功能化离子液体对纤维素的溶解性能研究

学年论文题目：1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐的制备及其用于纤维素溶解纺丝的研究进展学院：化学化工学院专业：化学学生姓名：王昱周学号：2011730104381-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐的制备及其用于纤维素溶解纺丝的研究进展摘要离子液体1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐([ Emim]Ac) 可以溶解天然高分子等许多聚合物，尤其对于纤维素具有较强的溶解能力，且溶解过程基本不造成纤维素降解，故可以作为纤维素的有效溶剂，用于纤维素的溶解加工。

与其它溶剂相比，[Emim]Ac具有使用安全、不污染环境、易回收循环利用等优势，故在纤维素溶解、纺丝方面具有广阔的应用前景。

本文主要介绍了以N-甲基咪唑为原料，采用两步法对离子液体［Emim］Ac 进行制备；并概述了[Emim] Ac在纤维素溶解、纺丝等方面的应用研究进展。

关键词离子液体；［Emim］Ac；制备；纤维素；溶解；纺丝Abstract Ionic liquid 1 - ethyl - 3 - methyl imidazole acetate (Ac) [Emim] can dissolve natural polymer and many other polymers, especially for cellulose has strong dissolving ability, basic cause no cellulose degradation and dissolving process, therefore, can be a effective cellulose solvent, used for processing the dissolution of cellulose. Compared with other solvents, [Emim] Ac with the use of safe, no pollution, easy to recycle use of advantages, so in cellulose dissolution, spinning has broad application prospects. In N - methyl imidazole is mainly introduced in this paper as a raw material, adopts the two-step preparation for ionic liquids [Emim] Ac; And [Emim] Ac in cellulose dissolution, spinning and so on application research. Keywords:Ionic liquids; [Emim]Ac; Preparation; Cellulose; Dissolve; spinning目录1.实验 (3)1.1试剂和仪器 (3)1.1.1试剂 (3)1.1.2仪器 (3)1.2离子液体［Emim］Ac的制备过程 (3)1.2.1 N-甲基咪唑的预处理 (4)1.2.2离子液体中间产物［Emim］Br的制备 (4)1.2.3 离子液体［Emim］Ac的得到 (4)1.2.4 中间体合成机理探讨 (4)2. 1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐［Emim］Ac在纤维素溶解及纺丝方面的研究进展 (5)2.1对纤维素的溶解机理 (5)2.2 离子液体对纤维素的溶解特性 (6)2.2.1 溶解速度 (6)2.2.2 溶解浓度 (6)2.2.3 溶液粘度 (6)2.2.4 溶液稳定性 (7)2.3 再生纤维素纤维的制备和性能 (7)3. 1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐的其它用途 (7)4. 展望 (8)参考文献 (9)致谢 (10)离子液体［1］( Ionic Liquids，简称IL) 是指在室温或接近室温下呈现液态的，完全由有机阳离子和无机阴离子或有机阴离子所组成的盐，也被称为低温熔融盐或室温离子液体。

Vol .30高等学校化学学报No .72009年7月 CHE M I CAL JOURNAL OF CH I N ESE UN I V ERSI TI ES 1469～1472纤维素在离子液体[A MM or]C l/[A M I M ]C l混合溶剂中的溶解性能王美玲,臧洪俊,蔡白雪,程博闻(天津工业大学材料科学与化学工程学院,改性与功能纤维天津市重点实验室,天津300160)摘要　研究了纤维素在混配离子液体N 2甲基2N 2烯丙基吗啉氯盐[AMMor ]Cl/32甲基212烯丙基咪唑氯盐[AM I M ]Cl 中的溶解性能,结果表明,[AMMor]Cl/[AM I M ]Cl 混配溶剂能有效溶解天然纤维素,且在相同条件下,溶解能力要优于离子液体[AM I M ]Cl;随着溶解温度的升高,溶解时间大大缩短.利用FTI R,XRD 和TG A 方法分析了再生纤维素的化学结构和热稳定性,结果表明,未经活化的纤维素可直接溶于[AMMor ]Cl/[AM I M ]Cl 而不发生其它衍生化反应,且天然纤维素在该溶剂体系中纤维素聚合度下降较小.关键词　纤维素;离子液体;溶解;聚合度中图分类号　O631.1 文献标识码　A 文章编号　025120790(2009)0721469204收稿日期:2008210208.基金项目:天津市自然科学基金(批准号:07JCY BJC02200)资助.联系人简介:臧洪俊,女,博士,副教授,主要从事有机合成及高分子材料的绿色化学.E 2mail:che mhong@寻求一种可循环利用的绿色溶剂,将具有生物可降解性的天然纤维素转变为理想的纺织材料,已经成为当前研究的热点[1].由于纤维素的高结晶度、分子内和分子间的大量氢键,使其难以熔融,也很难溶于水及其它大部分有机溶剂.为此,开发有效的纤维素溶剂体系是解决这一问题的关键.研究较多的纤维素溶剂主要有DMAc /L i Cl,DMF /N 2O 4,NMMO ,L i Cl O 4・3H 2O 及一些熔融盐等[2～6],而这些溶剂或多或少存在着不稳定、有毒害、不易回收、价格昂贵等缺点.开发低成本、环境友好的纤维素溶剂仍然是这一领域的发展趋势.近年来,文献[7,8]报道开发了以碱金属氢氧化物为基础的一类新的纤维素溶剂,该类溶剂在低温下可有效地溶解纤维素,是一种无污染、价廉的纤维素溶剂,为纤维素溶剂体系的开发研究开辟了一个新领域.室温离子液体是新兴的一种极具前景的环境友好溶剂.由于其具有良好的低温熔融性、热稳定性、环境稳定性及较宽的电化学窗口等特性而受到了广泛关注.S watl oski 等[9]首次报道了离子液体氯化12丁基2甲基咪唑([BM I M ]Cl )能够溶解不经任何处理的纤维素.12烯丙基232甲基咪唑氯盐([AM I M ]Cl )[10]、12(22羟乙基)232甲基咪唑氯盐([He M I M ]Cl )[11]、12乙基232甲基咪唑乙酸鎓盐[C 2M I M ]CH 3COO -[12]、[AM I M ]COO -[13]和12乙基232甲基咪唑磷酸酯盐[14]等功能化的离子液体也可作为纤维素的溶剂.尤其是12烯丙基232甲基咪唑氯盐([AM I M ]Cl )离子液体,对纤维素的溶解性能很好.但是,这些离子液体体系存在黏度大、溶解温度高、溶解时间长、纤维素降解严重等缺点,且烷基咪唑价格昂贵,目前还不能实现较好的经济价值.为克服离子液体存在的问题,本文采用价格比较低廉的N 2甲基吗啉为原料,设计合成了一种新的N 2甲基2N 2烯丙基吗啉氯盐[AMMor]Cl,使其与离子液体[AM I M ]Cl 混配溶解纤维素.实验结果表明,在相同溶解温度下,该溶剂体系对天然纤维素的溶解时间缩短且溶解能力要好于纯离子液体[AM I M ]Cl .未经活化的纤维素在较短的时间内可直接溶解于[AMMor]Cl/[AM I M ]Cl 而不发生其它衍生化反应,不仅降低了能耗,而且天然纤维素在该溶剂体系中只发生轻微的降解.1　实验部分1.1　试剂与仪器木浆纤维素(保定天鹅化纤集团有限公司,α纤维素含量9919%),聚合度729,使用粉碎机打成0741高等学校化学学报 Vol.30　棉絮状,放入真空烘箱中于60℃干燥12h,备用.丙酮、乙腈(分析纯)等溶剂经无水氯化钙干燥数天后,加入金属钠回流蒸出.其它试剂均为分析纯(天津市科密欧化学试剂厂).O ly mpus BX57偏光显微镜;NDG28S型旋转式黏度仪(上海精密科学仪器有限公司);综合热分析仪(ST A409PC),DSC(Perkin El m er DSC7);恒温水浴槽;Perkin2El m er红外光谱仪(FTI R2000Sys2 te m,K B r压片);D/Max2r B型X射线衍射仪.1.2　实验过程1.2.1　离子液体的合成　参照文献[10]方法合成[AM I M]Cl.[AMMor]Cl的合成:将30134g(013mol)N2甲基吗啉和22196g(013mol)烯丙基氯加入到250mL 的三口烧瓶中,以40mL乙腈作为溶剂,室温下机械搅拌,随着反应时间的延长,溶液中出现白色固体,1h后反应基本完全.抽滤,用少量丙酮洗涤固体,除去固体中残余的未反应原料,将白色固体置于80℃的真空烘箱中干燥24h,得到纯品,产率92%,m.p.101～102℃;1H NMR(300MHz, CDCl3),δ:3153(s,3H,CH3),3174(s,4H,CH2NCH2),4106(s,4H,CH2OCH2),4164(d,2H,J= 619Hz,CH2),5174～6112(m,3H,CH CH2);元素分析实测值(%,计算值):C54111(54108),H 9105(9103),N7189(7189).由于[AMMor]Cl在室温下为固体,与[AM I M]Cl混合后,室温下产生结晶,因此测定80℃下质量比为1∶3的[AMMor]Cl/[AM I M]Cl的混合溶液黏度为316Pa・s,相同温度下[AM I M]Cl黏度为812Pa・s.1.2.2　纤维素在离子液体中的溶解　在100mL三口烧瓶中加入质量比为1∶3的[AMMor]Cl/ [AM I M]Cl,控制一定的油浴温度,加热搅拌至均相,加入质量分数为4%的木浆纤维素,观察其溶解过程.1.2.3　纤维素的再生及聚合度的测定　用针管吸取上述溶解的纤维素溶液,加入到水中浸泡12h,然后用蒸馏水反复洗涤,浸泡,再用无水乙醇浸泡6h,取出再生后的纤维素,放入50℃的真空烘箱干燥24h.将再生后的纤维素机械粉碎成小块,真空干燥3h.依照国家标准G B5888286,用铜乙二胺溶液为溶剂,用乌氏黏度计测定再生后纤维素的聚合度.2　结果与讨论2.1　纤维素在混配溶液中的溶解温度对溶解性能的影响纤维素在不同溶解温度下的溶解情况列于表1.实验结果表明,在相同的溶解温度下,达到相同的质量分数(4%)时,纤维素在[AMMor]Cl/[AM I M]Cl混配溶液中全部溶解所需要的时间比在[AM I M]Cl中要短得多.在80℃下[AMMor]Cl/[AM I M]Cl混配溶液对纤维素的最大溶解度为17%.普遍认为,溶剂与纤维素大分子间的较强相互作用导致纤维素的溶解,而起决定作用的则是溶剂体系中高浓度的氯离子.在本体系中,阳离子也起着很大的作用,咪唑阳离子中双键的存在,导致阳离子的缺电子程度增加,进攻纤维素羟基上的氧原子,加快纤维素的溶解.同时,由于吗啉阳离子的存在,其极性官能团C→O上的氧原子可以和羟基形成氢键,从而生成络合物,破坏非结晶区纤维素大分子原有的氢键.Table1　I nfluences of tem pera ture on the cellulose d issoluti onD iss oluti on te mperature/℃60708080a80b100D iss oluti on ti m e/m in524315251266a.Cellul ose diss oluti on in[AM I M]Cl;b.the largest diss olubility of cellul ose is17%in[AMMor]Cl/[AM I M]Cl.2.2　纤维素溶解温度对再生纤维素聚合度的影响纤维素溶解温度对再生纤维素聚合度的影响列于表2.由表2可以看出,再生纤维素的聚合度较溶解前有所下降,80℃时再生纤维素聚合度为623.而文献[10]报道聚合度640的木浆纤维素在80℃时溶解,得到的再生纤维素聚合度为460.另外,溶解温度对聚合度也有很大的影响,随着温度的升高,降解程度增大;温度较低时,聚合度只有轻微的降解.其原因可能是,在高温条件下,溶剂体系中的阴阳离子在破坏分子间和分子内氢键的同时,也破坏了纤维素的分子链,使纤维素的分子链发生断裂.随着时间的延长,温度的增加,分子运动速度加快,分子链的破坏程度增加,从而造成纤维素聚合度的降低.Table 2　I nfluences of te m pera ture on degree poly m er i za ti on(D P)of regenera ted celluloseD iss oluti on te mperature /℃607080100DP of regenerated cellul ose 7026906234542.3　纤维素溶解过程的形貌观察晶体区别于非晶体的一个特征就是各向异性,纤维素是具有高结晶度的高分子材料,因此通过偏光显微镜的正交偏光能够很好的观察未完全溶解的纤维素纤维.通过传统的加热溶解方法,观察80℃时不同时间纤维素在混配溶液[AMMor ]Cl/[AM I M ]Cl 中的微观形貌.图1为纤维素样品在整个溶解过程中定时取样所拍摄的光学显微照片.由图1(A )可知,溶解前纤维素的纤丝较长;图1(B )和(C )表明,纤维素的纤丝发生轻微的溶胀;图1(D )表明,随着溶解时间的延长,部分纤丝断裂,纤丝由长变短,纤维素逐渐被溶解;图1(E )表明,溶解15m in 后,纤维素完全被溶解,形成透明的离子液体纤维素溶液.F i g .1　O pti cs m i croscope photos of cellulose d issoluti on i n AMM orC l/AM I M C l a t d i fferen t ti m et /m in:(A )0;(B )5;(C )10;(D )1215;(E )15.2.4　纤维素溶解再生前后红外光谱和X 射线衍射分析对木浆纤维素及其在混配体系中溶解再生后的纤维素膜进行了红外光谱分析,结果如图2所示.由图2可见,3340,2890和1160c m -1处的吸收峰分别归属为纤维素分子中—OH 键伸缩振动、—CH键伸缩振动及C —O —C 不对称伸缩振动.可以看出,纤维素只是在这3个位置的峰面积变小,没有发生显著的变化,说明纤维素是直接溶解,并没有发生衍生化.F i g .2　FT I R spectra of or i g i n a l cellulose(a )andregenera ted cellulose after d issoluti on(b)F i g .3　XR D pa ttern s of or i g i n a l cellulose(a )and regenera ted cellulose after d issoluti on(b )图3为纤维素和再生纤维的XRD 谱图,可以看出,经过离子液体再生后,纤维素的衍射特征峰发生了很大的变化.再生纤维素在21°～22°之间出现了不明显的双峰,且衍射峰强明显减弱,峰形变宽.在34°～35°的衍射峰没有发生太大的变化,只是峰强略为减弱.再生后的纤维素与纤维素Ⅱ的特征衍射峰基本相符,纤维素再生前符合纤维素Ⅰ的特征.通过Segal 公式计算得到再生前后纤维素的相对结晶度由6513%降低到2512%,说明与原生纤维素相比,纤维素的晶型发生了改变,再生纤维素的相对结晶度降低.2.5　纤维素在不同溶解温度下的热重分析对原生纤维素和80℃溶解再生后的纤维素进行了热重分析,结果如图4所示.由图4可知,原生纤维素和80℃溶解再生后的纤维素的热分解均分为3个阶段.原生纤维素热稳定性较好,在33013℃1741　No .7　王美玲等:纤维素在离子液体[AMMor]Cl/[AM I M ]Cl 混合溶剂中的溶解性能F i g .4　TGA curves of or i g i n a l cellulose(a )and regenera ted cellulose after d issoluti on(b )左右才开始分解,这一过程为纤维素失去水等小分子的失重,失重率比较小,质量变化为414%.33013℃以后为纤维素的热分解过程,失重较快,35619℃时达到最大失重率,这个阶段质量变化达到86122%.而80℃溶解再生的纤维素在29514℃就开始分解,31316℃时失重速率达到最大值,这一阶段失重质量变化70159%.表明再生后的纤维素的热分解温度比原生纤维素的低,说明再生的纤维素比原生纤维素的热稳定性能降低.参　考　文　献[1]　ZHAO J ia 2Sen (赵家森),WANG Yuan 2Long (王渊龙),CHENG Bo 2W en (程博闻).Journal of Textile Research (纺织学报)[J ],2004,25(5):124—127[2]　El Seoud O. 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纤维素在离子液体中溶解及反应性能的研究的开题报告一、研究背景和意义纤维素是一种多糖物质，是植物细胞壁的主要成分之一。

纤维素的分子量大、极性强、稳定性高，一直以来都是一种难以溶解和加工的物质。

在传统的溶解方法中需要使用有机溶剂，但这种方法不仅受到环境保护的限制，同时也会导致产生大量有害废弃物。

因此，寻找一种更环保、更具可持续性的纤维素溶解方法是十分必要和紧迫的。

离子液体是一类具有特殊物理、化学性质的无机离子或有机阳离子与非卡宾型准束缚型阴离子或相应的有机阴离子形成的液体。

相较于传统溶剂，离子液体具有密度小、稳定性高、绿色环保等诸多优点，因此，近年来备受关注。

本研究旨在探究离子液体中纤维素的溶解和反应性能，为纤维素溶解提供新的途径和手段，为开发纤维素的利用提供技术支持。

二、研究内容和方法1.研究内容（1）探究不同种类离子液体对纤维素的溶解效果及溶解机理。

（2）研究离子液体中纤维素的反应性质及反应机理。

（3）建立离子液体中纤维素溶解和反应的模型，并对模型进行分析和验证。

2.研究方法（1）实验室实验：通过离子液体和纤维素的混合实验，探究纤维素在不同的离子液体中的溶解效果及溶解机理。

（2）反应动力学实验：通过离子液体中纤维素的反应，制备纤维素的各种化学产物，并通过反应动力学分析，探究离子液体中纤维素的反应性质及反应机理。

（3）理论分析：根据实验结果建立离子液体中纤维素溶解和反应的模型，利用计算机模拟等手段对模型进行分析和验证。

三、研究预期结果（1）离子液体对纤维素的溶解机理和溶解率进行探究，为纤维素溶解提供新的途径和手段。

（2）离子液体中纤维素的反应产物作用机理的探究，为纤维素的利用提供新思路和技术支持。

（3）建立相应的理论模型，对其进行分析和验证，为纤维素的溶解和反应研究提供参考和指导。

四、研究现状分析目前，国内外学者对离子液体中纤维素溶解和反应方面的研究已有不少的成果。

一些研究表明，离子液体可有效地溶解纤维素，通过对离子液体的结构与性质的控制，可调节离子液体对纤维素的溶解能力。

纤维素在离子液体中的溶解与降解
纤维素是一种有机高分子，具有良好的生物相容性和可降解性，是许多工业应用中的重要材料。

离子液体是一种新型溶剂，具有极低的沸点和极高的溶解度，可以有效地溶解和降解纤维素。

离子液体可以有效地溶解纤维素，使其分解成较小的分子，从而显著提高纤维素的溶解度。

离子液体的溶解作用不仅可以改变纤维素的结构，而且还可以改变纤维素的性能。

离子液体的溶解作用可以改变纤维素的粘度、黏度、热稳定性和抗氧化性。

此外，离子液体还可以有效地降解纤维素，使其变成低分子量的物质，从而显著提高纤维素的降解速率。

离子液体的降解作用不仅可以改变纤维素的结构，而且还可以改变纤维素的性质，使其具有更好的生物相容性。

综上所述，离子液体可以有效地溶解和降解纤维素，从而改变纤维素的结构和性质，提高其可降解性和生物相容性，为工业应用提供了新的思路。

离子液体在纺织纤维中的应用摘要：近两年来,离子液体开始应用在纤维素材料加工中,并已在纤维素的溶解、均相衍生化以及纸张、纤维、木材等纤维素材料的改性等方面取得了一些研究进展,该文就此进行了综述。

关键词：离子液体、纺织纤维、应用Application of Ionic Liquids in Textile FibersAbstract: In recent years, ionic liquids have been studied as green solvents for cellulose, reaction media for homogeneous cellulose derivatizations, and preservatives, anti-electrostatic agents and finishing agents for cellulose materials such as paper, wood and fiber.Key Words: ionic liquid、textile fibers、application前言：离子液体作为一种“绿色可设计溶剂”，在各领域引起广泛关注。

由于离子液体具有传统溶剂无可比拟的优点，其在纺织工业有广泛的应用,包括用作纤维素、蚕丝和羊毛的新型再生纺丝溶剂；苎麻和羊毛纤维的改性试剂；离子液体在室温和接近室温下呈液态的熔融盐体系，是近年来兴起的一种极具应用前景的“绿色”溶剂[1]。

新型离子液体不断涌现，其应用领域也不断拓宽。

国内外关于离子液体的研究日益活跃，关于离子液体的文献报道激增，在中文期刊数据中仅是检索标题中包括“离子液体”的文献数目，2010年有200 多篇。

但是,离子液体真正应用还有很长一段距离。

当务之急是开发稳定的,低成本,易回收的新型离子液体,以早日实现产业化。

自从2002年Rogers [2]报道离子液体可以溶解纤维素并可用于纤维素粉体、珠体及纤维的制备以来，相继出现了以离子液体为反应介质进行纤维素改性等在纺织纤维方面应用的研究报道,越来越多的研究者[3- 5]竞相开展离子液体法纤维素纤维的研究，但到目前为止，研究结果大多停留在实验室阶段。

收稿:2008年10月,收修改稿:2008年11月　3国家自然科学基金项目(N o.30871994,30430550,30710103906)、教育部博士点基金新教师项目(N o.20070561040)和广东省自然科学基金项目(N o.8451064101000409)资助33C orresponding author e 2mail :ch fliu @纤维素在新型绿色溶剂离子液体中的溶解及其应用3刘传富33　张爱萍　李维英　孙润仓(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室　广州510640)摘　要　近年来,离子液体作为一种极具应用前景的绿色溶剂受到越来越多的关注。

纤维素是自然界中含量最丰富的可再生资源,必将成为未来最重要的工业原料之一。

离子液体在纤维素化学领域的应用遵循了绿色化学中开发环境友好溶剂和利用生物可再生资源为原料这两个基本原则,大大拓展了纤维素的工业应用前景,为纤维素资源的绿色应用提供了一个崭新的平台。

本文对纤维素在离子液体中溶解的研究进展及其在制备再生纤维素材料、纤维素衍生物及生物乙醇等方面的应用进行了综述。

纤维素大分子的降解机理及其控制途径、纤维素晶态结构变化规律及其调控途径、纤维素与固体反应试剂的均相衍生化体系的建立及提高衍生化效率的途径等基础问题仍需进一步深入研究。

关键词　纤维素　离子液体　溶解　再生纤维素材料　纤维素衍生物　生物乙醇中图分类号:O64514;T Q352179　文献标识码:A 文章编号:10052281X (2009)0921800207Dissolution of Cellulose in N ovel G reen Solvent IonicLiquids and Its ApplicationLiu Chuanf u33　Zhang Aiping Li Weiying Sun Runcang(State K ey Laboratory of Pulp and Paper Engineering ,S outh China University of T echnology ,G uangzhou 510640,China )Abstract I onic liquids as a class of promising s olvents have attracted much attention in recent years.Cellulose is the m ost abundant bio 2renewable res ource in the w orld and w ould be the m ost promising feedstock for industry in the future.Diss olution of cellulose in ionic liquids combines tw o major green chemistry principles ,using environmentally preferable s olvents and bio 2renewable feedstocks ,and has opened a novel platform for the green utilization of cellulose materials.The progress in diss olution of cellulose with ionic liquids and its application for the preparation of regenerated cellulose com posites ,cellulose derivatives ,and bio 2ethanol are reviewed.M ore scrutinized studies on the fundamentals ,such as the mechanism of diss olution and degradation of cellulose macrom olecules ,trans formation of cellulose crystalline structure ,and the hom ogeneous chemical m odification of cellulose with s olid reagents ,have to be further investigated to develop new bio 2polymers and prosper the industry.K ey w ords cellulose ;ionic liquids ;diss olution ;regenerated cellulose com posites ;cellulose derivatives ;bio 2ethanolContents1　Introduction2　Diss olution of cellulose in ionic liquids3　Preparation of regenerated cellulose com posites inionic liquids第21卷第9期2009年9月化　学　进　展PROG RESS I N CHE MISTRYV ol.21N o.9　Sep.,20094　Preparation of cellulose derivatives in ionic liquids5　Application of ionic liquids in the preparation of bio2 ethanol from cellulosic res ources6　Prospects1　概述在我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》中指出[1],农林生物质综合开发利用是今后国家重点发展领域———农业中的优先发展主题。