[发明专利]离子液体的制备及应用

说明书

本发明涉及新型离子液体（N‑烷基‑N‑烯丙基吗啡啉乙酸盐）的制备和应用，其组成为：85～100%N‑烷基‑N‑烯丙基吗啡啉乙酸盐和0～15%的水，溶剂添加量0～1000wt%。本发明还提供上述离子液体的制备方法：一种是置换反应；另一种是离子交换反应。该离子液体具有很强的溶解能力，可溶解30 wt%的纤维素。添加特定溶剂提升该离子液体的溶解能力，溶解纤维素达100 wt%，即1克的离子液体可溶解1克的纤维素。本发明的离子液体应用特点是：该离子液体和溶剂可回收，循环使用，制备工艺简单，工艺参数易控制，工业化可行，为进一步有效利用纤维素资源，开拓纤维素在新技术、新材料和新能源领域打开了大门。

技术领域

本发明涉及新型离子液体（N-烷基-N-烯丙基吗啡啉乙酸盐）的制备，用于纤维素的溶解，根据不同的途径，溶解后的纤维素可被制成各种产品。高效溶解纤维素是以纤维素为原料的新型材料开发利用的关键所在。

背景技术

随着石油、煤、天然气不可再生、不可持续能源的大量消耗以及日益突出的环境和生态问题，对新型能源的可持发展与利用变得越来越重要。纤维素是自然界最为丰富的可再生资源（纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上，棉花的纤维素含量接近100%，为天然的最纯纤维素来源；木材中，纤维素占40～50%，还有10～30%的半纤维素和20～30%的木质素；纤维素也可从农产品的副产物中提取，如麦秸、稻草、甘蔗渣等），越来越受到重视，已被认为是制备新型材料和未来化工原料的主要来源。

但是，到目前为止，纤维素大部分未能被有效利用，主要是由于纤维素化学结构所决定。纤维素主要是以D-吡喃葡萄糖基通过β-1,4苷键连接起来的具有线性结构的高分子化合物(见图1)，分子链上存在大量不同的分子内和分子间氢键，在固态下聚集成不同水平的原纤结构，这使得纤维素分子结构非常的稳定，这样的结构特性严重影响了纤维素的反应活性，一般的溶剂很难溶解纤维素。如何发明一种有效溶解纤维素的溶剂，成为纤维素在应用开发中的最大障碍。

当前，生产纤维的最主要工艺方法是粘胶法（Viscose process），主是用氢氧化钠、二硫化碳 、硫酸等作为溶剂，使天然纤维素经过碱纤维的制备、老化、磺化、熟成、过滤等工艺成为再生纤维。此种方法要用到大量的腐蚀性和有毒物质，且需要大量的水资源，对环境造成比较大的破坏。另一种已工业化生产的纤维叫Lyocell纤维，主要是将天然纤维直接溶解在N-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）和水混合溶剂中，经纺丝而制成；此方法需要很高的安全技术，而生成的纤维容易萎缩。因此，除了传统的工业生产外，如何进一步有效利用纤维素资源，开拓纤维素在新技术、新材料和新能源领域中的应用，成为国内外科学家竞相开展的研究课题。

另一种新型的溶解纤维素方法是利用离子液体，离子液体具有低熔点、低蒸汽压、非燃性、高稳定性等特点，有良好的热稳定性和化学稳定性。已被广泛应用于有机合成、电化学、催化、分离等领域。离子液体已被证实具有溶解纤维素的能力，根据不同的途径，溶解后的纤维素可被制成各种产品，其产品性能与以石化为原料得到的产品类似，并且离子液体在纤维素再生时可回收，并可循环使用，这对环境和控制投资成本都十分有利。目前主要是用烷基吡啶和双烷基咪唑季铵盐来溶解纤维素，溶解能力≤ 20wt%。本发明主要是合成N-烷基-N-烯丙基吗啡啉乙酸盐（N- alkyl-N-allyl-morpholinium acetate见图2 ），属于吗啡啉类季铵盐离子液体。此离子液体对纤维素具有很强的溶解能力，可达30 wt%，在添加溶剂的情况下可达100 wt%。并且在其溶解纤维素后可回收再次循环使用，极大的节约了投资成本。

发明内容