[发明专利]一种高取代度的阳离子纤维素及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于天然多糖聚合物的功能化反应技术领域，特别涉及一种高取代度的阳离子纤维素及其制备方法与应用。

背景技术

纤维素衍生物是以纤维素高分子中的羟基与化学试剂发生酯化或醚化反应后的生成物，其具有优良的水溶解性、表面活性、稳定胶体、生态和生物相容等性质，能起到分散、乳化、增稠、粘合、成膜和保水等作用，其应用范围涵盖了从一般民用、工业及至新材料等众多技术领域，且处于不断拓展过程中，是十分重要的精细功能高分子材料。

对纤维素的阳离子化反应是实现纤维素功能化应用的重要技术内容之一。纤维素通过阳离子反应过程，可以获得优异或特殊的水溶、抗菌、抗静电、pH稳定和絮凝等性能，因此能够广泛应用于日化、纺织、造纸和采油等技术领域，也在新型抗菌和抗静电材料、药用辅料及载体材料和基因转染材料等新兴技术领域有巨大的应用潜力。

目前，有关天然纤维素阳离子化反应改性的研究报道并不多，现有的工作还不能满足阳离子纤维素商业化开发的技术的需求。存在的较典型的问题如：

赵耀明等采用在非均相反应体系中，以碱性棉短绒纤维素为原料、3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CTA)为醚化剂合成季铵盐阳离子纤维素醚，工艺过程需要对碱化纤维素进行多次压榨和洗涤除碱工艺，操作繁琐和复杂，时耗、物耗、能耗高；

Pasteka利用苄基三乙铵氢氧化物溶解纤维素，并与CTA反应得到阳离子纤维素，但其取代度只能达到0.25左右；

Lifeng Yan等以NaOH-尿素水溶液作为纤维素溶剂，以10摩尔当量的环氧丙基三甲基氯化铵(GTA)与纤维素反应24h，得到取代度为0.17～0.50的产物，等等。

上述方法总体上讲，不同程度都存在着纤维素溶解较差、溶解和反应时间过长、中间处理过程复杂、设备配套要求高、技术成本高、效率低等问题，不具备规模化应用的可行性。因此，通过选择合适的反应体系和活化方式改善反应效果，并简化阳离子纤维素的反应工艺技术过程，对促进其工业化的实现具有重要的意义。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，从工业规模化生产的角度提供一种高取代度的阳离子纤维素的制备方法。

本发明的另一目的在于提供通过上述制备方法得到的高取代度的阳离子纤维素。

本发明的另一目的在于提供所述高取代度的阳离子纤维素的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种高取代度的阳离子纤维素的制备方法，采用“纤维素活化→阳离子化反应→纯化→干燥→产物”工艺过程，具体包含以下步骤：

(1)活化：搅拌条件下，将纤维素与异丙醇I混合，再加入氢氧化钠水溶液和活化剂，使分散均匀，于10～30℃预处理40～80分钟；

(2)阳离子化反应：在步骤(1)得到的物质中加入异丙醇II及阳离子醚化剂，于20～80℃反应2～4小时；

(3)后处理：待步骤(2)得到的物质冷却至室温，经过滤、洗涤和干燥处理后，获得取代度为0.35～0.54的高取代度的阳离子纤维素；

其中纤维素和活化剂按质量比1∶0.1～0.2配比；

步骤(1)中所使用的纤维素为天然纤维素，是市售商品，其来源于如棉、麻、木浆、草浆纤维或微晶纤维素；

步骤(1)中所述的异丙醇I的用量优选为与纤维素按质量比6～14∶1进行配比；

步骤(1)中将纤维素与异丙醇I混合的条件是常温常压下即可；

步骤(1)中所述的氢氧化钠的用量优选为与纤维素按质量比0.78～1.08∶1进行配比；所述的氢氧化钠水溶液的质量分数为30％；

步骤(1)中所述的活化剂为含硼的无机物盐，包括偏硼酸钠(NaBO₂·4H₂O)、硼酸钠(Na₂B₄O₇·10H₂O)、氟硼酸钠(NaBF₄)、过硼酸钠(NaBO₃·4H₂O)，优选硼酸钠；

步骤(2)中所述的异丙醇II的用量优选为与纤维素按质量比0～8∶1进行配比；

步骤(2)所述的阳离子醚化剂为含季氮基团的环氧型或邻羟基卤代烷型化合物，具有式I所示的结构：

式I；