纖維素的溶解研究進展

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1、第1卷第2期熱帶生物學(xué)報Vo1.1No.22010年6月JOURNALOFTROPICALORGANISMSJun.2010文章編號:1674—7054(2010)02—0187—06纖維素的溶解研究進展徐田軍,馮玉紅,龐素娟(海南大學(xué)材料與化工學(xué)院,海南優(yōu)勢資源化工材料應(yīng)用技術(shù)教育部重點實驗室,海南海口570228)摘要:纖維素(Cellulose)作為可持續(xù)發(fā)展的可再生生物資源受到高度重視。但因其高聚合度和高結(jié)晶性而導(dǎo)致了難以溶解,難以加工。新的溶劑體系的開發(fā),特別是近年來發(fā)展的新型離子液體溶劑,使纖維素的溶解問題得以緩解

2、。筆者對比分析了用于纖維素溶解的各種溶劑體系的研究現(xiàn)狀、溶解機理及其優(yōu)缺點,并特別介紹了離子溶劑體系的特點及其溶解機理,以及作為新興的環(huán)保型溶劑的潛在前景,旨在為纖維素的改性、修飾及開發(fā)更多功能纖維素新材料提供參考。關(guān)鍵詞:纖維素;有機溶劑;水溶劑;酸溶劑;離子液體中圖分類號:0636.1“文獻標志碼:A纖維素(Cellulose)是自然界中廣泛存在的可再生資源。隨著各國對環(huán)境污染問題的日益重視,纖維素這種可持續(xù)發(fā)展的可再生資源的開發(fā)和應(yīng)用愈來愈受到關(guān)注。目前,纖維素資源與紡織、輕工、化工、國防、石油、醫(yī)藥、生物技術(shù)、環(huán)境保護

3、和能源等部門息息相關(guān),被廣泛應(yīng)用于造紙、纖維膜、聚合物和涂料等纖維素材料的生產(chǎn),但如何高效地分離出纖維素;研究制備纖維素基材料、再生纖維素以及纖維素晶體的物理化學(xué)結(jié)構(gòu),從而獲得特殊性能的功能產(chǎn)品;研究開拓纖維素在新技術(shù)、新材料和新能源中的應(yīng)用等等,成為國內(nèi)外科學(xué)家競相開展的研究課題?。然而,纖維素的溶解一直是這個領(lǐng)域的難點。纖維素材料的加工成型及應(yīng)用都離不開溶解。而在不同的溶劑中,纖維素溶解后的特性也表現(xiàn)出差異,例如液晶性質(zhì),PanarL2J,WerbowyjJ,Gray和Gilbert等做了不同溶劑中的纖維素液晶體系的研究。

4、Chanzy等]報道了纖維素在NMMO(N一甲基嗎啉一N一氧化物/水)中溶解后自身形成液晶相。這說明溶劑體系對纖維素基材料的研發(fā)有著重要的作用。筆者綜述了纖維素的溶解最新研究進展,旨在為纖維素的改性、修飾及開發(fā)更多功能纖維素新材料提供參考。1纖維素的傳統(tǒng)溶劑體系纖維素的結(jié)構(gòu)有2個明顯的特點:(1)分子間和分子內(nèi)強氫鍵作用;(2)纖維素纖維的局部規(guī)整的結(jié)晶序列。這兩點使纖維素的溶解成為一大難題,影響到產(chǎn)物的加工和應(yīng)用性能。要充分挖掘纖維素的應(yīng)用性能,纖維素的溶解是瓶頸之一。1.1銅氨法銅氨法的溶解機理被認為是溶解過程中形成了纖維

5、素醇化物或是分子化合物_8]。銅氨溶液對纖維素的溶解能力很強,但因銅和氨消耗量大,很難完全回收,而且污染嚴重,現(xiàn)已基本被淘汰。目前,銅氨溶劑主要用于纖維素聚合度的測試。其溶解度主要取決于纖維素的聚合度、溫度以及金屬絡(luò)合物的濃度。銅氨溶液對氧和空氣非常敏感,微量的氧就會使纖維素發(fā)生劇烈的氧化降解。纖維素銅氨化收稿日期:2009—12—22基金項目:國家自然科學(xué)基金(50763002,50863002),海南省自然科學(xué)基金項目(80605),海南大學(xué)基金項目(hdO9xm29,hdO9xm72,hdO9xm30)作者簡介:徐田軍(

6、1979一),男,江西萍鄉(xiāng)人,海南大學(xué)材料與化工學(xué)院2007級碩士研究生。通信作者:龐素娟,女,副教授,聯(lián)系電話:0898—66278326,E—mail:psjuan95@yahoo.eom.el。熱帶生物學(xué)報2010拄合物可被無機酸分解,產(chǎn)生纖維素沉淀——再生纖維素。1.2黏膠法黏膠法溶解纖維素是一個包含化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜過程。黏膠法制得的黏膠纖維具有良好的物理機械性能,其最大的缺陷是在生產(chǎn)過程中放出cs和Hs等有毒氣體和含鋅廢水,污染空氣和水,破壞生態(tài)環(huán)境,而且操作費用昂貴。因此,黏膠法在過去的幾年中已大量減少,特別是在發(fā)達

7、國家已基本不再使用。黏膠法的溶解機理是首先將纖維素用強堿處理生成堿纖維素,再與二硫化碳反應(yīng)得到纖維素磺酸鈉,然后溶解于NaOH中,在紡絲溶液擠出的同時,中間化合物重新轉(zhuǎn)化為纖維素_9J。1.3酸溶劑法對于酸溶劑,強調(diào)的是纖維素酸堿兩性特征的“酸一堿概念”。質(zhì)子酸、劉易斯酸能在適當?shù)臐舛认氯苊浐腿芙饫w維素,使纖維素的羥基質(zhì)子化”引。當質(zhì)子酸的量足夠多、濃度適當時,纖維素就會溶解,例如硫酸和磷酸¨。硫酸的濃度小于75%時,只能使纖維素溶脹,不會溶解。對硫酸而言,最適宜的溫度范圍是0~20℃_】,溫度過高將會導(dǎo)致纖維素的過度降解。同

8、樣,磷酸也只能在81%一85%和92%~97%這兩個濃度區(qū)間內(nèi)才能溶解纖維素,濃度小于81%時只會溶脹,在這兩個濃度區(qū)間范圍內(nèi)只能部分溶解-l。此外,溶解纖維素的質(zhì)子酸還有硝酸(68%)¨、鹽酸(40%一42%)¨等。對于作為纖維素溶劑的劉易斯酸,要求其反離子通常是一些低電荷

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