[发明专利]一种阳离子纤维素的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及功能高分子材料技术领域，具体是以天然纤维素为基材来制备一种表面阳离子电荷高、可生物降解的阳离子纤维素的方法。

背景技术

阳离子纤维素是一种天然高聚物，是阳离子高聚物家族中最重要的代表之一，由于其表面带有大量的正电荷，能与各种形式存在的阴离子发生反应，因此广泛应用在造纸、日用、印染、废水处理、纺织、空气净化等领域。

目前，阳离子纤维素的制备方法有很多，主要包括水溶剂法、有机溶剂法、一般干法和微波干法等。其中，水溶剂法虽然反应条件温和，生产设备简单，但其反应时间长，效率低，必须增加化学试剂如催化剂、抗凝胶剂等，因此后处理时，需用大量溶剂洗涤以除去这些盐类，造成纤维素流失和严重的废水污染；有机溶剂法虽然反应效率高，操作简便，反应条件温和，但需使用大量昂贵的有机溶剂，因而反应设备庞大，成本高，不安全；一般干法虽然效率高，产率可达90-100％，无废水，适用于制备高取代度的产品，但是反应不均一，对反应设备要求高；微波干法具有技术新颖、工艺简单、制备周期短、效率高、能耗低、自动化程度高等特点。

利用低温等离子体的辉光放电功能，来激发纤维素，使其表面产生大量自由基，从而进行纤维素的各种改性反应是近几年来逐渐发展起来的一种新技术。

但至今为止，尚未发现有将低温等离子体与微波反应相结合制备阳离子纤维素的相关报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可在微量水分存在的情况下，经低温等离子体处理后，在微波发生器的反应环境中，以纤维素基材为主要原料制成的高阳离子电荷的阳离子纤维素，且该阳离子纤维素的生物可降解性好，并能充分利用再生能源。

本发明以如下技术方案解决上述技术问题：

本发明阳离子纤维素的制备方法，它的操作步骤如下：

1)将纤维素原料风干备用，测其水分，取水分含量为8～10％的纤维素置于等离子体反应腔中进行低温等离子体处理，等离子体处理条件为处理电压60～200V，真空度900～1400Pa，放电时间为40～240s；

2)按阳离子醚化剂与纤维素原料的质量比为0.1～1∶1取质量浓度69％的阳离子醚化剂，按阳离子醚化剂与NaOH的质量比为2∶1～10∶1取NaOH溶于1～6重量倍的水中，将阳离子醚化剂与NaOH水溶液混合后迅速将混合物以喷雾的方式喷洒到上述处理过的纤维素原料上，充分搅拌混匀，放置10分钟，放入微波反应器中，在微波反应功率为100～500W的反应条件下，反应时间1～10min，取出粗产品用体积浓度为80％的乙醇搅拌浸泡1h，再用体积浓度为80％的乙醇和水洗涤抽滤至PH为6～7，在60℃条件下干燥6h，即制得阳离子纤维素，放入密封袋置于干燥器中保存。

所述纤维素原料是云杉、杨木、马尾松、芒秆、桑皮、棉秆皮、蔗渣或苎麻纤维。

所述低温等离子体的规格为：频率为8～18KHZ、放电功率为60W～100W、电极尺寸为8000～10000mm²、两电极间隙为7mm～55mm。

所述阳离子醚化剂为3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵。

本发明方法将低温等离子体与微波反应相结合，利用低温等离子体的辉光放电功能和微波反应器的“内加热”功能来制备阳离子纤维素，由于反应中所使用的醚化剂中含有大量的氮元素并带有大量的正电荷，因此所制得的阳离子纤维素中的氮含量比天然纤维素高，并且Zeta电位也比天然纤维素的Zeta电位高。

本发明采用天然纤维素原料作为基材，在等离子辐射预处理条件下通过微波干法合成一种阳离子纤维素，不仅使纤维素表面暴露出更多的自由羟基有利于后续活化反应的进行，又能借助微波反应本身的优点，缩短反应时间、降低能耗，并且保持纤维素原有的固体形貌，是一种可靠并且有效的制备方法。本发明方法既不会破坏纤维素的天然结构，影响其性能，又使纤维素中引入大量的阳离子基团，使纤维素表面显正电性，从而具有吸附各种阴离子物质的功能。可广泛应用在造纸、日用、印染、废水处理、纺织、空气净化等领域。

本发明采用等离子体放电使纤维素表面产生活性自由基的原理为：

微波干法制备阳离子纤维素的反应过程原理为：

(1)纤维素碱化处理：