[发明专利]降解纤维素的方法

说明书

本发明描述了一种通过将纤维素在离子液体中溶解并在高温下如果合 适的话在水的存在下处理而降解纤维素的方法。

纤维素是最重要的可再生原材料，并且在例如纺织、纸张和非织造织 物工业中是重要的原料。它还用作纤维素衍生物和改性物的原材料，纤维 素衍生物和改性物包括纤维素醚如甲基纤维素和羧甲基纤维素，基于有机 酸的纤维素酯如乙酸纤维素、丁酸纤维素，以及基于无机酸的纤维素酯如 硝酸纤维素，及其它。这些衍生物和改性物有多种用途，例如在食品工业、 建筑工业和表面涂层工业中。

纤维素的特征在于其不溶性，特别是在通常的有机化学溶剂中。目前 一般使用N-甲基吗啉N-氧化物、无水肼、二元混合物如甲胺/二甲亚砜或 三元混合物如乙二胺/SO₂/二甲亚砜作为溶剂。但是，也可以使用含盐体系 如LiCl/二甲基乙酰胺、LiCl/N-甲基吡咯烷酮、硫氰酸钾/二甲亚砜等。

Rogers等人最近报道(J.Am.Chem.Soc.124，4974(2002))纤维素可溶 于离子液体如氯化[1-丁基-3-甲基咪唑鎓]中。

通常纤维素的特征在于其平均聚合度(DP)。纤维素的DP取决于其来 源；因此，原棉的DP可高达12000。棉绒的DP通常为800-1800，木浆的 DP在600-1200范围内。但是，对于很多应用都希望使用DP小于上述值 的纤维素，而且还希望降低链长较长的聚合物的比例。

已知很多降解纤维素的方法。这些方法可以分成四个组：机械降解、 热降解、辐射降解和化学降解(D.Klemm等人，Comprehensive Cellulose Chemistry，第1卷，第83-127页，Wiley Verlag，1998年)。

在机械降解的情况下，例如干磨或湿磨，缺点是纤维素的DP仅降低 很小的程度。

已知的化学降解方法有酸性降解、碱性降解和氧化降解以及酶催降解。

在非均相酸性降解中，纤维素例如在稀无机酸中悬浮并在高温下进行 处理。在该方法中，发现后处理后得到的纤维素(降解纤维素)的DP并没有 降到“平衡聚合度”(LODP)以下。看来LODP与所用纤维素的结晶区尺 寸有关。这取决于所用纤维素以及如果例如额外加入溶剂如二甲亚砜、水、 醇或甲乙酮则也取决于反应介质。在该方法中，由于纤维素的无定形区和 可及区完全水解，降解纤维素的收率低。

此外，也可以使纤维素在均相体系中进行酸性降解。这里，纤维素例 如溶解于LiCl/二甲基甲酰胺混合物中并用酸进行处理。在该方法中，溶液 的制备成本非常高，后处理复杂且降解纤维素的收率低。

在纤维素的碱性降解中，葡萄糖单元在纤维素的还原端逐步断裂。这 导致降解纤维素收率低。

通常通过氧气进行纤维素的氧化降解。通常包括首先形成单独的葡糖 酐单元，然后这些单元进一步反应形成不稳定的中间体，最终导致链的断 裂。该反应通常难以控制。

在辐射降解的情况下，纤维素可以用高能辐射如X-射线进行处理。这 里，纤维素的DP降低得非常快。但是，也发生纤维素的化学改性，形成 大量的羧酸或酮官能团。另一方面，如果使用低能辐射如UV/可见光，则 需要使用光敏剂。这里也由于酮官能团的形成而发生纤维素改性，或者如 果在辐照期间存在氧，则形成过氧化物。

在热处理的情况下，降解过程不可控，另外，纤维素被改性；特别是 可形成脱氢纤维素。

上述方法因此存在各种缺点，所以需要提供一种不发生聚合物改性且 收率高的简化的纤维素降解方法。

现已发现一种纤维素降解方法，包括将纤维素溶解于离子液体中并在 高温下如果合适的话在水的存在下处理该溶液。

对本发明而言，优选离子液体为

(A)通式(I)的盐