[发明专利]摩尔质量控制的纤维素的应用

说明书

根据本发明的一个示例性方面，提供了摩尔质量控制的纤维素在注塑、挤出和三维打印应用中的用途。

技术领域

本发明涉及由摩尔质量控制的纤维素制成的新型可生物降解的热塑性材料及其新用途。这些材料易于通过现有的薄膜挤出、注塑和三维打印机械加工。

背景技术

纤维素是地球上最丰富的可再生有机聚合物，因此可被视为纺织品、造纸、食品、化妆品和生物材料等几个行业的重要原料(Edgar等，2001)。纤维素是由β(1→4)连接的D-葡萄糖单元组成的线性聚合物。纤维素的羟基形成强的分子间和分子内氢键和范德华相互作用，形成抗性和刚性微纤维网络。该结构不均匀，可以找到高度有序(结晶)区域和低有序度区域。这些区域的相对比例取决于原料和制备纤维素的处理(Klemm等，2002)。而且，这些区域导致纤维素的溶解度有限，并使溶剂和试剂难以进入纤维素纤维内的区域。众所周知，这种网络反应性很差，需要大量过量的化学品或苛刻的工艺条件。

纤维素的改性可以通过均相或非均相方法进行。在大多数情况下，纤维素酯在非均相条件下工业化生产。固相纤维素对酯化试剂的可接近性低，阻碍了非均相反应中的反应速率和最终取代度(DS)(Wei等人，2007)。为了具有均匀的化学反应，需要首先溶解纤维素。为了实现纤维素基质的均匀化学反应或溶解，具有足够高的可接近性是重要的。然而，由于高结晶度，纤维素只能以低浓度溶解在有限的溶剂中。为了实现足够有效的化学反应，需要首先通过破坏分子间和分子内氢键来激活天然纤维素，使得结构可以进入反应物的进一步作用。这可以通过不同程度的化学、酶促或机械活化来实现。

化学活化可以通过不同的方法实现，例如使用水、溶剂、稀酸和碱。作为化学活化的结果，纤维素结构变得不那么有序，导致活性表面积的增加，从而增加了可用羟基的数量和化学药品的可接近性。众所周知的破坏纤维状聚集和增加表面可接近性的方法是使用具有较高溶胀能力的流体，例如稀释的苛性钠(6-10％)、稀释的季铵碱或氯化锌水溶液。例如用液氨或20％苛性钠破坏晶体结构可以诱导纤维素-I至纤维素-II(也是再生纤维素)晶体改性。通过酸水解和氧化处理、通过研磨、超声处理和冷冻干燥和酶处理进行热处理和机械处理也是活化方法，但它们可以在一定程度上降解分子。

纤维素的酶促活化可以通过使用水解纤维素链的1,4-β-D-糖苷键的不同纤维素酶来完成。有三种主要的纤维素酶组：内切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶或外切葡聚糖酶和葡糖苷酶。这些酶可单独作用于纤维素链或一起有效降解纤维素结构，主要产生葡萄糖或纤维二糖单元。

纤维素纤维的机械活化是纸浆和造纸工业中众所周知的方法。取决于如何以及在何种条件下机械加工，它可以增强纤维-纤维粘合，切割或使纤维更强并改变纤维素结构。

Crepy等人(2009)描述了通过纤维素与脂肪酸的内部增塑来合成塑料材料的方法。在微波辐射下在均相溶剂中进行改性，这在目前在工业上是不可行的。该方法不包括摩尔质量控制的水解纤维素的均相和非均相反应。

从应用的观点来看，纤维素溶解性和机械性能需要是调整的，而不会过多地影响其天然性能。例如，为了避免在化学活化中繁琐的溶剂再循环过程和大量过量的化学药品，需要增加纤维素反应性而不丧失其良好的机械性能，以获得适用于各种应用的高质量纤维素基材料。增加纤维素反应性的一种方法是以控制方式降低其摩尔质量。

WO 2016/193542公开了一种改善纤维素反应性的方法，以便利用廉价且容易获得的原料并获得用于生物材料制造的优异性能，这使其成为本发明的合适起点。然而，该出版物没有公开摩尔质量控制的热塑性材料在注塑、薄膜挤出和三维(3D)打印中的应用，以获得可回收和可生物降解的物体。

发明内容

本发明由独立权利要求的特征限定。一些特定实施方式在从属权利要求中限定。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于生物材料制造的便宜且可获得的原料的用途。