一种碱活化溶解纤维素的方法技术

本发明专利技术涉及一种碱活化溶解纤维素的方法，主要解决现有纤维素溶解方法存在的工艺复杂、污染环境、所得胶体不够稳定等不足。首先将纤维素和氢氧化钠溶液混合，挤干水分后加热存放一段时间，然后将所得混合物与少量碱液再次混合后冷冻固化，最后解冻搅拌均匀即可。该方法工艺较为简单，涉及到的原料较少且价廉易得，所得纤维素溶液稳定性好，不含易挥发有机物和重金属盐，降低了后续水处理的难度。

A method of alkali activated cellulose dissolution

The invention relates to a method for dissolving cellulose by alkali activation, which mainly solves the shortcomings of the existing cellulose dissolving methods, such as complicated process, environmental pollution, unstable colloid obtained, etc. Firstly, the cellulose and sodium hydroxide solution are mixed, extruded and dried, heated and stored for a period of time, then the mixture is mixed with a small amount of alkali solution and freeze-cured, and finally thawed and stirred evenly. The method is simple, involves fewer raw materials and is cheap and easy to obtain. The obtained cellulose solution has good stability, does not contain volatile organic compounds and heavy metal salts, and reduces the difficulty of subsequent water treatment.

【技术实现步骤摘要】
一种碱活化溶解纤维素的方法
本专利技术涉及纺织加工
，具体涉及一种碱活化溶解纤维素的方法。
技术介绍
纤维素纤维是一类重要的天然高分子材料，是地球上广泛存在的可再生资源，对纤维素进行研究、开发和应用具有重大意义。到目前为止，由纤维素磺酸酯制备的粘胶纤维在纺织工业的人造纤维中仍占据主导地位，然而粘胶纤维的生产工艺流程较长，并且生产过程会产生H2S、CS2等有害气体和含硫化物废水，存在严重的环境污染问题。随着世界范围内对环境污染越来越严格的控制，必然导数粘胶纤维生产成本的增加及产量的减少。因此国内外许多科研人员对纤维素的溶解进行了大量研究，力图解决纤维素纤维生产过程中的污染问题。粘胶生产工艺对环境的污染和破坏向来引人诟病，这些缺陷必然会带来新技术的引入和革新。目前比较热门的研究是合成纤维素氨基甲酸酯或者引入氨基基团，主要思路都是将氨基基团接入到纤维素的活泼羟基上，以此来打破纤维素分子内和分子间由氢键形成的有序排列。目前此类方法正处在面向实际生产的试验阶段，中国专利CN1687137A报道了纤维素和尿素在高温下进行反应生成纤维素氨基甲酸酯，然后直接在稀碱中溶解得到纺丝液；中国专利CN101100517A提到了一种适合低聚合度纤维的溶解方法，即用氢氧化锂溶液与纤维素在较低温度下生成碱纤维素，再加入硫脲水溶液，室温下搅拌辅助溶解；武汉大学和湖北天思提出将纤维素和低配比的尿素在微波或高温下进行反应，然后在碱锌溶剂体系中进行低温冷冻溶解(中国专利CN102432894A)。该类方法的优点在于避免了含硫化合物带来的大气污染，缺点在于用过量的尿素或硫脲或其他氮基添加剂，也会造成潜在的氮基污染物排放；在尿素或硫脲添加较少时胶体存放时间较短，制胶时对纤维素浆粕的性质参数有较为苛刻的选择性。总体来说，生产纤维素氨基甲酸酯或者引入氨基的工艺条件较为复杂，溶剂体系需要进一步改良。粘胶生产工艺中有一段碱活化处理的工艺，其主要起到了降聚和破坏结晶区的作用。理论上，碱溶液不仅能达到纤维的无定形区而且能渗透至晶区或原纤内引起纤维溶胀，碱处理可降低纤维素的聚合度和结晶度并使纤维膨化，其机理为：纤维素在碱性溶剂中会发生碱性降解，部分配糖键断裂末端基剥落，温度较高时还会与氧气发生氧化降解。这些反应导致了纤维素分子链的断裂，同时羟基发生碱化反应，生成了碱纤维素，破坏了纤维素的有序结构，促进了纤维素的溶解。李翠珍、宋建勇等在“纤维素-强碱溶液体系的研究”一文中指出，在较低温度(0-2℃)条件下，氢氧化钠溶液可以完全溶解聚合度低于500的纤维素。我们认为在更低温度(-10℃以下)，氢氧化钠溶液的溶解能力更强。更低温度下纤维素结晶区的键能相对更低，氢氧化钠对纤维素的溶解能力增强，适当降低聚合度的纤维素可以实现完全溶解。本申请充分吸取前人思路的优点，摒弃了引入基团和合成中间产物的工艺，采用了碱液热处理和低温冷冻结合的方式。总体思路是，通过碱液在较高温度下处理纤维素以此生成碱纤维素，使纤维素膨化并适当降低纤维素分子的聚合度和结晶度，再配合低温冷冻进一步溶解结晶区，从而实现对纤维素的完全溶解。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有纤维素溶解加工工艺存在的上述不足，提供一种碱活化溶解纤维素的方法。本专利技术溶解纤维素仅仅使用了氢氧化钠溶液，不涉及尿素、氧化锌等其它试剂的使用，纤维素的溶解性、稳定性好，整个工艺流程较为简单。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种碱活化溶解纤维素的方法，具体如下：(a)将纤维素投入强碱溶液中，搅拌使其充分浸润；(b)将纤维素取出后挤干水分得到纤维素/碱液混合物，将其置于有氧环境存放一段时间；(c)向存放后的纤维素/碱液混合物中加入强碱溶液，搅拌均匀得到浆粥，冷冻使浆粥全部固化，接着解冻并搅拌得到纤维素溶液。上述方案中，所述纤维素选自聚合度为200-2000的竹浆、木浆、棉浆、甘蔗纤维、芦苇浆或其他天然纤维素中的一种。上述方案中，所述强碱溶液为氢氧化钠溶液，步骤(a)所使用的强碱溶液质量分数为15％-25％，步骤(c)中所使用的强碱溶液质量分数为0.1％-10％。上述方案中，挤干后的纤维素/碱液混合物含水率为45％-70％。浓碱浸润挤干后，纤维素中的杂质和半纤被溶解，提高了ɑ-纤维素的含量。上述方案中，挤干水分后的纤维素/碱液混合物置于40-85℃环境中存放5-120min。存放过程中进一步反应生成更多碱纤维素，同时纤维素膨化，纤维素分子的聚合度和结晶度也会降低。上述方案中，纤维素/碱液混合物与强碱溶液混合时的质量比为1:1-4，混合所得浆粥置于-15℃至-45℃环境下冷冻1-6h。进一步的，步骤(c)中混合时直接将常温强碱溶液投入到纤维素/碱液混合物中，或者先将强碱溶液冷冻至-9℃至0℃再将其投入到纤维素/碱液混合物中。碱液比浆粥导热能力强，更容易降温；其次碱液冷冻后混合搅拌纤维素容易破碎，浆粥更均匀。上述方案中，冷冻固化后的浆粥在隔绝其他液体的情况下缓慢解冻，解冻温度10-30℃。解冻方式可以选择水浴或油浴以及微波加热或者热空气传热，需避免浆粥温度升高过快或过高出现胶体凝胶现象。上述方案中，所述纤维素溶液的质量分数为3％-9％。本专利技术提供了一种纤维素溶解的新思路，经过碱浸润的纤维素，经挤干后置于有氧热环境中存放，通过调节碱浸润浓度、挤干度、存放热环境温度及时间，可以得到不同聚合度及结晶度的碱纤维素。这种经过降聚和降结晶度的纤维素可以在稀碱液中冷冻溶解，解冻完成后可立即再生，省去了磺化、老陈过程。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)仅仅使用氢氧化钠溶液配合挤干热存放、冷冻等工艺制得了纤维素溶液，成本更低；(2)与传统粘胶溶解工艺相比，本专利技术方法减少了磺化、老陈过程，缩短了工艺路线；(3)制得的纤维素溶液不含易挥发有机物和重金属盐，降低了后续水处理的难度，由于其颜色较浅因此可减少或免除漂白步骤。具体实施方式为使本领域普通技术人员充分理解本专利技术的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例进行进一步说明。实施例1配制质量分数为20％的氢氧化钠溶液25kg，准确称取聚合度为460的棉短绒浆粕5kg。将浆粕投入到氢氧化钠溶液中，以200r/min的速率搅拌5分钟，然后压榨挤出浆粕中的水分，压榨所得混合物重量为25.9kg，含水量为64.5％。将混合物放入60℃的夹套加热罐中加热55min，取出后冷却至室温，所得混合物重量为25.5kg。向混合物中加入质量分数为2.2％的氢氧化钠溶液51.5kg，搅拌成浆粥，然后将此混合物盛装在不锈钢方盒中，铺陈厚度为4cm，接着放入-38℃的冻库中冷冻6小时，冷冻完取出用碎冰机粉粹后装入带低速搅拌桨叶的不锈钢桶，20℃水浴解冻。待混合物温度升至20℃后以200r/min的速度搅拌5分钟，即得纤维素溶液。取少量此溶液置于纤维投影仪(CYG-055DI)中，于100倍放大倍数下观察并拍照，结果发现纤维素全部溶解，胶体颗粒直径小于5微米。将此溶液置于20℃室温环境下存放18小时，在不同时间段分别取上层液体干燥，称量计算纤维素固含量，18小时后沉降量为5.5wt％，未沉降重量比例为94.5wt％。由此可知该纤维素溶液的溶解性及稳定性良好。实施例2配制质量分数为21％的氢氧化钠溶液500g本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碱活化溶解纤维素的方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)将纤维素投入强碱溶液中，搅拌使其充分浸润；(b)将纤维素取出后挤干水分得到纤维素/碱液混合物，将其置于有氧环境存放一段时间；(c)向存放后的纤维素/碱液混合物中加入强碱溶液，搅拌均匀得到浆粥，冷冻使浆粥全部固化，接着解冻并搅拌得到纤维素溶液。

【技术特征摘要】
1.一种碱活化溶解纤维素的方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)将纤维素投入强碱溶液中，搅拌使其充分浸润；(b)将纤维素取出后挤干水分得到纤维素/碱液混合物，将其置于有氧环境存放一段时间；(c)向存放后的纤维素/碱液混合物中加入强碱溶液，搅拌均匀得到浆粥，冷冻使浆粥全部固化，接着解冻并搅拌得到纤维素溶液。2.如权利要求1所述的一种碱活化溶解纤维素的方法，其特征在于：所述纤维素选自聚合度为200-2000的竹浆、木浆、棉浆、甘蔗纤维、芦苇浆或其他天然纤维素中的一种。3.如权利要求1所述的一种碱活化溶解纤维素的方法，其特征在于：所述强碱溶液为氢氧化钠溶液，步骤(a)所使用的强碱溶液质量分数为15％-25％，步骤(c)中所使用的强碱溶液质量分数为0.1％-10％。4.如权利要求1所述的一种碱活化溶解纤维素的方法，其特征在于：挤干后的纤维素/碱液混合物含...

【专利技术属性】
技术研发人员：段煌，
申请(专利权)人：武汉水木弘新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42