一种制备醋酸丁酸纤维素微球吸附材料的方法
【专利摘要】本发明涉及一种以离子液体为溶剂制备醋酸丁酸纤维素微球的制备方法。其制法是将纤维素溶于离子液体中，然后分别与丁酸酐和乙酸酐反应制得不同取代度的醋酸丁酸纤维素，通过反相悬浮和程序降温使醋酸丁酸纤维素溶液凝结成液滴，然后加入固化剂使液滴固化形成微球，最后用蒸馏水洗涤去除离子液体，即得到醋酸丁酸纤维素微球。本发明工艺简单，溶剂可循环使用，纤维素原料来源广泛、成本低廉、可实现天然植物纤维素的高值化利用。采用本方法制备的醋酸丁酸纤维素微球乙酰基含量为3～20％，丁酰基含量为5～43％，酰基的含量可控，微球球形圆整，95％的微球粒径分布在50～200μm的区间范围，具有较好的机械性能、良好的热稳定性以及耐酸碱能力，是很好的载体和吸附材料。
【专利说明】一种制备醋酸丁酸纤维素微球吸附材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种醋酸丁酸纤维素微球吸附材料的制备方法，属于有机高分子材料学领域。
【背景技术】
[0002]纤维素是自然界中储存量最大的可再生绿色资源，主要来自植物的细胞壁，其来源广泛，廉价易得。纤维素是多糖化合物，其结构上含有大量的羟基，亲水性强，由于纤维素中羟基位置的不同而具有不同的活性，在水中可以吸附重金属离子。对纤维素进行酯化，是通过用酸基与纤维素上的羟基进行反应，可以减少羟基的数量，改变纤维素的空间位阻，使得不同取代度的纤维素酯对不同的物质有不同的吸附能力。由于醋酸丁酸纤维素结构松散，在进行分离操作过程中容易受压而变形，影响工作效率，降低了生产能力，增加生产成本。因此，以纤维素作为原料，经过乙酸丁酸酯化后再制备醋酸丁酸纤维素微球，则可以改善纤维素结构松散及机械强度低等问题，同时制成的醋酸丁酸纤维素微球具有可控的粒径大小和孔径大小，比表面积大、通透性能好等优点，适合用于吸附血清蛋白、污水中的重金属离子、霉菌、有机污染物等。
[0003]纤维素微球的制备过程通常需要经过两个步骤，首先是制备纤维素溶液，然后将溶液分散成一定粒径的液滴，从而通过一定的方法实现纤维素再生而得到纤维素微球。纤维素微球的制备方法一般分为反相悬浮法和喷射法。其中喷射法需要专门的喷射设备将纤维素或其衍生物溶液喷射到空气或其它惰性介质形成颗粒均匀的液滴，制得的纤维素微球粒径均匀，但是由于其设备需要专业化操作，因此影响了其研究的发展。而反相悬浮法是将纤维素及其衍生物的溶液悬浮分散在不相容的惰性溶剂中，制备得到的微球粒径分布带较为宽泛，对设备的要求低，容易操作，因此该方法被广泛接受。
[0004]反相悬浮法制备纤维素微球的过程中，关键难点是纤维素溶液的制备，好的溶剂可以直接溶解纤维素制成纤维素溶液，再通过一定的再生方法制备纤维素微球，操作工艺简单，制备过程中对环境的污染少。目前用于溶解纤维素的溶剂主要有N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)、氯化锂/ 二甲基乙酰胺(LiCl/DMAc)、离子液体、氨基甲酸酯体系、氢氧化钠/水(Na0H/H20)体系、碱/尿素或硫脲/水体系。传统的纤维素微球的制备过程中，会产生废碱、废酸、H2S气体以及废有机溶剂等污染物质，N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)作为纤维素的溶剂具有低毒、可回收等优点，已经得到广泛的研究，并已经投入到大规模生产Loycell纤维中。然而，NMMO溶解纤维素的工艺较复杂，需要较高的温度，而且易被氧化，需要氮气保护，而且还存在反应副产物以及回收率低等问题，需要进一步解决这些问题才能大规模工业化。离子液体的无臭无味、无污染、不易燃、易与产物分离、易回收、可反复多次循环使用等优点，使它成为传统的纤维素溶剂的理想替代品。它有效地避免了使用有机溶剂所造成严重的环境污染问题，成为环境友好的绿色溶剂。目前，已有文献报道利用离子液体溶解纤维素，制备纤维素薄膜和纤维素丝。但是，离子液体溶解法制备纤维素微球，难度较大，一些关键工艺还有待完善。[0005]本发明以离子液体为溶剂，采用反相悬浮法制备醋酸丁酸纤维素微球。醋酸丁酸纤维素溶液和醋酸丁酸纤维素微球的制备过程都是物理过程，未发生化学反应。制备工艺简单，对设备要求较低，所用离子液体可回收重复使用，是一种环境友好的新工艺。所制备的纤维素微球具有较好的机械性能和良好的热稳定性，具有合适的粒径及粒径分布，可用于生物蛋白质的分离纯化，也可以作为酶或其他生物材料的载体。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种环保、安全无毒的制备醋酸丁酯纤维素微球的方法，它能够克服传统的溶剂溶解纤维素的工艺制备纤维素微球的缺点。
[0007]本发明制备醋酸丁酯纤维素微球的方法是以离子液体为溶剂，采用反相悬浮法实现的，具体包括以下步骤:
[0008](I)将0.4g纤维素加入到9.6g离子液体中混合于干燥的三口烧瓶中，在50?80°C油浴中机械搅拌I?5h，待纤维素完全溶解在离子液体，将温度升高至50?90°C并恒温0.5h。用移液管加入丁酸酐1.2?4.5g,反应I?4h后，再加入乙酸酐0.5?2.4g继续反应，直至总酰化反应时间为2?7h，得到醋酸丁酸纤维素溶液。
[0009](2)在60?100°C温度下，加入油相和乳化剂，醋酸丁酸纤维素溶液与油相的体积比为1: 2?1: 6，乳化剂与油相的体积比为1: 40?1: 100，在300?900r/min的转速下搅拌15?40min,形成反相悬浮体系；
[0010](3)调节温度，使体系以0.50C /min的速度降温至25?50°C，醋酸丁酸纤维素溶液凝结成液滴；
[0011](4)加入固化剂，醋酸丁酸纤维素溶液与固化剂的体积比为1: 2?1: 4，加入固化剂后降低转速，继续搅拌10?30min，醋酸丁酸纤维素溶液液滴固化，形成醋酸丁酸纤维素微球；
[0012](5)离心分离固液相，用蒸馏水洗涤醋酸丁酸纤维素微球4?6次，然后将醋酸丁酸纤维素微球浸泡在适量蒸馏水中48h，使离子液体完全进入浸泡液中，即可得到醋酸丁酸纤维素微球。
[0013]所述的离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯盐和1-十六烷基-3-甲基咪唑氯盐中的一种或两种；纤维素为棉纤维素、竹纤维素、木屑纤维素、甘蔗渣纤维素；油相为液体石蜡10#、棕榈油、大豆油或菜籽油；乳化剂为Span65、Span83、Span20或它们中的两种或两种以上组成的混合物；固化剂为蒸馏水。
[0014]本发明的优点在于(I)采用离子液体作为溶剂溶解纤维素，先进行纤维素酯化，然后再制备微球，缩短了整个工艺流程，且制备出的醋酸丁酸纤维素微球表面和孔径内部的酯化程度均匀。纤维素酯化条件简单易于操作，且可以根据纤维素酯吸附的物质种类和吸附容量来调节纤维素的酯化程度。(2)加入固化剂协助降温进行微球固化过程，加速了醋酸丁酸纤维素微球的固化和避免微球因温度变化造成的形变，提高了微球的成型率。本发明的方法简单易行，生产流程短，安全无毒，是一种绿色环保的新工艺，采用本方法制备的纤维素微球具有良好的球形度、合适的粒径及其分布，具有较好的机械性能、良好的热稳定性以及耐酸碱能力，可通过表面化学修饰或表面基团衍生化来拓宽其应用领域，可用于蛋白质的分离和纯化，也可以作为吸附材料。
【具体实施方式】
[0015]以下通过具体实施实例用于进一步说明本发明描述的方法，但是并不限制本发明。
[0016]实施例1
[0017]称取1.0g提纯后的甘蔗渣纤维素，加入到IOOg离子液体中，在50°C的油浴中溶解，待溶解后用移液管加入丁酸酐1.2g，反应Ih后，再加入乙酸酐0.5g继续反应，直至总酰化反应时间为2h，得到醋酸丁酸纤维素溶液。往500mL三口烧瓶中加入150mL大豆油和3mLSpan83,放入油浴中加热至60°C，然后在低速搅拌下，将纤维素溶液缓慢加入到三口烧瓶中，加完后搅拌速度设为900r/min，开始计时。30min后，停止加热缓慢降温至50°C，通过反相悬浮和程序降温，醋酸丁酸纤维素溶液凝结成球。在搅拌过程中，用滴管缓慢加入IOOmL蒸馏水使纤维素溶液液滴固化形成纤维素微球，加完蒸馏水后继续搅拌20min。停止搅拌，静置后将油水相分离，再用离心机将醋酸丁酸纤维素微球从水溶液中分离出来，从水溶液中回收离子液体。用蒸馏水洗涤纤维素微球3?8次，最后将醋酸丁酸纤维素微球浸泡在200mL蒸馏水中48h，使离子液体全部进入浸泡液中，即得到醋酸丁酸纤维素微球。
[0018]实施例2
[0019]准确称取2g木屑纤维素，加入到200g离子液体中，在60°C的油浴中溶解，待溶解后，用移液管加入丁酸酐3g，反应4h后，再加入乙酸酐2.4g继续反应，直至总酰化反应时间为5h，得到醋酸丁酸纤维素溶液。往500mL三口烧瓶中加入200mL棕榈油和6mL Span65，放入油浴中加热至70°C，然后在低速搅拌下，将醋酸丁酸纤维素溶液缓慢加入到三口烧瓶中，加完后搅拌速度设为900r/min,开始计时。15min后,停止加热缓慢降温至40°C,通过反相悬浮和程序降温，醋酸丁酸纤维素溶液凝结成球。在搅拌过程中，用滴管缓慢加入500mL蒸馏水使醋酸丁酸纤维素溶液液滴固化形成醋酸丁酸纤维素微球，加完蒸馏水后继续搅拌30min。停止搅拌，静置后将油水相分离，再用离心机将醋酸丁酸纤维素微球从水溶液中分离出来，从水溶液中回收离子液体。用蒸馏水洗涤醋酸丁酸纤维素微球3?6次，最后将纤维素微球浸泡在300mL蒸馏水中36h，使离子液体全部进入浸泡液中，即得到醋酸丁酸纤维素微球。
[0020]实施例3
[0021]准确称取2.5g竹纤维素，加入到200g离子液体中，在80°C的油浴中溶解，待溶解后，用移液管加入丁酸酐3g，反应4h后，再加入乙酸酐2g继续反应，直至总酰化反应时间为7h，得到醋酸丁酸纤维素溶液。往500mL三口烧瓶中加入150mL菜籽油和ImL Span20，放入油浴中加热至70°C，然后在低速搅拌下，将醋酸丁酸纤维素溶液缓慢加入到三口烧瓶中，加完后搅拌速度设为600r/min，开始计时。40min后，停止加热缓慢降温至40°C，通过反相悬浮和程序降温，醋酸丁酸纤维素溶液凝结成球。在搅拌过程中，用滴管缓慢加500mL蒸馏水使醋酸丁酸纤维素溶液液滴固化形成醋酸丁酸纤维素微球，加完蒸馏水后继续搅拌30min。停止搅拌，静置后将油水相分离，再用离心机将醋酸丁酸纤维素微球从水溶液中分离出来，从水溶液中回收离子液体。用蒸馏水洗涤醋酸丁酸纤维素微球3?6次，最后将纤维素微球浸泡在300mL蒸馏水中36h，使离子液体全部进入浸泡液中，即得到醋酸丁酸纤维素微球。[0022]实施例4
[0023]准确称取2g棉纤维素，加入到200g离子液体中，在80°C的油浴中溶解，待溶解后，用移液管加入丁酸酐1.5g，反应3h后，再加入乙酸酐2.5g继续反应，直至总酰化反应时间为5h，得到醋酸丁酸纤维素溶液。往500mL三口烧瓶中加入150mL液体石蜡10#和3mLSpan20与Span83混合液，放入油浴中加热至60°C，然后在低速搅拌下，将醋酸丁酸纤维素溶液缓慢加入到三口烧瓶中，加完后搅拌速度设为800r/min，开始计时。30min后，停止加热缓慢降温至40°C，通过反相悬浮和程序降温，醋酸丁酸纤维素溶液凝结成球。在搅拌过程中，用滴管缓慢加400mL蒸馏水使醋酸丁酸纤维素溶液液滴固化形成醋酸丁酸纤维素微球，加完蒸馏水后继续搅拌30min。停止搅拌，静置后将油水相分离，再用离心机将醋酸丁酸纤维素微球从水溶液中分离出来，从水溶液中回收离子液体。用蒸馏水洗涤醋酸丁酸纤维素微球3?6次，最后将纤维素微球浸泡在300mL蒸馏水中48h，使离子液体全部进入浸泡液中，即得到醋酸丁酸纤维素微球。
[0024]实施例5
[0025]准确称取2g甘蔗渣纤维素，加入到300g离子液体中，在50°C的油浴中溶解，待溶解后，用移液管加入丁酸酐4.5g，反应Ih后，再加入乙酸酐2.5g继续反应，直至总酰化反应时间为4h，得到醋酸丁酸纤维素溶液。往500mL三口烧瓶中加入300mL棕榈油和7mLSpan83，放入油浴中加热至60°C，然后在低速搅拌下，将醋酸丁酸纤维素溶液缓慢加入到三口烧瓶中，加完后搅拌速度设为800r/min，20min后停止加热缓慢降温至40°C，通过反相悬浮和程序降温，醋酸丁酸纤维素溶液凝结成球。在搅拌过程中，用滴管缓慢加300mL蒸馏水使醋酸丁酸纤维素溶液液滴固化形成醋酸丁酸纤维素微球，加完蒸馏水后继续搅拌30min。停止搅拌，静置后将油水相分离，再用离心机将醋酸丁酸纤维素微球从水溶液中分离出来，从水溶液中回收离子液体。用蒸馏水洗涤醋酸丁酸纤维素微球3?6次，最后将纤维素微球浸泡在300mL蒸馏水中48h，使离子液体全部进入浸泡液中，即得到醋酸丁酸纤维素微球。
【权利要求】
1.一种制备醋酸丁酸纤维素微球吸附材料的方法，其特征在于包括以下步骤: (1)将0.4g纤维素加入到9.6g离子液体中混合于干燥的三口烧瓶中，在50?80°C油浴中机械搅拌I?5h，待纤维素完全溶解在离子液体，将温度升高至50?90°C并恒温0.5h。用移液管加入丁酸酐1.2?4.5g,反应I?4h后,再加入乙酸酐0.5?2.4g继续反应，直至总酰化反应时间为2?7h，得到醋酸丁酸纤维素溶液。 (2)在60?100°C温度下，加入油相和乳化剂，醋酸丁酸纤维素溶液与油相的体积比为1: 2?1: 6，乳化剂与油相的体积比为1: 40?1: 100，在300?900r/min的转速下搅拌15?40min,形成反相悬浮体系； (3)调节温度，使体系以0.50C /min的速度降温至25?50°C，醋酸丁酸纤维素溶液凝结成液滴； (4)加入固化剂，醋酸丁酸纤维素溶液与固化剂的体积比为1: 2?1: 4，加固化剂后降低转速，继续搅拌10?30min，醋酸丁酸纤维素溶液液滴固化，形成醋酸丁酸纤维素微球； (5)离心分离固液相，用蒸馏水洗涤醋酸丁酸纤维素微球4?6次，然后将醋酸丁酸纤维素微球浸泡在适量蒸馏水中48h，使离子液体完全进入浸泡液中，即可得到醋酸丁酸纤维素微球。
2.根据权利要求1所述的一种制备醋酸丁酸纤维素微球吸附材料的方法，其特征在于所述的离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯盐和1-十六烷基-3-甲基咪唑氯盐中的一种或两种。
3.根据权利要求1所述的一种制备醋酸丁酸纤维素微球吸附材料的方法，其特征在于:所述的纤维素为棉纤维素、竹纤维素、木屑纤维素、甘蔗渣纤维素。
4.根据权利要求1所述的一种制备醋酸丁酸纤维素微球吸附材料的方法，其特征在于:所述的油相为液体石蜡10#、棕榈油、大豆油或菜籽油。
5.根据权利要求1所述的一种制备醋酸丁酸纤维素微球吸附材料的方法，其特征在于:所述的乳化剂为Span65、Span83、Span20或它们中的两种或两种以上组成的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种制备醋酸丁酸纤维素微球吸附材料的方法，其特征在于:所述的纤维素微球粒径为50?600 μ m。
【文档编号】B01J20/28GK103990439SQ201310335936
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2013年8月5日 优先权日:2013年8月5日
【发明者】林成刚, 宋洪浪, 梁涛, 覃宁波, 倪海明, 莫鸿业, 黄科林, 蔡广超, 贾艳桦, 王则奋, 柳春, 蓝丽 申请人:中国科技开发院广西分院, 广西弘耀祥科技有限公司