zncl2水溶液溶解纖維素的研究

zncl2水溶液溶解纖維素的研究

纖維是自然界最常見的可再生原材料之一。本文及其衍生物產(chǎn)品和纖維材料在化工、醫(yī)學、建筑、油田化學、生物化學等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于其生產(chǎn)和加工環(huán)境的嚴重污染，以及缺乏可執(zhí)行的纖維材料的應(yīng)用潛力和市場份額。因此，尋求新的綠色纖維溶液的問題，尤其是具有相同性質(zhì)的纖維非提取溶劑，是目前研究纖維的熱點。目前，正在研究的是具有特定的纖維溶液：非提取溶劑，如n-甲基丁基二醇基苯乙烯酸酯（n-mmo）。氯化鉀、二甲基硝胺（mac）等有機和無機物質(zhì)的混合劑。這些有機物質(zhì)的混合物，如硫氰化鉀和離子液體，在一些復(fù)雜的耕作過程中被廣泛使用。毒性高、成本高、溶液不穩(wěn)定或回收過程。與上述新興溶劑相比,ZnCl2具有綠色、穩(wěn)定、價格便宜、易于回收等優(yōu)點.此外,ZnCl2水溶液及熔融態(tài)的水合ZnCl2在對纖維素的溶解過程中,纖維素不需要活化,且操作簡單、條件溫和,這使ZnCl2成為纖維素溶劑研究的長久對象.早在20世紀初,人們就觀察到纖維素在ZnCl2水溶液中能形成黏度很大的溶液,Dong等用20%～40%的ZnCl2醇/水溶液對纖維素做預(yù)處理,再將其在NaOH和ZnO混合溶劑中溶解后再生.Leipner和Fischer等對熔融態(tài)的水合ZnCl2及與其它熔融態(tài)鹽對纖維素的溶解能力進行了研究,但對其溶解機理及其再生纖維素結(jié)構(gòu)的研究較少.文中針對ZnCl2熔融態(tài)耗能大、溫度高、穩(wěn)定性差的缺陷,考察了ZnCl2水溶液對纖維素的溶解能力,并找到了最佳溶解鹽濃度;通過傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、廣角X-射線衍射(WAXD)研究了經(jīng)ZnCl2水溶液溶解再生纖維素的結(jié)構(gòu),探討了ZnCl2水溶液的溶解機理.1實驗部分1.1儀器、檢測和檢測方法纖維素:C-1(聚合度DP=220)、C-2(DP=650),醫(yī)藥級,湖州展望明天化學藥業(yè)有限公司生產(chǎn).ZnCl2為分析純,汕頭市光華化學廠生產(chǎn).Nicolet510傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR),美國Nicolet公司生產(chǎn),固體KBr壓片;BM11偏光顯微鏡,上海光學儀器廠生產(chǎn);D/max-1200型廣角X-射線衍射儀(WAXD),日本理學公司生產(chǎn),Cu靶,自動單色器濾波,波長為0.154nm,管壓為40kV;掃描范圍2θ=8°～40°,步進掃描,步寬2θ=0.1°,測試3s.1.2纖維素的dp按TappiT230om—89標準,采用烏氏黏度計測定特性黏度[η];再由以下Mark-Houwink方程計算得到纖維素的DP:[η]=KMα=K(162DP)α式中:K=5.10;M為黏均相對分子質(zhì)量;α=0.76.烏氏黏度計的毛細管直徑為0.5～0.6mm.1.3高質(zhì)量分數(shù)的纖維素溶液的溶解分別將一定質(zhì)量、一定DP的纖維素與一定質(zhì)量分數(shù)的ZnCl2水溶液混合,在80～100℃下加熱,同時不斷攪拌,直至纖維素溶解.隨后冷卻至室溫,即可得到不同質(zhì)量分數(shù)的透明纖維素溶液,溶液在偏光顯微鏡下顯示為全黑,這表明纖維素已經(jīng)溶解.在制備高質(zhì)量分數(shù)的纖維素溶液時,為防止纖維素碳化,在80或100℃時每加熱10s即停止加熱,整個過程多次重復(fù)加熱.溶解過程如圖1所示.1.4c-1的再生將纖維素/ZnCl2水溶液與蒸餾水混合后攪拌得到再生纖維素,隨后用蒸餾水反復(fù)浸泡、清洗,過濾后在鼓風干燥箱中充分干燥(50℃).5.0%、8.0%及10.0%的C-1在65.0%的ZnCl2水溶液中溶解再生后分別稱為:C-1-5R、C-1-8R和C-1-10R;10.0%的C-1在71.5%的ZnCl2水溶液中溶解再生后稱為:C-1-10R-71;10.0%的C-2在65.0%的ZnCl2水溶液中溶解再生后稱為C-2-10R.2結(jié)果與討論2.1纖維素溶解所需時間的確定表1給出了不同質(zhì)量分數(shù)的C-1在不同質(zhì)量分數(shù)的ZnCl2水溶液中的溶解情況.溶解溫度為80℃,溶解時間為60s.由表1中可知,在本實驗條件下,纖維素在60.0%以下的ZnCl2水溶液中無法溶解.當ZnCl2水溶液的質(zhì)量分數(shù)增加到65.0%時,纖維素可以溶解,如圖1所示.C-1首先在65.0%的ZnCl2水溶液中潤脹,在加熱過程中纖維素溶解成為透明的溶液,在偏光顯微鏡下呈全黑.之后,隨著ZnCl2水溶液質(zhì)量分數(shù)的增加,纖維素溶解所需時間減少,纖維素溶液透明;但纖維素溶液體系的黏度也隨之急劇增大.當采用70.0%以上的ZnCl2水溶液溶解纖維素時,此過程中各質(zhì)量分數(shù)的纖維素體系黏度均較大,致使其溶解過程中受熱不均,并出現(xiàn)了局部高溫碳化現(xiàn)象.實驗結(jié)果顯示,65.0%的ZnCl2水溶液對纖維素的溶解效果良好.這是因為65.0%的ZnCl2水溶液與ZnCl2·4H2O的含水量相當,此時,Zn2+不會被水分子完全飽和(見圖2(a)),纖維素分子鏈上羥基的氧原子通過與ZnCl2水溶液中的Zn2+相互作用,使纖維素分子間和分子內(nèi)的氫鍵被破壞,從而使纖維素溶解于鹽溶液中.當ZnCl2水溶液的質(zhì)量分數(shù)低于65.0%時,Zn2+和Cl-完全形成水合離子(見圖2(b)),無法再與纖維素分子鏈建立連接,因而無法溶解纖維素.若適當減少其含水量,則Zn2+離子與Cl-的連接如圖2(a)所示,這即是為纖維素分子鏈上的羥基提供了“自由”的配位位置,使得二者之間的相互作用成為可能,進而破壞纖維素分子間及分子內(nèi)的氫鍵作用(如圖3(a)所示),使纖維素溶解于ZnCl2水溶液體系中;但當ZnCl2水溶液的質(zhì)量分數(shù)高于65.0%時,Zn2+易與纖維素分子鏈間的氧原子作用,從而增加纖維素分子鏈間的作用(如圖3(b)所示),使溶液的黏度增大.同時,鹽溶液中的Cl-也具有溶解纖維素分子的作用,含有Cl-的多種鹽及其溶液(如LiCl和CaCl2)都具有溶解和促進纖維素溶解的能力.2.2纖維素在溶液中的黏滯性不同聚合度的纖維素在65.0%的ZnCl2水溶液中的溶解情況見表2和3.結(jié)果顯示,兩種不同聚合度的纖維素均可溶解在65.0%的ZnCl2水溶液中,且溶解速度很快;但溶解度隨著聚合度的增大而降低,偏光顯微鏡的測試表明:DP=220的C-1在溶液中的最大質(zhì)量分數(shù)可達15.0%,DP=650的C-2的最大質(zhì)量分數(shù)僅為10.0%.當C-1的質(zhì)量分數(shù)高于10.0%時,溶液為黏滯性溶液,且溶液黏度隨C-1質(zhì)量分數(shù)的增大而增大.兩種不同聚合度的纖維素,溶解所需的加熱時間和溫度均隨纖維素質(zhì)量分數(shù)的增大而不斷上升,溶液的黏滯性也不斷增強;當纖維素質(zhì)量分數(shù)超過其最大溶解度時,溶解過程出現(xiàn)了魚眼現(xiàn)象,在偏光顯微鏡下得不到全黑的結(jié)果,即纖維素沒有完全溶解在65.0%的ZnCl2水溶液中.該現(xiàn)象表明,隨著纖維素質(zhì)量分數(shù)的增加,除了纖維素分子鏈與Zn2+離子間的交聯(lián)作用外,其鏈間的相互纏結(jié)作用也增大,導(dǎo)致其溶液的黏度大大增加,體系受熱不均勻,溶解越來越困難.2.3再生纖維素的ft-ir譜圖及非衍生化溶劑性質(zhì)表征表4給出了C-1、C-2及其再生纖維素的聚合度.由表4中可以看出,纖維素在65.0%的ZnCl2水溶液體系中有一定的降解.圖4為C-1及C-1-8R的WAXD譜圖.圖4中,C-1為纖維素Ⅰ的結(jié)晶結(jié)構(gòu),而再生纖維素C-1-8R的譜圖不同于C-1,它是以纖維素Ⅱ為主的晶體結(jié)構(gòu).圖5和6分別為不同質(zhì)量分數(shù)的C-1經(jīng)65.0%的ZnCl2水溶液溶解后的再生纖維素的FT-IR譜圖和10.0%的C-1經(jīng)不同質(zhì)量分數(shù)的ZnCl2水溶液溶解產(chǎn)生的再生纖維素的FT-IR譜圖.溶解前后纖維素的FT-IR譜圖中并沒有顯示出新的官能團譜峰,這說明溶解過程中沒有生成新的化學官能團,即并沒有生成纖維素的衍生物,也說明了ZnCl2水溶液是纖維素的非衍生化溶劑.由圖5和6中可以看出,所有纖維素樣品在2995～4000cm-1處均呈現(xiàn)出形成氫鍵的OH伸展振動峰.圖5中所有樣品都顯示出纖維素的分子內(nèi)氫鍵O(2)HO(6)和O(3)HO(5)以及分子間氫鍵O(6)HO(3)的衍射峰,它們分別在3410～3455、3340～3375以及3230～3310cm-1處;而與樣品C-1比較,C-1-5R、C-1-8R、C-1-10R中纖維素分子內(nèi)的氫鍵峰向高波數(shù)移動,這說明經(jīng)ZnCl2水溶液溶解后再生的纖維素的分子內(nèi)氫鍵減弱.這與WAXD的結(jié)論,即經(jīng)ZnCl2水溶液溶解后再生纖維素由纖維素Ⅰ轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維素Ⅱ的結(jié)論一致.1430cm-1處的譜帶被認為與纖維素Ⅰ的結(jié)晶有關(guān),而897cm-1處的譜帶則被認為與纖維素的非結(jié)晶區(qū)有關(guān).在圖6中,與C-1相比,C-1-10R、C-1-10R-71在1430cm-1處的譜帶隨ZnCl2水溶液質(zhì)量分數(shù)的提高而減弱甚至消逝,而在900cm-1處的譜帶明顯增強.這說明經(jīng)ZnCl2水溶液溶解后,再生纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)中的結(jié)晶區(qū)減少,非結(jié)晶區(qū)增多,且ZnCl2水溶液質(zhì)量分數(shù)越高,其對纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響越大.3纖維素在znpl2水溶液中的最佳濃度ZnCl2水溶液是纖維素的非衍生化溶劑.與熔融態(tài)的ZnCl2相比,Z