[发明专利]取代纤维素醋酸酯及其用途

说明书

背景技术

本发明涉及合成聚合物，和特别地涉及取代纤维素醋酸酯及其使用方法。

纤维素醋酸酯是纤维素的醋酸酯衍生物，包含β-D-葡萄糖单体单元的天然生物聚合物，并且广泛用于制备多种消费产品。天然纤维素不可溶于水和大都数有机溶剂中。纤维素中每个葡萄糖单体单元的3个游离羟基可以进行衍生化以改变某些性质，例如某些溶剂中的溶解度。纤维素醋酸酯被认为是纤维素的最商业化的有用衍生物之一，并且它的特定物理和化学性质通常很大程度取决于醋酸酯在葡萄糖单体单元的3个游离羟基上的取代程度。

自从首次合成之后，纤维素醋酸酯已经被尤其用作摄影中的片基、粘合剂中的组分和香烟滤嘴制备中使用的原料。纤维素醋酸酯的关键属性之一是它可以被加工成多种不同形状和形式，包括：膜，丝束，薄片，纤维和实体(solid)，取决于应用的需求。例如，纤维素醋酸酯丝束主要用于制备香烟滤嘴。

最典型地，纤维素的衍生化使用酸性催化剂在升高的反应温度下进行。纤维素醋酸酯的合成涉及在醋酸酐和醋酸存在下使通常获自木质纸浆的纤维素乙酰化。醋酸和硫酸是在乙酰化反应期间通常存在的两种酸。在该反应种，醋酸酐充当主要的乙酰化试剂；醋酸主要用作稀释剂；和少量的硫酸用作催化剂。一般而言，纤维素的单体单元具有容易获得用于取代(例如经由乙酰化)的3个羟基。末端处的单体单元也具有通常涉及糖内键(inter-sugar linkage)的另外的羟基。

乙酰化反应的产物是初级纤维素醋酸酯，其通常含有高浓度水平的醋酸酯或者换句话说具有高的醋酸酯取代程度(DS)。如本文所用，“醋酸酯的取代程度”通常指每个葡萄糖单体单元的醋酸酯平均数目。纤维素醋酸酯的结构可通常通过规定醋酸酯的取代程度而表征。彻底乙酰化纤维素通常称为纤维素三醋酸酯，其中根据联邦贸易委员会(Federal Trade Commission)指南，至少92％的羟基被乙酰基取代。例如，当每个纤维素单体单元存在至少约2个乙酰基(即约2的DS)时，乙酰纤维素的生物可降解性可以变得显著降低，直至至少一些乙酰基经由化学或酶水解移除。可以通过纤维素三醋酸酯的控制水解制备具有降低的醋酸酯DS的乙酰化纤维素。

接下来，初级纤维素醋酸酯在醋酸和硫酸存在下水解以降低初级纤维素醋酸酯的醋酸酯DS。所得的水解产物通常是具有差不多约2.4至约2.6DS的纤维素醋酸酯薄片。

一旦获得纤维素醋酸酯薄片，它可以经历另外的处理以将纤维素醋酸酯加工至其所需形式。例如，纤维素醋酸酯丝束可以通过如下形成：将纤维素醋酸酯薄片溶解在丙酮中，使纤维素醋酸酯通过一系列的过滤过程，和使丙酮纺液干法纺丝通过喷丝头中的微孔。随着纤维素醋酸酯移动通过该挤出过程，收集纤维素醋酸酯长丝。这些长丝通常捆扎和随后卷曲以确保丝束带附着力以及所需的松密度(bulk)。最后的结果是纤维素醋酸酯丝束，其基本上是由通过卷曲松散地保持在一起的数千长丝组成的连续带。纤维素醋酸酯丝束长丝通常非常薄(thin)和可以紧紧地包裹在一起以产生滤嘴。如本文所用，纤维素醋酸酯丝束通常指纤维素醋酸酯长丝的经合成后处理的捆(bundle)。

纤维素醋酸酯也是环境友好的，因为它是主要从可再生来源(木质纸浆)制得的容易降解的材料。虽然醋酸酯DS变化的纤维素醋酸酯的结构是类似的，这种变化可以对纤维素醋酸酯的可生物降解性产生一些作用。在较高的乙酰取代程度下，相对于天然纤维素或具有较少乙酰取代的纤维素而言，生物降解的速率可以显著降低。具有较低醋酸酯DS的纤维素醋酸酯比具有较高醋酸酯DS的纤维素醋酸酯更容易生物降解。该趋势被认为在较低醋酸酯DS值下逐渐停止，因为材料变得不可溶于水中。在一个实例中，对具有1.85、2.07和2.57DS值的纤维素醋酸酯的生物降解速率，测试了它们的可生物降解性(图1)。具有1.85DS的纤维素醋酸酯显示最高的生物降解速率，而具有2.57的乙酰值(乙酰基value)的纤维素醋酸酯显示最慢的生物降解速率。

虽然纤维素醋酸酯是具有许多商业用途的通用组合物，但是还没有彻底研究某些纤维素醋酸酯衍生物的性质。例如，在典型的合成中，通常移除残留的硫酸根基团以改进热稳定性。结果是，通过典型措施合成的纤维素醋酸酯将具有约0.005％重量或更少的硫原子。同样地，存在潜在的纤维素醋酸酯衍生物可以提供提升的性质用于纤维素醋酸酯的许多消费应用。

发明内容

本发明涉及合成聚合物，和特别地，涉及取代纤维素醋酸酯及其使用方法。