一種含酯基季銨鹽改性納米纖維素及其制備方法和應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬于纖維素有機改性領域，具體涉及一種含酯基季銨鹽改性納米纖維素及 其制備方法和應用。
【背景技術】
[0002] 纖維素是世界上最豐富的天然有機物之一，納米纖維素及其衍生物在紡織、輕工、 化工、國防、石油、醫藥、能源、生物技術和環境保護等領域應用十分廣泛。但是由于天然纖 維素的聚集態結構特點及其分子間和分子內存在著較多羥基和較高的結晶度，不能在水和 一般有機、無機溶劑中溶解，也缺乏熱可塑性，并且耐化學腐蝕性、強度都比較差，這對其成 型、加工和應用都極為不利，致使其應用受到許多限制。例如，在纖維素對聚乳酸的改性應 用中，存在纖維素與聚乳酸的相容性不佳且力學性能較差等問題。
[0003] 目前已有報道采用小分子和高分子季銨鹽陽離子協同改性納米纖維素，但是該方 法技術較為復雜，改性劑不易降解，且僅應用于紡織染色領域。

【發明內容】

[0004] 本發明針對現有技術的不足，目的在于提供一種含酯基季銨鹽改性納米纖維素及 其制備方法和應用。
[0005] 為實現上述發明目的，本發明所采用的技術方案為：
[0006] -種含酯基季銨鹽改性納米纖維素的制備方法，包括如下步驟：
[0007] (1)將納米纖維素粉末溶于去離子水中，經超聲處理并充分攪拌后，得到分散均勻 的納米纖維素水分散液；
[0008] (2)向納米纖維素水分散液中加入含酯基季銨鹽表面活性劑，充分反應后，得到白 色懸浮液；將白色懸浮液進行超聲處理，然后離心去除上層清液，得到白色固體沉淀；
[0009] (3)將白色固體沉淀用去離子水洗滌，再經真空冷凍干燥后得到含酯基季銨鹽改 性納米纖維素。
[0010] 上述方案中，所述含酯基季銨鹽表面活性劑的分子結構式如下：
[0011]
[0012] 其中，R為C12~C16的烷基。
[0013] 上述方案中，所述納米纖維素粉末和含酯基季銨鹽表面活性劑的質量比為4:1~ 3:1〇
[0014] 上述方案中，所述納米纖維素水分散液的固液比為2g~5g :100ml。
[0015] 上述方案中，步驟（2)所述充分反應為：升溫至30-40 °C，邊攪拌邊反應2-4h。
[0016] 上述方案中，步驟（2)所述超聲處理的超聲功率為100W，超聲時間為15~30min。
[0017] 上述制備方法制備得到的含酯基季銨鹽改性納米纖維素。
[0018] 上述含酯基季銨鹽改性納米纖維素在纖維素改性聚乳酸中的應用。
[0019] 本發明的有益效果如下：本發明采用含酯基季銨鹽表面活性劑對納米纖維素進行 改性，該陽離子表面活性劑高效無毒，合成方法簡單，正電荷密度高，同時易于降解，其酯基 能有效地與纖維素表面羥基作用，能有效改善納米纖維素與多種極性疏水性聚合物（如聚 乳酸）的相容性；本發明制備方法簡單，易于操作，制備得到的含酯基季銨鹽改性納米纖維 素無毒性，兼具有機相容性和可降解性，將其應用于纖維素改性聚乳酸薄膜，獲得的薄膜具 有無毒、易降解和拉伸性能良好的優點。
【附圖說明】
[0020] 圖1為使用相同質量分數的未改性納米纖維素和本發明實施例所制備的含酯基 季銨鹽改性納米纖維素分別制備的改性聚乳酸薄膜樣品圖。
[0021] 圖2為使用相同質量分數的未改性納米纖維素和本發明實施例所制備的含酯基 季銨鹽改性納米纖維素分別制備的改性聚乳酸薄膜的拉伸性能曲線。
[0022] 其中A為使用未改性納米纖維素，B為使用含酯基季銨鹽改性納米纖維素。
【具體實施方式】
[0023] 為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的 內容不僅僅局限于下面的實施例。
[0024] 實施例1
[0025] -種含酯基季銨鹽改性納米纖維素，通過如下方法制備得到：
[0026] (1)將2g納米纖維素粉末溶于100mL去離子水中，超聲處理15min，充分攪拌后得 到分散均勻的納米纖維素水分散液；
[0027] (2)向納米纖維素水分散液中加入0. 5g含酯基季銨鹽表面活性劑，升溫至30°C， 充分攪拌，反應2h，得到白色懸浮液；將白色懸浮液超聲處理15min，然后在lOOOOr/min轉 速下離心，去除上層清液，得到白色固體沉淀；
[0028] (3)將白色固體沉淀用去離子水洗滌2次，真空冷凍干燥24h后，將得到的白色固 體研磨，得到粉末狀固體即含酯基季銨鹽改性納米纖維素。
[0029] 本實施例中，所述含酯基季銨鹽表面活性劑為C16雙酯基季銨鹽表面活性劑，其 分子結構式如下：
[0030]
[0031] 其中，R為C12的烷基。
[0032] 實施例2
[0033] -種含酯基季銨鹽改性納米纖維素，通過如下方法制備得到：
[0034] (1)將3g納米纖維素粉末溶于100mL去離子水中，超聲處理15min，充分攪拌后得 到分散均勻的納米纖維素水分散液；
[0035] (2)向納米纖維素水分散液中加入0. 75g含酯基季銨鹽表面活性劑，升溫至30°C， 充分攪拌，反應2h，得到白色懸浮液；將白色懸浮液超聲處理20min，然后在lOOOOr/min轉 速下離心，去除上層清液，得到白色固體沉淀；
[0036] (3)將白色固體沉淀用去離子水洗滌2次，真空冷凍干燥24h后，將得到的白色固 體研磨，得到粉末狀固體即含酯基季銨鹽改性納米纖維素。
[0037] 本實施例中，所述含酯基季銨鹽表面活性劑為C16雙酯基季銨鹽表面活性劑，其 分子結構式如下：
[0038]
[0039] 其中，R為C14的烷基。
[0040] 實施例3
[0041] 一種含酯基季銨鹽改性納米纖維素，通過如下方法制備得到：
[0042] (1)將4g納米纖維素粉末溶于100mL去離子水中，超聲處理15min，充分攪拌后得 到分散均勻的納米纖維素水分散液；
[0043] (2)向納米纖維素水分散液中加入I. 3g含酯基季銨鹽表面活性劑，升溫至35°C， 充分攪拌，反應3h，得到白色懸浮液；將白色懸浮液超聲處理25min，然后在llOOOr/min轉 速下離心，去除上層清液，得到白色固體沉淀；
[0044] (3)將白色固體沉淀用去離子水洗滌2次，真空冷凍干燥24h后，將得到的白色固 體研磨，得到粉末狀固體即含酯基季銨鹽改性納米纖維素。
[0045] 本實施例中，所述含酯基季銨鹽表面活性劑為C16雙酯基季銨鹽表面活性劑，其 分子結構式如下：
[0046]
[0047] 其中，R為C14的烷基。
[0048] 實施例4
[0049] 一種含酯基季銨鹽改性納米纖維素，通過如下方法制備得到：
[0050] (1)將5g納米纖維素粉末溶于100mL去離子水中，超聲處理15min，充分攪拌后得 到分散均勻的納米纖維素水分散液；
[0051] (2)向納米纖維素水分散液中加入I. 67g含酯基季銨鹽表面活性劑，升溫至40°C， 充分攪拌，反應4h，得到白色懸浮液；將白色懸浮液超聲處理30min，然后在12000r/min轉 速下離心，去除上層清液，得到白色固體沉淀；
[0052] (3)將白色固體沉淀用去離子水洗滌3次，真空冷凍干燥24h后，將得到的白色固 體研磨，得到粉末狀固體即含酯基季銨鹽改性納米纖維素。
[0053] 本實施例中，所述含酯基季銨鹽表面活性劑為C16雙酯基季銨鹽表面活性劑，其 分子結構式如下：
[0054]
[0055] 其中，R為C16的烷基。
[0056] 將實施例1~4制備得到的含酯基季銨鹽改性納米纖維素應用于纖維素改性聚乳 酸薄膜的制備，同時使用未改性的納米纖維素作為對照，具體的操作步驟為：（1)分別取相 同質量分數的未改性納米纖維素和含酯基季銨鹽改性納米纖維素與聚乳酸溶解于三氯甲 烷溶劑中，邊攪拌邊反應3h ; (2)將溶液均勻地涂在玻璃板上，在40°C下真空干燥24h，使溶 劑完全揮發，使用刮刀將薄膜刮下，得到纖維素改性聚乳酸薄膜。使用本發明含酯基季銨鹽 改性納米纖維素改性制備的纖維素改性聚乳酸薄膜與對照組（使用未改性納米纖維素制 備的纖維素聚乳酸薄膜）的樣品對比圖見圖1，拉伸性能曲線見圖2。從圖1可以看出，對 照組中納米纖維素有明顯的團聚現象，說明與聚乳酸的相容性不好，而使用本發明所述含 酯基季銨鹽改性納米纖維素基本觀察不到團聚的現象，這說明了含酯基季銨鹽改性納米纖 維素與聚乳酸的相容性得到了明顯的改善。從圖2可以看出，使用含酯基季銨鹽改性的納 米纖維素制備的纖維素改性聚乳酸薄膜具有更好的拉伸強度和斷裂伸長率。
[0057] 顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的實例，而并非對實施方式的限制。對 于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或 變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而因此所引申的顯而易見的變化或變 動仍處于本發明創造的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種含酯基季銨鹽改性納米纖維素的制備方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 將納米纖維素粉末溶于去離子水中，經超聲處理并充分攪拌后，得到分散均勻的納 米纖維素水分散液； (2) 向納米纖維素水分散液中加入含酯基季銨鹽表面活性劑，充分反應后，得到白色懸 浮液；將白色懸浮液進行超聲處理，然后離心去除上層清液，得到白色固體沉淀； (3) 將白色固體沉淀用去離子水洗滌，再經真空冷凍干燥、研磨后得到含酯基季銨鹽改 性納米纖維素。2. 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述含酯基季銨鹽表面活性劑的分 子結構式如下：其中，R為C12~C16的烷基。3. 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述納米纖維素粉末和含酯基季銨 鹽表面活性劑的質量比為4:1~3:1。4. 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述納米纖維素水分散液的固液比 為 2g~5g: 100ml。5. 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（2)所述充分反應為：升溫至 30-40 °C，邊攪拌邊反應2-4h。6. 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（2)所述超聲處理的超聲功率為 100W，超聲時間為15~30min。7. 權利要求1~6任一所述制備方法制備得到的含酯基季銨鹽改性納米纖維素。8. 權利要求7所述的含酯基季銨鹽改性納米纖維素在纖維素改性聚乳酸中的應用。
【專利摘要】本發明屬于纖維素有機改性領域，具體涉及一種含酯基季銨鹽改性納米纖維素及其制備方法和應用。所述含酯基季銨鹽改性納米纖維素通過如下方法制備得到：向納米纖維素水分散液中加入含酯基季銨鹽表面活性劑，充分反應后，得到白色懸浮液；將白色懸浮液進行超聲處理，然后離心去除上層清液，取白色固體沉淀，經真空冷凍干燥、研磨后得到含酯基季銨鹽改性納米纖維素。本發明采用含酯基季銨鹽表面活性劑對納米纖維素進行改性，該陽離子活性劑高效無毒，合成方法簡單，正電荷密度高，同時易于降解，其酯基能有效地與纖維素表面羥基作用，能有效改善納米纖維素與多種極性疏水性聚合物(如聚乳酸)的相容性。
【IPC分類】C08B15/06, C08L67/04, C08L1/08
【公開號】CN104910281
【申請號】CN201510328479
【發明人】劉治田, 李洋, 張旗, 李超, 王成, 蔡雄, 吳瑤
【申請人】武漢工程大學, 武漢寶利美新材料科技有限公司
【公開日】2015年9月16日
【申請日】2015年6月15日