一种纤维素衍生物及其制备方法和用途技术

本发明专利技术公开了一种纤维素衍生物，纤维素经碱化、醚化后，得到羧甲基纤维素中间体，再经硝化体系硝化后，经洗涤、干燥、烘干、粉碎得到羧甲基纤维素羧酸酯，然后经铵化体系铵化后，经中和、沉析、干燥得到目标产品。本发明专利技术纤维素衍生物含有硝酸酯基、羧甲基、铵根离子三种基团，具有缓释性、保水性，可增加土壤强度，适用于干旱区域，为植物生长提供有力条件。

A cellulose derivative and its preparation and Application

The invention discloses a cellulose derivative. After the cellulose is alkalized and etherified, the intermediate of carboxymethylcellulose is obtained. After nitration by nitration system, the carboxymethylcellulose carboxylate is obtained by washing, drying, drying and grinding, and then the target product is obtained by neutralization, precipitation and drying. The cellulose derivative of the invention contains three groups, i.e. nitrate ester group, carboxymethyl group and ammonium ion group. It has slow-release and water retention properties, can increase soil strength, is suitable for arid areas, and provides strong conditions for plant growth.

【技术实现步骤摘要】
一种纤维素衍生物及其制备方法和用途
本专利技术涉及纤维素应用领域，特别涉及一种纤维素衍生物及其制备方法和用途。
技术介绍
硝化纤维素(NC)是一种军民两用的纤维素酯类衍生物。由于其化学结构单一、钢性强、氮量有限、制品低温脆、高温软等特点，限制了其应用领域，尤其是当NC氮量低于10.2％时，几乎没有实用价值(邵自强，王文俊.硝化纤维素结构与性能[M].北京：国防工业出版社，2011.)。NC上的–ONO2是亲油性基团，因而仅溶于一些极性溶液中，若通过分子设计，进行多基团化学修饰，在NC分子链上引入亲水性基团，可增加其亲水性，实现两亲性，或多功能性，将具有重要的意义。如羧甲基纤维素硝酸酯(CMCN)同时含有羧甲基基团(亲水性基团)和–ONO2(疏水性基团)，可以实现了两亲性结构(段洪涛.羧甲基纤维素化学改性及水性分散体的制备与性能[D].北京:北京理工大学,2015.)。硝酸铵(NH4NO3)是一种同时含有氨基氮与硝基氮的农业化肥，也常作为工业炸药。当应用于农业中时，可给植物提供氮元素，但由于其小分子形式，施用后容易从土壤表层流失，导致水体污染，对生态环境产生很大的压力，对人体也会造成伤害。因此，若有一种高分子产品，在保证土壤植物氮元素需求的条件下，既减少硝酸盐流入水体，又可替代或减少氮肥的使用，将是一个降低硝酸盐污染的方向之一。此外，水资源缺乏和水土流失是影响我国农业生产的重要因素，抗旱保墒是农业生产中的一个重要环节。我国水土流失面积达356万km2,占国土面积37％，尤其是西北部的黄土高原，年均降水量仅为452.5mm，如延安地区自1957年-2014年平均降水量以9.14mm/10a的速率逐年降低，7、8月降水量占到平均降水量的44.71％(李劲彬,韩霁昌,陈超.延安市近58年降水变化特征分析[J].水电能源科学,2017,35(11):10-13.)。同时，由于土壤肥力偏低，大多数植物生长不足，根系锁土力弱，难以控制水土流失，而过度施肥导致的土壤板结也加剧了这一现象(NingT,GuoZS,GuoMC,etal.SoilwaterresourcesuselimitintheloessplateauofChina[J].AgriculturalSciences,2013,4:100-105.)。因此，开发高效、绿色、可持续发展的土壤改良剂，以达到水土保护，改善土壤物理性质，提高土壤肥力，减少肥料投入等目的，则显得至关重要(KatsutoshiMizuta,SatoruTaguchi,ShinjiroSato.Soilaggregateformationandstabilityinducedbystarchandcellulose[J].SoilBiology&Biochemistry,2015,87:90-96.)。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种纤维素衍生物，其大分子链上具有硝酸酯基、羧甲基、铵根离子，与土壤混合后，能有效提高土壤的保水性、抗侧压强度，且对植物提供氮元素，防止氮元素从土壤表面流失。本专利技术还提供了该纤维素衍生物的制备方法，其工艺简单、反应条件温和，设备投资少，原料消耗低，可实现大规模工业化生产。本专利技术的技术方案是：一种纤维素衍生物，其分子式为[C6H7O2(OH)(3-x-y)(O–NO2)x(O–CH2–COONH4)y]n，其结构式为其中，0＜x＜3，0＜y＜3，50＜n＜2000。上述纤维素衍生物的制备方法，包括以下步骤：1)碱化取纤维素，与碱化体系混合，反应得到碱纤维素；2)醚化步骤1)得到的碱纤维素，与醚化体系混合，在45-80℃条件下反应，反应结束后，经中和、洗涤、离心、干燥、粉碎，得到羧甲基纤维素；3)硝化步骤2)得到的羧甲基纤维素，与硝化体系混合，反应结束后，过滤，得黄色粘稠固体，经洗涤至中性，经干燥、粉碎，得到羧甲基纤维素硝酸酯；4)铵化步骤3)得到的羧甲基纤维素硝酸酯，与铵化体系混合，在≤5℃条件下反应，反应结束后，调节体系至中性，沉析，得到白色絮状物质，干燥得到目标产品。进一步的，步骤1)所述纤维素为针叶木、阔叶木、棉、竹浆、植物秸秆的任一种或几种，纤维素的聚合度为400-1300，纤维素的细度为80-120目，纤维素中的α-纤维素的含量≥92％。进一步的，步骤1)所述碱化体系，为强碱与有机介质的混合物，纤维素与有机介质的质量比为1：8-15，纤维素与强碱的质量比为1：0.4-0.7，所述反应的温度为5-35℃，反应的时间为0.5-3h。进一步的，步骤2)所述醚化体系，为醚化剂与有机介质的混合物，醚化剂与有机介质的质量比为0.4-0.6：1，所述醚化剂为氯乙酸、氯乙酸钠、氯乙酸酯的任一种或几种，所述反应的时间为0.5-3h，碱纤维素与醚化剂的摩尔比为1：0.34-1.37，采用盐酸/有机介质或冰醋酸/有机介质进行中和，采用80％体积浓度的乙醇进行洗涤，所述羧甲基纤维素中羧甲基的取代度为0.4-1.0。进一步的，步骤3)所述硝化体系为硝酸和二氯甲烷的混合物，在20-30℃条件下反应，硝酸和二氯甲烷的摩尔比为10-50：50-90，所述硝酸为发烟硝酸，所述羧甲基纤维素硝酸酯的含氮量为3-9％。进一步的，步骤4)所述铵化体系为氨与有机介质的混合物，在≤5℃条件下反应，羧甲基纤维素硝酸酯与有机介质的摩尔比为1：4-8，羧甲基纤维素硝酸酯与氨的摩尔比为1：1-3，所述目标产品中铵根离子的取代度为0.25-0.85，通过添加乙酸调节体系至中性，通过加入乙醇沉析，所述沉析采用纯乙醇，或者依次采用90％体积浓度、80％体积浓度、70％体积浓度的乙醇梯度沉析各一次。进一步的，所述有机介质为异丙醇或乙醇或异丙醇、乙醇任意混合或丙酮或甲醇或乙醇、甲苯任意混合或甲苯或异丁醇。本专利技术还提供了上述纤维素衍生物在用于调理生物质基土壤中的用途。进一步的，所述调理为提高土壤的保水性、抗侧压强度，通过喷施或拌施或喷施与拌施相结合添加至土壤中，添加量为土壤质量的0.01-0.03wt％。本专利技术还提供了上述纤维素衍生物用于促进农作物、藻类生长中的用途。采用上述技术方案具有以下有益效果：1、本专利技术提供的纤维素衍生物属于大分子链结构的化合物。其大分子链上具有硝酸酯基、羧甲基、铵根离子，通过调节硝化体系中二氯甲烷和硝酸的比例，羧甲基化时醚化剂的比例，铵化时氨的浓度，实现控制硝酸酯基、羧甲基、铵根离子含量的目的。其中，硝酸酯基属于亚硝基氮，铵根离子属于氨基氮，能够给土壤植物提供氮元素，且不会从土壤表面流失，实现长时间对土壤供氮的目的；羧甲基具有一定的亲水性，与土壤接触后，本体膨胀呈凝胶态，与土壤颗粒结合形成胶体膜，将土壤颗粒包裹其中，形成网络结构，从而提高土壤的保水性、抗测压强度，实现保水、缓释、提高土壤抗测压强度的技术效果。2、本专利技术制备方法中，使用的纤维素来源广泛、成本低廉，实现秸秆及废物纤维素的高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纤维素衍生物，其特征在于，其分子式为[C

【技术特征摘要】
1.一种纤维素衍生物，其特征在于，其分子式为[C6H7O2(OH)(3-x-y)(O–NO2)x(O–CH2–COONH4)y]n，其结构式为其中，0＜x＜3，0＜y＜3，50＜n＜2000。


2.权利要求1所述纤维素衍生物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)碱化
取纤维素，与碱化体系混合，反应得到碱纤维素；
2)醚化
步骤1)得到的碱纤维素，与醚化体系混合，在45-80℃条件下反应，反应结束后，经中和、洗涤、离心、干燥、粉碎，得到羧甲基纤维素；
3)硝化
步骤2)得到的羧甲基纤维素，与硝化体系混合，反应结束后，过滤，得黄色粘稠固体，经洗涤至中性，经干燥、粉碎，得到羧甲基纤维素硝酸酯；
4)铵化
步骤3)得到的羧甲基纤维素硝酸酯，与铵化体系混合，反应结束后，调节体系至中性，沉析，得到白色絮状物质，干燥得到目标产品。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述纤维素为针叶木、阔叶木、棉、竹浆、植物秸秆的任一种或几种，纤维素的聚合度为400-1300，纤维素的细度为80-120目，纤维素中的α-纤维素的含量≥92％，所述碱化体系，为强碱与有机介质的混合物，纤维素与有机介质的质量比为1:8-15，纤维素与强碱的质量比为1:0.4-0.7，所述反应的温度为5-35℃，反应的时间为0.5-3h。


4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2)所述醚化体系，为醚化剂与有机介质的混合物，醚化剂与有机介质的质量比为0.4-0.6:1，所述醚化剂为氯乙酸、氯乙酸钠、氯乙酸酯的任一种或几...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵自强，刘燕华，李艳菊，陈静，李友琦，王行惠，袁晶晶，王梓诺，吴月，王飞俊，陈鹏万，
申请(专利权)人：北京理工大学，重庆力宏精细化工有限公司，北方世纪江苏纤维素材料有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11