3;
(3)纯化:将水解后的纤维素经沉析、过滤、洗涤、干燥,得到醋酸丁酸纤维素;
其中,固体酸催化剂为重量比为2:1的催化剂A和催化剂B;所述催化剂A为SO4 2--ZrO2-Fe2O3催化剂,所述催化剂B为SO4 2--ZrO2-Al2O3催化剂。催化剂A的制备方法包括:将ZrOCl2溶液与铁化合物的混合溶液混合后加入氨水溶液调节pH至8-10,搅拌并过滤,将得到的沉淀物清洗并干燥,而后加入至浓度为0.5mol/L的浓硫酸中浸渍20h,经过初次升温至300℃,保持20min,再次升温至400℃保持1.2h,第三次升温至550℃,保持1.5h后得到SO4 2--ZrO2-Fe2O3催化剂。催化剂B的制备方法包括:将Al2O3置于Zr(NO3)4溶液中浸渍,加入氨水溶液调节pH至8,搅拌并过滤,将得到的沉淀物清洗并干燥,而后加入至浓度为0.5mol/L的浓硫酸中浸渍20h,经过初次升温至350℃,保持10min,再次升温至450℃保持1h,第三次升温至600℃,保持1.5h后得到SO4 2--ZrO2-Al2O3催化剂。
实施例2
一种醋酸丁酸纤维素的制备方法,包括以下步骤:
(1)活化:将纤维素浸入至乙酸和乙酸酐的混合活化液中,水浴活化得到活化纤维素;其中,纤维素与混合活化液的重量比为1:3;所述乙酸和乙酸酐的重量比为1:1;浸泡纤维素的时间为12h,活化温度为40℃;
(2)酯化、水解:将活化纤维素与乙酸、乙酸酐混合后在固体酸催化剂催化条件下,进行酯化反应,反应的温度为90℃,时间为1h,再将酯化后的纤维素加入至乙酸中进行水解,水解的温度为60℃,时间为2h;其中,活化纤维素、乙酸、乙酸酐和固体酸催化剂的重量比为165:12:16:0.7;
(3)纯化:将水解后的纤维素经沉析、过滤、洗涤、干燥,得到醋酸丁酸纤维素;
其中,固体酸催化剂为重量比为4:1的催化剂A和催化剂B;所述催化剂A为SO4 2--ZrO2-Fe2O3催化剂,所述催化剂B为SO4 2--ZrO2-Al2O3催化剂。催化剂A的制备方法包括:将ZrOCl2溶液与铁化合物的混合溶液混合后加入氨水溶液调节pH至10,搅拌并过滤,将得到的沉淀物清洗并干燥,而后加入至浓度为0.5mol/L的浓硫酸中浸渍24h,经过初次升温至350℃,保持20min,再次升温至450℃保持1h,第三次升温至600℃,保持1h后得到SO4 2--ZrO2-Fe2O3催化剂。催化剂B的制备方法包括:将Al2O3置于Zr(NO3)4溶液中浸渍,加入氨水溶液调节pH至10,搅拌并过滤,将得到的沉淀物清洗并干燥,而后加入至浓度为0.5mol/L的浓硫酸中浸渍24h,经过初次升温至350℃,保持20min,再次升温至500℃保持0.5h,第三次升温至600℃,保持1h后得到SO4 2--ZrO2-Al2O3催化剂。
实施例3
一种醋酸丁酸纤维素的制备方法,包括以下步骤:
(1)活化:将纤维素浸入至乙酸和乙酸酐的混合活化液中,水浴活化得到活化纤维素;其中,纤维素与混合活化液的重量比为1:3;所述乙酸和乙酸酐的重量比为1:1;浸泡纤维素的时间为5h,活化温度为60℃;
(2)酯化、水解:将活化纤维素与乙酸、乙酸酐混合后在固体酸催化剂催化条件下,进行酯化反应,反应的温度为90℃,时间为0.8h,再将酯化后的纤维素加入至乙酸中进行水解,水解的温度为60℃,时间为2h;其中,活化纤维素、乙酸、乙酸酐和固体酸催化剂的重量比为125:10:12:0.5;
(3)纯化:将水解后的纤维素经沉析、过滤、洗涤、干燥,得到醋酸丁酸纤维素;
其中,固体酸催化剂为重量比为3:1的催化剂A和催化剂B;所述催化剂A为SO4 2--ZrO2-Fe2O3催化剂,所述催化剂B为SO4 2--ZrO2-Al2O3催化剂。催化剂A的制备方法包括:将ZrOCl2溶液与铁化合物的混合溶液混合后加入氨水溶液调节pH至8-10,搅拌并过滤,将得到的沉淀物清洗并干燥,而后加入至浓度为0.5mol/L的浓硫酸中浸渍22h,经过初次升温至320℃,保持20min,再次升温至420℃保持1h,第三次升温至600℃,保持1.2h后得到SO4 2--ZrO2-Fe2O3催化剂。催化剂B的制备方法包括:将Al2O3置于Zr(NO3)4溶液中浸渍,加入氨水溶液调节pH至8,搅拌并过滤,将得到的沉淀物清洗并干燥,而后加入至浓度为0.5mol/L的浓硫酸中浸渍22h,经过初次升温至350℃,保持15min,再次升温至480℃保持0.8h,第三次升温至600℃,保持1.2h后得到SO4 2--ZrO2-Al2O3催化剂。
对比例1
与实施例1的区别仅在于,固体酸催化剂中不包括催化剂A,将催化剂A替换为等量催化剂B。
对比例2
与实施例1的区别仅在于,固体酸催化剂中不包括催化剂B,将催化剂B替换为等量催化剂A。
对比例3
与实施例1的区别仅在于,步骤(2)中所述活化纤维素、乙酸、乙酸酐和固体酸催化剂的重量比为85:14:8:1(四者的总重量与实施例1一致)。催化剂A和催化剂B的重量比为1:1(二者的总重量与实施例1一致)。
对比例4
与实施例1的区别仅在于,步骤(2)中所述活化纤维素、乙酸、乙酸酐和固体酸催化剂的重量比为170:6:19:0.2(四者的总重量与实施例1一致)。催化剂A和催化剂B的重量比为5:1(二者的总重量与实施例1一致)。
醋酸丁酸纤维素性能及收率测试
试验1:试验方法参照ASTM D817-2012进行,通过化学分析法对本发明各实例的产品进行酰基值的测定,得到表1。具体计算公式为:
C%=4.3(V1-V2)×CH/m×100%
K=V'/V,Ka=V'a/Va,Kb=V'b/Vb
B=(Ka-K)/(Ka-Kb),A=1-B
乙酰基含量(%)=AB,丁酰基含量(%)=1.651BC
其中,V1为样品消耗盐酸的体积,mL;V2为空白消耗盐酸的体积,mL;V、Va、Vb、V'、V'a、V'b为测定过程中消耗氢氧化钠的体积,mL;CH为盐酸标准溶液的浓度,mol/L;m为试剂质量,g;C为表观乙酰基的质量分数,%;K为醋酸丁酯萃取后和萃取前蒸馏液中酸量比;Ka为醋酸在醋酸丁酯萃取前后的酸量比;Kb为丁酸在醋酸丁酯萃取前后的酸量比;B为CAB中丁酸的分配比。
表1
实例 | 总酰基值(%) | 乙酰基值(%) | 丁酰基值(%) |
实施例1 | 53.6 | 9.0 | 44.6 |
实施例2 | 56.1 | 8.3 | 47.8 |
实施例3 | 54.7 | 9.2 | 45.5 |
对比例1 | 49.1 | 15.7 | 33.4 |
对比例2 | 49.4 | 11.7 | 37.7 |
对比例3 | 53.2 | 12.0 | 41.2 |
对比例4 | 51.3 | 11.5 | 39.8 |
通常,醋酸丁酸纤维素的熔点和拉伸强度随乙酰基含量增高而变大,与增塑剂的相容性和薄膜的柔性在一定范围内随乙酰基含量降低而增加,丁酰基含量增加则使其密度降低,溶解范围扩大。本发明中的各实施例拥有较高的丁酰基值,整体溶解范围较大,且乙酰基值也相对较低,与增塑剂的相容性和薄膜的柔性更优。
试验2:计算本发明中各实例的收率,计算方法如下:收率(%)=m/m0×100%,其中,m为反应后得到的产品质量,m0为纤维素的质量。得到表2。
表2
由上表可知,本发明中制备的醋酸丁酸纤维素的含量较高,整体收率在22.56%以上。
最后应当说明的是,以上内容仅用以说明本发明的技术方案,而非对本发明保护范围的限制,本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换,均不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (8)
1.一种醋酸丁酸纤维素的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)活化:将纤维素浸入至乙酸和乙酸酐的混合活化液中,水浴活化得到活化纤维素;
(2)酯化、水解:将活化纤维素与乙酸、乙酸酐混合后在固体酸催化剂催化条件下,进行酯化反应,再将酯化后的纤维素加入至乙酸中进行水解;
(3)纯化:将水解后的纤维素经沉析、过滤、洗涤、干燥,得到醋酸丁酸纤维素;
所述固体酸催化剂包括催化剂A和催化剂B;所述催化剂A为SO4 2--ZrO2-Fe2O3催化剂,所述催化剂B为SO4 2--ZrO2-Al2O3催化剂;
所述催化剂A和催化剂B的重量比为2-4:1;步骤(2)中所述活化纤维素、乙酸、乙酸酐和固体酸催化剂的重量比为90-165:8-12:10-16:0.3-0.7。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述催化剂A的制备方法包括:将ZrOCl2溶液与铁化合物的混合溶液混合后加入氨水溶液调节pH,搅拌并过滤,将得到的沉淀物清洗并干燥,而后加入至浓硫酸中浸渍,经过逐级升温煅烧后得到SO4 2--ZrO2-Fe2O3催化剂。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:所述铁化合物的混合溶液为氯化铁、氯化亚铁和柠檬酸铁的混合溶液。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述催化剂B的制备方法包括:将Al2O3置于Zr(NO3)4溶液中浸渍,加入氨水溶液调节pH,搅拌并过滤,将得到的沉淀物清洗并干燥,而后加入至浓硫酸中浸渍,经过逐级升温煅烧后得到SO4 2--ZrO2-Al2O3催化剂。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述催化剂A的制备中的逐级升温具体包括:初次升温至300-350℃,保持20min,再次升温至400-450℃保持1-1.2h,第三次升温至550-600℃,保持1-1.5h;所述催化剂B的制备中的逐级升温具体包括:初次升温至350℃,保持10-20min,再次升温至450-500℃保持0.5-1h,第三次升温至600℃,保持1-1.5h。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤(2)中所述酯化反应的温度为90℃,时间为0.5-1h。
7.如权利要求1-6任一项所述的制备方法制备得到的醋酸丁酸纤维素。
8.如权利要求7所述的醋酸丁酸纤维素在制备塑料或涂料中的应用。
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