[发明专利]一种常温下溶解改性纤维素的方法及其应用

说明书

本发明公开了一种常温下溶解改性纤维素的方法及其应用，包括将纤维素原料加入到含环氧化物的金属盐溶剂中，在常温下快速搅拌混合均匀，制备得到改性纤维素溶液；经过改性的纤维素溶液可用于制备一系列性能优异的纤维素凝胶、薄膜、纤维、3D打印墨水材料等。本发明通过“一锅法”在常温下溶解和改性纤维素，纤维素溶剂同时作为纤维素溶解的溶剂和环氧化物开环改性纤维素的催化剂，具有能耗低、耗时短、操作简便等优点，改性后制备的纤维素凝胶、薄膜、纤维、3D打印墨水材料具有优异的力学性能，干燥得到的纤维素薄膜、纤维等拥有更高的机械性能和防水。

技术领域

本发明属于纤维素改性技术领域，具体涉及到一种常温下溶解改性纤维素的方法及其应用。

背景技术

化石能源的短缺和环境污染的加剧迫使人们致力于开发可降解的生物质材料。纤维素作为地球上储量最丰富的可再生生物质资源，在实现“双碳”这一目标中起着不容小觑的推动作用。纤维素溶解是实现其高值化利用的重要途径之一，为纤维素原料的加工改性和材料构建提供高效的手段和方式。经过溶解得到的纤维素溶液可用于制备一系列纤维素基材料如凝胶、薄膜、纤维、3D打印墨水材料等，将纤维素溶液改性可以制备功能多样化的高强度纤维素基材料，在食品包装、生物医药、工业过滤和组织工程等领域具有很大的应用前景。

化学交联改性主要依靠共价键来形成三维网状结构，经过改性后制备的纤维素材料在整体性能上都会有不同程度的提升。但由于纤维素分子溶解困难，已报道的纤维素溶剂体系对改性剂的兼容性差，因此目前对溶解纤维素的交联改性，一般采用两步法：(1)先将纤维素充分溶解得到稳定的纤维素溶液，(2)再添加改性剂实现纤维素改性。例如：Zhao等先将纤维素溶解在预冷至-12℃氢氧化锂/尿素水溶液中，随后加入环氧氯丙烷作为化学交联剂，在5℃下化学交联反应24小时，形成含有共价网络的化学交联纤维素凝胶，该水凝胶最佳断裂强度可达4.8MPa、压缩强度可达2.7MPa。Chang等以氢氧化钠/尿素体系为溶剂溶解纤维素，将环氧氯丙烷加入到纤维素溶液中于25℃下搅拌1小时，然后将混合液在50℃下加热20小时或者在-20℃下冷冻20小时进行化学交联形成凝胶，冷冻处理后的水凝胶具有较强的机械强度，加热制备的纤维素水凝胶具有更好的透光率、更高的溶胀率和更高的吸水率。CN102585255A介绍了一种将果胶、纤维素分别溶解于氢氧化钠/尿素的水溶液中，然后将两种溶液均匀混合并加入环氧氯丙烷进行交联的方法，凝胶温度需升至30～60℃，处理2～12小时后形成果胶/纤维素水凝胶，可以作为一种吸附性能良好的支架材料。由此可见，目前利用环氧化物改性纤维素都是通过先溶解后交联的两步法实现，并且通常需要特定的碱性外部环境和加热处理，这一过程必然伴随着能耗的增加与纤维素降解的增加。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

本发明的其中一个目的是提供一种常温下溶解改性纤维素的方法，在常温下可同时实现纤维素的溶解和改性，具有反应条件温和、操作简便、能耗低、耗时短、对环境友好等优点。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种常温下溶解改性纤维素的方法，包括，

将纤维素原料加入到含环氧化物的金属盐溶剂中，在常温下快速搅拌混合均匀，制备得到改性纤维素溶液；

其中，所述金属盐溶剂包括氯化铝、氯化铁、氯化锂、氯化锰、氯化锌、溴化锌中的一种或两种与水的混合溶剂；

所述环氧化物包括环氧氯丙烷、环氧丙烷、乙二醇二缩水甘油醚、聚乙二醇二缩水甘油醚、1，4-丁二醇二缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚中的一种或多种的组合。

作为本发明常温下溶解改性纤维素的方法的一种优选方案，其中：所述改性纤维素溶液的固含量为0.5～10.0wt％。