[发明专利]一种连续制备纤维素/离子液体溶液的方法

说明书

技术领域

本发明涉及再生纤维素材料生产中纤维素/离子液体溶液的连续制备方法。

背景技术

纤维素是一种性能优良的天然高分子材料，具有储量巨大、可再生、可降解等优点，加工和利用纤维素材料对全世界的循环经济和可持续发展具有积极的意义。由于未改性的纤维素不能熔融，因此溶液加工一直是制备再生纤维素材料的主要手段。目前，粘胶法是最主要的生产再生纤维素的方法，然而却具有污染大、能耗高等缺点。

近年来，用离子液体制备再生纤维素材料的新工艺引起了人们的重视。离子液体具有熔点低、不挥发的特性，是一种能够有效回收并循环使用的新型绿色溶剂。已经发现有若干种离子液体对纤维素有很好的溶解性，并且可以用来制备再生纤维素纤维和再生纤维素膜。

在再生纤维素材料的生产中，纤维素溶液制备是一个关键的技术。只有溶液中纤维素聚合度符合要求，而且均匀、无气泡、无胶粒、无杂质，才能稳定地制备出性能优良的产品。如果纤维素聚合度过低，产品性能就会劣化。如果溶液的均匀差，生产工艺就不稳定。

目前，已经报道的制备纤维素/离子液体溶液的方法通常采用溶解釜，就是把溶剂离子液体和纤维素成批加入容器中，然后一边搅拌一边加热，直到形成均匀溶液。专利CN 1491974A中的溶解工艺就属于这种方法。这种方法的缺点是溶解时间长，效率低。虽然升高溶解温度能够加快溶解，但是往往造成纤维素过度降解，对产品性能不利。专利CN 1596282A中使用微波辐射提高溶解效率。虽然该方法有比较好的效果，但是在工业生产中应用大功率的微波器会增加工艺复杂性和设备投资。在专利WO2006/000197A1中，纤维素先在水中进行分散，然后再加入离子液体中进行溶解。众所周知，水对纤维素有很强的溶胀作用，因此该技术对纤维素溶解有一定的帮助。但是，因为水会使离子液体失去溶解纤维素的能力，所以在溶解过程中必须除去水分。这造成工艺上的复杂性，并因需要蒸除水份而增加能耗。以上溶解技术均属于分批溶解方法，即一次制备出一批纤维素溶液。在研究中进一步发现，除了溶解效率低，分批溶解法还有另外一个缺点：同时溶解的物料不能同时进入纺丝或制膜工序，因此纤维素降解的程度不同。这将造成产品性能的波动。在溶解温度较高时，这个问题尤其严重。此外，分批溶解法缺点还有：不同批次的溶液的纤维素分子量难保持一致；增大溶液浓度时溶液黏度和Weissenberg现象(俗称爬杆现象)增强，导致溶解效率急剧下降等。

在塑料工业中，螺杆挤出机是进行塑料熔融、加工的重要设备。通常混合均匀的固体原料通过一个漏斗加入螺杆挤出机的喂料端，在螺杆旋转作用下，受到推动向另一端前进。在前进过程中，由于受到机筒的加热、螺杆剪切、机械摩擦等多种作用，塑料逐渐熔融，变成熔体。当需要加入液体组分时，一般在机筒中间的某个部位设侧喂料口，把液体注入熔融的塑料中。不在喂料端直接加入液体的原因是：螺杆推动低黏度液体前进的能力很差，在喂料端加液体将造成物料打滑，无法正常向前输送。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够高效率地、并且能保证纤维素不过度降解的制备均一的纤维素/离子液体溶液的方法。

本发明所提供的连续制备纤维素/离子液体溶液的方法，是先将纤维素和离子液体混合成软泥状混合物，然后再将所述软泥状混合物加入螺杆挤出机的喂料口中进行连续溶解，在螺杆挤出机的出口得到纤维素/离子液体溶液。

其中，纤维素为50～400目的粉末、长度小于10毫米的纤维、粒径小于3毫米的小块之中任意一种或几种的组合。纤维素为纤维素和离子液体总重量的4～30％，混合的温度为0℃至60℃。为了能够制备得到功能性的纤维素，将纤维素和离子液体混合成软泥状混合物时，还向其中添加有功能添加剂和/或填料。

本发明中，螺杆挤出机可选择单螺杆挤出机、双螺杆挤出机或者多螺杆挤出机。其中，螺杆挤出机的长径比为8～50，螺杆挤出机的喂料段、中间段、机头段温度分别为40～100℃、80～140℃、60～140℃，转速为30～600转/分。溶解过程中，还利用螺杆挤出机的抽真空排气系统减少纤维素/离子液体溶液中夹带的空气。