一種含酯基季銨鹽改性納米纖維素及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于纖維素有機(jī)改性領(lǐng)域，具體涉及一種含酯基季銨鹽改性納米纖維素及 其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 纖維素是世界上最豐富的天然有機(jī)物之一，納米纖維素及其衍生物在紡織、輕工、 化工、國防、石油、醫(yī)藥、能源、生物技術(shù)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。但是由于天然纖 維素的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其分子間和分子內(nèi)存在著較多羥基和較高的結(jié)晶度，不能在水和 一般有機(jī)、無機(jī)溶劑中溶解，也缺乏熱可塑性，并且耐化學(xué)腐蝕性、強(qiáng)度都比較差，這對(duì)其成 型、加工和應(yīng)用都極為不利，致使其應(yīng)用受到許多限制。例如，在纖維素對(duì)聚乳酸的改性應(yīng) 用中，存在纖維素與聚乳酸的相容性不佳且力學(xué)性能較差等問題。
[0003] 目前已有報(bào)道采用小分子和高分子季銨鹽陽離子協(xié)同改性納米纖維素，但是該方 法技術(shù)較為復(fù)雜，改性劑不易降解，且僅應(yīng)用于紡織染色領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，目的在于提供一種含酯基季銨鹽改性納米纖維素及 其制備方法和應(yīng)用。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0006] -種含酯基季銨鹽改性納米纖維素的制備方法，包括如下步驟：
[0007] (1)將納米纖維素粉末溶于去離子水中，經(jīng)超聲處理并充分?jǐn)嚢韬?，得到分散均?的納米纖維素水分散液；
[0008] (2)向納米纖維素水分散液中加入含酯基季銨鹽表面活性劑，充分反應(yīng)后，得到白 色懸浮液；將白色懸浮液進(jìn)行超聲處理，然后離心去除上層清液，得到白色固體沉淀；
[0009] (3)將白色固體沉淀用去離子水洗滌，再經(jīng)真空冷凍干燥后得到含酯基季銨鹽改 性納米纖維素。
[0010] 上述方案中，所述含酯基季銨鹽表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)式如下：
[0011]
[0012] 其中，R為C12~C16的烷基。
[0013] 上述方案中，所述納米纖維素粉末和含酯基季銨鹽表面活性劑的質(zhì)量比為4:1~ 3:1〇
[0014] 上述方案中，所述納米纖維素水分散液的固液比為2g~5g :100ml。
[0015] 上述方案中，步驟（2)所述充分反應(yīng)為：升溫至30-40 °C，邊攪拌邊反應(yīng)2-4h。
[0016] 上述方案中，步驟（2)所述超聲處理的超聲功率為100W，超聲時(shí)間為15~30min。
[0017] 上述制備方法制備得到的含酯基季銨鹽改性納米纖維素。
[0018] 上述含酯基季銨鹽改性納米纖維素在纖維素改性聚乳酸中的應(yīng)用。
[0019] 本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明采用含酯基季銨鹽表面活性劑對(duì)納米纖維素進(jìn)行 改性，該陽離子表面活性劑高效無毒，合成方法簡(jiǎn)單，正電荷密度高，同時(shí)易于降解，其酯基 能有效地與纖維素表面羥基作用，能有效改善納米纖維素與多種極性疏水性聚合物（如聚 乳酸）的相容性；本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單，易于操作，制備得到的含酯基季銨鹽改性納米纖維 素?zé)o毒性，兼具有機(jī)相容性和可降解性，將其應(yīng)用于纖維素改性聚乳酸薄膜，獲得的薄膜具 有無毒、易降解和拉伸性能良好的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0020] 圖1為使用相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的未改性納米纖維素和本發(fā)明實(shí)施例所制備的含酯基 季銨鹽改性納米纖維素分別制備的改性聚乳酸薄膜樣品圖。
[0021] 圖2為使用相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的未改性納米纖維素和本發(fā)明實(shí)施例所制備的含酯基 季銨鹽改性納米纖維素分別制備的改性聚乳酸薄膜的拉伸性能曲線。
[0022] 其中A為使用未改性納米纖維素，B為使用含酯基季銨鹽改性納米纖維素。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的 內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。
[0024] 實(shí)施例1
[0025] -種含酯基季銨鹽改性納米纖維素，通過如下方法制備得到：
[0026] (1)將2g納米纖維素粉末溶于100mL去離子水中，超聲處理15min，充分?jǐn)嚢韬蟮?到分散均勻的納米纖維素水分散液；
[0027] (2)向納米纖維素水分散液中加入0. 5g含酯基季銨鹽表面活性劑，升溫至30°C， 充分?jǐn)嚢瑁磻?yīng)2h，得到白色懸浮液；將白色懸浮液超聲處理15min，然后在lOOOOr/min轉(zhuǎn) 速下離心，去除上層清液，得到白色固體沉淀；
[0028] (3)將白色固體沉淀用去離子水洗滌2次，真空冷凍干燥24h后，將得到的白色固 體研磨，得到粉末狀固體即含酯基季銨鹽改性納米纖維素。
[0029] 本實(shí)施例中，所述含酯基季銨鹽表面活性劑為C16雙酯基季銨鹽表面活性劑，其 分子結(jié)構(gòu)式如下：
[0030]
[0031] 其中，R為C12的烷基。
[0032] 實(shí)施例2
[0033] -種含酯基季銨鹽改性納米纖維素，通過如下方法制備得到：
[0034] (1)將3g納米纖維素粉末溶于100mL去離子水中，超聲處理15min，充分?jǐn)嚢韬蟮?到分散均勻的納米纖維素水分散液；
[0035] (2)向納米纖維素水分散液中加入0. 75g含酯基季銨鹽表面活性劑，升溫至30°C， 充分?jǐn)嚢?，反?yīng)2h，得到白色懸浮液；將白色懸浮液超聲處理20min，然后在lOOOOr/min轉(zhuǎn) 速下離心，去除上層清液，得到白色固體沉淀；
[0036] (3)將白色固體沉淀用去離子水洗滌2次，真空冷凍干燥24h后，將得到的白色固 體研磨，得到粉末狀固體即含酯基季銨鹽改性納米纖維素。
[0037] 本實(shí)施例中，所述含酯基季銨鹽表面活性劑為C16雙酯基季銨鹽表面活性劑，其 分子結(jié)構(gòu)式如下：
[0038]
[0039] 其中，R為C14的烷基。
[0040] 實(shí)施例3
[0041] 一種含酯基季銨鹽改性納米纖維素，通過如下方法制備得到：
[0042] (1)將4g納米纖維素粉末溶于100mL去離子水中，超聲處理15min，充分?jǐn)嚢韬蟮?到分散均勻的納米纖維素水分散液；
[0043] (2)向納米纖維素水分散液中加入I. 3g含酯基季銨鹽表面活性劑，升溫至35°C， 充分?jǐn)嚢?，反?yīng)3h，得到白色懸浮液；將白色懸浮液超聲處理25min，然后在llOOOr/min轉(zhuǎn) 速下離心，去除上層清液，得到白色固體沉淀；
[0044] (3)將白色固體沉淀用去離子水洗滌2次，真空冷凍干燥24h后，將得到的白色固 體研磨，得到粉末狀固體即含酯基季銨鹽改性納米纖維素。
[0045] 本實(shí)施例中，所述含酯基季銨鹽表面活性劑為C16雙酯基季銨鹽表面活性劑，其 分子結(jié)構(gòu)式如下：
[0046]
[0047] 其中，R為C14的烷基。
[0048] 實(shí)施例4
[0049] 一種含酯基季銨鹽改性納米纖維素，通過如下方法制備得到：
[0050] (1)將5g納米纖維素粉末溶于100mL去離子水中，超聲處理15min，充分?jǐn)嚢韬蟮?到分散均勻的納米纖維素水分散液；
[0051] (2)向納米纖維素水分散液中加入I. 67g含酯基季銨鹽表面活性劑，升溫至40°C， 充分?jǐn)嚢?，反?yīng)4h，得到白色懸浮液；將白色懸浮液超聲處理30min，然后在12000r/min轉(zhuǎn) 速下離心，去除上層清液，得到白色固體沉淀；
[0052] (3)將白色固體沉淀用去離子水洗滌3次，真空冷凍干燥24h后，將得到的白色固 體研磨，得到粉末狀固體即含酯基季銨鹽改性納米纖維素。
[0053] 本實(shí)施例中，所述含酯基季銨鹽表面活性劑為C16雙酯基季銨鹽表面活性劑，其 分子結(jié)構(gòu)式如下：
[0054]
[0055] 其中，R為C16的烷基。
[0056] 將實(shí)施例1~4制備得到的含酯基季銨鹽改性納米纖維素應(yīng)用于纖維素改性聚乳 酸薄膜的制備，同時(shí)使用未改性的納米纖維素作為對(duì)照，具體的操作步驟為：（1)分別取相 同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的未改性納米纖維素和含酯基季銨鹽改性納米纖維素與聚乳酸溶解于三氯甲 烷溶劑中，邊攪拌邊反應(yīng)3h ; (2)將溶液均勻地涂在玻璃板上，在40°C下真空干燥24h，使溶 劑完全揮發(fā)，使用刮刀將薄膜刮下，得到纖維素改性聚乳酸薄膜。使用本發(fā)明含酯基季銨鹽 改性納米纖維素改性制備的纖維素改性聚乳酸薄膜與對(duì)照組（使用未改性納米纖維素制 備的纖維素聚乳酸薄膜）的樣品對(duì)比圖見圖1，拉伸性能曲線見圖2。從圖1可以看出，對(duì) 照組中納米纖維素有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，說明與聚乳酸的相容性不好，而使用本發(fā)明所述含 酯基季銨鹽改性納米纖維素基本觀察不到團(tuán)聚的現(xiàn)象，這說明了含酯基季銨鹽改性納米纖 維素與聚乳酸的相容性得到了明顯的改善。從圖2可以看出，使用含酯基季銨鹽改性的納 米纖維素制備的纖維素改性聚乳酸薄膜具有更好的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。
[0057] 顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明所作的實(shí)例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限制。對(duì) 于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或 變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而因此所引申的顯而易見的變化或變 動(dòng)仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種含酯基季銨鹽改性納米纖維素的制備方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 將納米纖維素粉末溶于去離子水中，經(jīng)超聲處理并充分?jǐn)嚢韬?，得到分散均勻的納 米纖維素水分散液； (2) 向納米纖維素水分散液中加入含酯基季銨鹽表面活性劑，充分反應(yīng)后，得到白色懸 浮液；將白色懸浮液進(jìn)行超聲處理，然后離心去除上層清液，得到白色固體沉淀； (3) 將白色固體沉淀用去離子水洗滌，再經(jīng)真空冷凍干燥、研磨后得到含酯基季銨鹽改 性納米纖維素。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述含酯基季銨鹽表面活性劑的分 子結(jié)構(gòu)式如下：其中，R為C12~C16的烷基。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述納米纖維素粉末和含酯基季銨 鹽表面活性劑的質(zhì)量比為4:1~3:1。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述納米纖維素水分散液的固液比 為 2g~5g: 100ml。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（2)所述充分反應(yīng)為：升溫至 30-40 °C，邊攪拌邊反應(yīng)2-4h。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（2)所述超聲處理的超聲功率為 100W，超聲時(shí)間為15~30min。7. 權(quán)利要求1~6任一所述制備方法制備得到的含酯基季銨鹽改性納米纖維素。8. 權(quán)利要求7所述的含酯基季銨鹽改性納米纖維素在纖維素改性聚乳酸中的應(yīng)用。
【專利摘要】本發(fā)明屬于纖維素有機(jī)改性領(lǐng)域，具體涉及一種含酯基季銨鹽改性納米纖維素及其制備方法和應(yīng)用。所述含酯基季銨鹽改性納米纖維素通過如下方法制備得到：向納米纖維素水分散液中加入含酯基季銨鹽表面活性劑，充分反應(yīng)后，得到白色懸浮液；將白色懸浮液進(jìn)行超聲處理，然后離心去除上層清液，取白色固體沉淀，經(jīng)真空冷凍干燥、研磨后得到含酯基季銨鹽改性納米纖維素。本發(fā)明采用含酯基季銨鹽表面活性劑對(duì)納米纖維素進(jìn)行改性，該陽離子活性劑高效無毒，合成方法簡(jiǎn)單，正電荷密度高，同時(shí)易于降解，其酯基能有效地與纖維素表面羥基作用，能有效改善納米纖維素與多種極性疏水性聚合物(如聚乳酸)的相容性。
【IPC分類】C08B15/06, C08L67/04, C08L1/08
【公開號(hào)】CN104910281
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510328479
【發(fā)明人】劉治田, 李洋, 張旗, 李超, 王成, 蔡雄, 吳瑤
【申請(qǐng)人】武漢工程大學(xué), 武漢寶利美新材料科技有限公司
【公開日】2015年9月16日
【申請(qǐng)日】2015年6月15日