一种纤维素水凝胶的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纤维素水凝胶的制备方法。该方法将普通的植物纤维溶解浆置于由甲醇、乙醇、N‐N二甲基乙酰胺、异丙醇或水其中两种溶剂组成的混合溶液中，不断搅拌，然后加入NaOH或KOH。反应后加入醋酸钠、氯乙酸钠或硫代乙酸钠中的一种或两种，反应；过滤后的纤维溶于水制成纤维水溶液，并将溶液置于高速乳化机进行分散；将分散液旋转蒸发至粘稠状态作为溶液A。配制溶液B，溶液B由水和NaOH以及环氧氯丙烷混合而成；将溶液B倒入溶液A，常温搅拌，烘干；本发明专利技术方法无须采用各种化学单体材料合成水凝胶，完全采用纯植物纤维素为原料，以全化学手段处理的方式，具有工艺简单、低耗能、环境友好和成本低等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种纤维素水凝胶的制备方法，特别是涉及一种完全采用纯植物纤维素为原料，以全化学手段处理的方式，具有工艺简单、低耗能、环境友好和成本低廉的水凝胶制备方法；可应用于生物医学、建筑中的结露防止剂、调湿剂、生物酶的固定、农业中的保水抗旱等领域。
技术介绍
水凝胶是一类具有亲水基团(羟基、羧基等)能被水溶胀但不溶于水的具有三维网络结构的聚合物。同时在外界的刺激下(温度、PH、磁场、电场等)可以吸收和释放水分，可以应用于生物医学、建筑中的结露防止剂、调湿剂、生物酶的固定、农业中的保水抗旱等多个领域。它是通过水溶性或者亲水性的高分子通过一定的物理交联或者化学交联作用形成的。目前制备水凝胶的原料来源主要有天然高分子和合成高分子两大类。其中天然高分子包含多糖类(淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸，壳聚糖等)和多肽类(胶原、聚L‐赖氨酸、聚L‐谷胺酸等)。合成的亲水高分子包括醇、丙烯酸及其衍生物类(聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N‐聚代丙烯酰胺等)。这些合成的亲水性高分子需要以石油加工的衍生物为原料，大大加快了石油这些不可再生能源的消耗，同时不易降解从而对环境造成了污染。而纤维素是可以再生的资源，具有很好的降解性能，不易破坏环境，同时与人体具有很好的相容性，从而受到了广泛的关注。纤维素的每个单位分子链上包含三个羟基，因而可以对纤维素进行化学改性，进行酯化、醚化等反应。传统的制备纤维素水凝胶的办法是将纤维素和羧甲基纤维素钠在低温情况下分别溶解于由6wt％Na0H/4wt％Urea组成的水溶液中，再通过环氧氯丙烷作为交联剂来制备水凝胶。纤维素在这个过程中是作为骨架来提高水凝胶的机械强度。交联剂的作用就是连接纤维素上的羟基基团和羧甲基纤维素上的羧基基团，从而使得二者能够成为一个整体结构，从而形成水凝胶。现有的纤维素水凝胶的生产需要‐12℃的低温条件下进行，配制的6wt％Na0H/4wt％Urea体系需要保持8h的时间才能溶解纤维素，工艺过程比较苛刻，同时耗时比较长，制冷所消耗的能量较大，造成制备的水凝胶成本较高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种采用植物纤维素为原料，工艺简单、低耗能、环境友好和成本低廉的以全化学手段处理的制备新型的纤维素水凝胶的方法。本专利技术的原理在于先将溶解浆通过润胀液进行深度润胀，随后再通过化学处理使其进一步解离，此时需要对纤维表面进行改性，将纤维表面的羟基改性成其他更亲水的官能团，通过改性后，克服了纤维间由羟基产生的氢键力同时新生成的官能团更易溶于水，通过这种部分溶解的方式来实现纤维的进一步分离，因而可以一步同时获得较细小的纤维素和羧甲基纤维素钠，再采用环氧氯丙烷作为交联剂，利用碱处理交联剂最后将纤维素和羧甲基纤维素钠交联成一个整体，形成一个以纤维素为支架的三维水凝胶结构。本专利技术制备过程无需单独溶解纤维素和羧甲基纤维素钠，也不需要比较苛刻的低温条件，可以降低制备时间和产品的生产成本，同时生产工艺简单，为日后工业化生产提供了基础。不同于传统的使用NaOH/Urea体系来制备水凝胶的方法，我们无需使用大量电能来创造‐12℃的低温条件保持8h，也 无需采用价格昂贵的微晶纤维素粉末和CMC粉末来制备水凝胶，本专利技术直接使用的是价格比较低廉的溶解浆，同时整个过程所耗费的时间要远远小于传统的制备方式，大约4小时就可以形成水凝胶，所以可以大大降低产品成本和能量消耗。本专利技术的目的通过如下技术方案实现：一种纤维素水凝胶的制备方法，其特征在于包括如下步骤和工艺条件：1)溶解浆的干燥：将溶解浆干燥至含水率低于2％；2)溶解浆的润胀：将甲溶剂和乙溶剂混合配置润胀液，干燥后的溶解浆加入到润胀液得混合物，控制溶解浆绝干重量占整个混合物重量的0.1‐5％；甲溶剂和乙溶剂都是甲醇、乙醇、N‐N二甲基乙酰胺、异丙醇和水不同的一种；3)溶解浆的解离：将步骤2)所得混合物控制在20℃‐50℃温度下，不断搅拌后加入NaOH或KOH，并持续搅拌；4)溶解浆的改性：在步骤3)所得产物中加入醋酸钠、氯乙酸钠、二丙基乙酸钠和硫代乙醇酸钠中的一种或两种；控制温度为40℃‐100℃，反应1h‐10h，反应过程不断搅拌；5)纤维水溶液的配制：将经步骤4)处理后的反应液进行水洗过滤，随后将经过过滤后的纤维溶于水制成纤维水溶液；6)纤维水溶液的分散：将纤维水溶液置于高速乳化机进行分散；7)纤维水溶液的浓缩：分散完成后，将经步骤6)处理后的分散液在旋转蒸发仪中进行旋转蒸发至粘稠状态，作为溶液A；8)溶液B的配制：将水和NaOH以及环氧氯丙烷三者混合，混合后进行搅拌，搅拌时间为0.1h‐5h，得溶液B；9)水凝胶的制备：溶液B倒入溶液A，常温搅拌1h‐5h后放入烘干箱，烘干 箱温度为30℃‐100℃，烘干时间为1h‐10h；10)水凝胶的水洗：将水凝胶用去离子水、无水乙醇对水凝胶进行洗涤，再放入透析袋中进行透析至透析液的PH为中性，最后放入烘干箱干燥。为进一步实现本专利技术目的，优选地，所述的溶解浆的种类为针叶木溶解浆或阔叶木溶解浆的一种或两者混合；所述溶解浆是指植物纤维素除去大部分木素和半纤维素后的部分，主要成分为纤维素。优选地，步骤1)所述的干燥是在100℃‐120℃条件下进行。优选地，所述的润胀液是将甲乙两种溶剂按照质量比为1/8‐1/2混合所得。优选地，步骤3)和步骤4)所述的搅拌为磁力搅拌、机械搅拌、气流搅拌或射流搅拌，搅拌的速率为50‐80r/min。优选地，步骤3)混合物控制在20℃‐50℃温度下不断搅拌的时间为10min‐100min；加入NaOH或KOH后持续搅拌10min‐100min；所述的NaOH或KOH加入量为溶解浆质量的100％‐400％。优选地，所述的醋酸钠、氯乙酸钠或硫代乙酸钠中的一种或两种的加入量为解离后溶解浆质量的50％‐500％；所述的控制温度为40℃‐100℃是通过水浴、油浴、微波加热或者电炉加热实现。优选地，步骤6)分散转速为4000r/min‐8000r/min，分散时间为5min‐15min。优选地，溶液B是由水、NaOH和环氧氯丙烷混合而成，其中水和NaOH的质量比为5：3，环氧氯丙烷加入的量是水和NaOH总质量的2‐5倍；溶液B的质量为溶液A质量的1/8‐1/2。优选地，所述的纤维水溶液的配制先采用真空抽滤或者常压过滤方式再加水配制；所述过滤漏斗为G3或者G1砂芯漏斗；水凝胶制备成形后需要用透析袋进行 透析处理来除掉水凝胶中残留的小分子以及环氧氯丙烷，所用的透析袋种类为透过分子量2000‐7000中的一种；水凝胶采用真空干燥箱或者烘干箱的加热定形方式。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1)相比传统的采用各种化学单体材料合成水凝胶的方式,本方法完全采用纯植物纤维素为原料，以全化学手段处理的方式制备水凝胶,更加环保.2)本专利技术中一种纤维素水凝胶的制备方法，采用全化学手段处理的方式，无需苛刻的低温处理条件,具有工艺简单、低耗能、环境友好和成本低等特点。附图说明图1(a)为实施例1溶解浆纤维材料处理前的扫描电镜图；图1(b)为实施例1溶解浆纤维材料处理后的扫描电镜图。图2(a)为实施例1激光照射下水凝胶实物图。图2(b)为实施例1水凝胶吸水后膨胀图。图2(c)为实施例1水凝胶的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纤维素水凝胶的制备方法，其特征在于包括如下步骤和工艺条件：1)溶解浆的干燥：将溶解浆干燥至含水率低于2％；2)溶解浆的润胀：将甲溶剂和乙溶剂混合配置润胀液，干燥后的溶解浆加入到润胀液得混合物，控制溶解浆绝干重量占整个混合物重量的0.1‐5％；甲溶剂和乙溶剂都是甲醇、乙醇、N‐N二甲基乙酰胺、异丙醇和水不同的一种；3)溶解浆的解离：将步骤2)所得混合物控制在20℃‐50℃温度下，不断搅拌后加入NaOH或KOH，并持续搅拌；4)溶解浆的改性：在步骤3)所得产物中加入醋酸钠、氯乙酸钠、二丙基乙酸钠和硫代乙醇酸钠中的一种或两种；控制温度为40℃‐100℃，反应1h‐10h，反应过程不断搅拌；5)纤维水溶液的配制：将经步骤4)处理后的反应液进行水洗过滤，随后将经过过滤后的纤维溶于水制成纤维水溶液；6)纤维水溶液的分散：将纤维水溶液置于高速乳化机进行分散；7)纤维水溶液的浓缩：分散完成后，将经步骤6)处理后的分散液在旋转蒸发仪中进行旋转蒸发至粘稠状态，作为溶液A；8)溶液B的配制：将水和NaOH以及环氧氯丙烷三者混合，混合后进行搅拌，搅拌时间为0.1h‐5h，得溶液B；9)水凝胶的制备：溶液B倒入溶液A，常温搅拌1h‐5h后放入烘干箱，烘干箱温度为30℃‐100℃，烘干时间为1h‐10h；10)水凝胶的水洗：将水凝胶用去离子水、无水乙醇对水凝胶进行洗涤，再放入透析袋中进行透析至透析液的PH为中性，最后放入烘干箱干燥。...

【技术特征摘要】
1.一种纤维素水凝胶的制备方法，其特征在于包括如下步骤和工艺条件：1)溶解浆的干燥：将溶解浆干燥至含水率低于2％；2)溶解浆的润胀：将甲溶剂和乙溶剂混合配置润胀液，干燥后的溶解浆加入到润胀液得混合物，控制溶解浆绝干重量占整个混合物重量的0.1‐5％；甲溶剂和乙溶剂都是甲醇、乙醇、N‐N二甲基乙酰胺、异丙醇和水不同的一种；3)溶解浆的解离：将步骤2)所得混合物控制在20℃‐50℃温度下，不断搅拌后加入NaOH或KOH，并持续搅拌；4)溶解浆的改性：在步骤3)所得产物中加入醋酸钠、氯乙酸钠、二丙基乙酸钠和硫代乙醇酸钠中的一种或两种；控制温度为40℃‐100℃，反应1h‐10h，反应过程不断搅拌；5)纤维水溶液的配制：将经步骤4)处理后的反应液进行水洗过滤，随后将经过过滤后的纤维溶于水制成纤维水溶液；6)纤维水溶液的分散：将纤维水溶液置于高速乳化机进行分散；7)纤维水溶液的浓缩：分散完成后，将经步骤6)处理后的分散液在旋转蒸发仪中进行旋转蒸发至粘稠状态，作为溶液A；8)溶液B的配制：将水和NaOH以及环氧氯丙烷三者混合，混合后进行搅拌，搅拌时间为0.1h‐5h，得溶液B；9)水凝胶的制备：溶液B倒入溶液A，常温搅拌1h‐5h后放入烘干箱，烘干箱温度为30℃‐100℃，烘干时间为1h‐10h；10)水凝胶的水洗：将水凝胶用去离子水、无水乙醇对水凝胶进行洗涤，再放入透析袋中进行透析至透析液的PH为中性，最后放入烘干箱干燥。2.根据权利要求1所述的纤维素水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的溶解浆的种类为针叶木溶解浆或阔叶木溶解浆的一种或两者混合；所述溶解浆是指植物纤维素除去大部分木素和半纤维素后的部分，主要成分为纤维素。3.根据权利要求1所述的纤维素水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤1)所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘德桃，程凡，路朋博，林美燕，欧阳豪，陈克复，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44