专利名称：含双键侧基纤维素衍生物的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纤维素衍生物的合成方法，特别涉及一种含双键侧基纤维素衍生
物的合成方法。
背景技术：
可自由基聚合单体，如乙烯、苯乙烯、醋酸乙烯酯、丙烯酸酯和丁二烯等目前几乎 均以石油化工产品为原料制备。随着石油、煤炭等不可再生资源总量的日趋减少，促使以天 然资源为原料开发高分子材料合成的原料得到大力关注。纤维素是地球上最丰富的、可再 生的天然资源，且具有价廉、可降解、无污染等特点，因此世界各国都十分重视对纤维素基 材料的研究与开发。 纤维素的化学结构是由D-吡喃葡萄糖环彼此以糖苷键以椅式构象联结而成的线 形高分子，并且每个葡萄糖基环上有三个活泼的羟基，因此可以进行酯化、醚化等反应对纤 维素改性。由于纤维素分子内和分子间的氢键作用力限制了基团的反应活性，但是含不饱 和双键的纤维素衍生物却具有较高的反应活性。MarsanoE.等在纤维素形成的均相溶液中 滴加甲基丙烯酰氯，制备得到甲基丙烯酸纤维素(CEMA)，再利用紫外光照射，交联聚合形 成一种凝胶，这为用纯水替代交联反应的溶剂制备水凝胶的可行性提供了依据。 ， Okieimen用烯丙基氯或(甲基)丙烯酰氯与纤维素反应，在纤维素主链上引入不饱和双键， 将丙烯腈等同上述改性纤维素进行反应制得接枝共聚物。通过控制不饱和双键的取代度， 以及与单体的相对用量，可以较好地调控接枝率与接枝频率的大小。Mu-shih Lin等也合成 出既具有水溶性又可交联的纤维素丙烯酸酯，而且取代度高于1. 75的纤维素丙烯酸酯，其 交联的薄膜具有很好的抗水性。因此，此类纤维素衍生物在水性涂料方面具有广泛的应用 前景。韩小茜等采用了与上述合成相类似的方法，衍生化试剂为io-十一烯酰氯，合成出纤 维素(10_十一烯酸酯/4-甲基苯甲酸酯)衍生物，将其与乙烯基硅胶包夹聚合从而制备出 键合型手性固定相，将其与相应的涂敷型固定比较，前者的柱效能明显高于后者。谭卓华在 均相体系中合成了马来酸酐改性的醋酸丁酸纤维素，改性后的树脂在紫外(UV)光辐射下 交联固化，得到无溶剂挥发的100%固含量的光固化涂层。Chang S T等将木纸板与丁二酸 酐，马来酸酐等反应合成纤维素衍生物之后进行光固化，同样合成了一种100%固含量的耐 摩擦、耐溶剂的坚硬表面。在大大改善了原有纤维素酯缺陷的同时，还保持了原有纤维素酯 优异的光泽度、柔韧性等功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种含双键侧基纤维素衍生物的制备方法，可以通过控制纤 维素上羟基与衍生化试剂的摩尔比而控制产物的取代度。
本发明采用如下技术方案一种含双键侧基纤维素衍生物的制备方法，步骤为
第一步，先用碱溶液活化纤维素，活化后酸溶液中和，然后抽滤、洗涤、干燥后研细 备用。具体做法为 先用质量分数1-40 %的NaOH或者K0H溶液活化纤维素2h-24h，活化温度20-8(TC，活化后再用稀盐酸中和，然后抽滤，多次洗涤后8(TC烘干，研细备用； 第二步，在干燥的250ml四口烧瓶中，加入2-16^wt LiCl/DMAc溶液，再加入活化
干燥的纤维素，活化干燥的纤维素的加入量为反应液总质量的2-20^，25-16(TC搅拌溶解
至均相溶液； 第三步，按照催化剂活化纤维素上总羟基的摩尔比为i : : 4 4 : i的比例，
阻聚剂的用量为衍生化试剂质量的0. 1 2%的比例，向上述均相体系中加入催化剂和阻 聚剂，同时通入氮气保护，； 第四步，按照衍生化试剂与活化纤维素上总羟基摩尔比为4 : i i : 4的比例，
将衍生化试剂加入上述溶液，20-8(TC温度下反应3-24h ;反应结束，将反应液倒入200ml蒸 馏水中，搅拌离心收集沉淀，多次水洗至中性，5(TC干燥至恒重，研细备用。
本技术方案中，纤维素为微晶纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、醋酸丙酸纤维素 中的一种。通过控制衍生化试剂的用量，可以控制合成产物的取代度，衍生化试剂用量高的 时候，合成产物的取代度也相应提高。所用催化剂为吡啶、对甲氨基吡啶或三乙胺中的一 种。所用阻聚剂为对苯二酚、苯酚中的一种。所用衍生化试剂为丙烯酰氯，甲基丙烯酰氯， 10-十一烯酰氯或马来酸酐中的一种。
有益效果 1.本发明选用来源广泛，价格低廉的纤维素为原料，制备出多种用途的可自由基 聚合的含双键侧基纤维素衍生物，对实现纤维素这一巨大可再生资源的开发利用意义重 大。 2.本发明中，通过控制原料羟基与衍生化试剂的配比，可以方便控制产物的不饱 和双键数量，从而控制产物进行自由基聚合活性中心的数量，当提高衍生化试剂的用量的 时候，合成产物的取代度也相应提高。 3.本发明中加入阻聚剂，阻止了衍生化试剂的自聚合，也保持了反应物和产物在 反应过程中的稳定性。 4.本发明制备出的含双键侧基的纤维素衍生物，提高了纤维素的反应活性，不仅 可进行交联反应还可与其他单体进行接枝共聚合。在凝胶、塑料、涂料和手性固定相的制备 中有广泛的应用前景。
图1为原料纤维素与不同取代度纤维素衍生物的红外谱图。 随着产物取代度的增加，在3479.9cm—1处的OH基伸縮振动峰明显的衰减， 1736. 6cm—1处酯羰基伸縮振动吸收峰和1635. 7cm—1处C = C吸收峰明显增强。
具体实施例方式
下面给出部分实施例以对本发明作进一步说明，但以下实施例并非是对本发明保 护范围的限制说明，该领域技术人员根据本发明内容作出一些非本质的改进和调整仍属本 发明保护范围。
实施例1 —种含双键侧基纤维素衍生物的制备方法包括如下步骤
4
第一步，先用质量分数1-40% NaOH溶液活化纤维素2h-24h，活化温度20_8(TC 。 活化后稀盐酸中和，抽滤，多次洗涤后8(TC烘干。其中纤维素可选微晶纤维素、甲基纤维素、 乙基纤维素或醋酸丙酸纤维素，NaOH溶液质量分数可选1 % ， 5 % ， 10 % ， 15 % ， 20 % ， 25 % ， 30%，35%，40%，活化时间2h-24h，可选2h，4h，6h，8h， 10h， 12h， 16h， 20h， 24h，活化温度为 20-80。C，可选20°C，25°C，30°C，35°C，40°C，5(rC，6(rC，7(rC，8(rC。 第二步，在干燥的250ml四口烧瓶中，加入质量分数2-16%的LiCl/DMAc溶液，再 加入活化干燥的纤维素，加入量为反应液总质量的2-20^，25-16(TC搅拌溶解至均相溶液。 LiCl/DMAc溶液中LiCl质量分数可为2%，4%，6%，8%， 10%， 12%， 14%， 16%，加入纤维 素量可选为2%，4%，6%，8%，10%，12%，14%，16%，18%，20%，溶解温度可设为25°C， 35°C ， 45°C ， 55°C ， 65°C ， 75°C ， 90°C ， ll(TC ， 130°C ， 160°C 。 第三步，向上述均相体系中加入催化剂和阻聚剂，同时通入氮气保护；催化剂可 选吡啶、对甲氨基吡啶或三乙胺，其用量与原料纤维素上总羟基摩尔比可选4 : 1，3 : 1，
2 : i，i : i，i : 2，i : 3，i : 4。阻聚剂为对苯二酚或苯酚，用量可选为衍生化试剂质量
的0. 1 % ， 0. 2% ， 0. 3% ， 0. 5% ， 0. 8% ， 1. 0% ， 2. 0% 。纤维素上总羟基量是根据称取的纤维 素质量除以纤维素结构单元的分子量再乘以每个结构单元上羟基的个数得出总的羟基量。
第四步，将衍生化试剂加入上述溶液，20-8(TC温度下反应3-24h ;反应结束，将反 应液倒入200ml蒸馏水中，搅拌离心收集沉淀，多次水洗至中性，5(TC干燥至恒重，衍生化 试剂可选为丙烯酰氯，甲基丙烯酰氯，10-十一烯酰氯或马来酸酐，用量与原料纤维素上总
羟基摩尔比可选4 : i，3 : i，2 : i，i : i，i : 2，i : 3，i : 4。反应温度20-80°c，可选
20°C， 30°C，40°C， 50°C，60°C， 70°C，80°C 。反应时间3_24h，可选3h， 5h，8h， 10h， 12h， 14h， 16h，18h，20h，24h。
实施例2 第一步，用10% wt NaOH活化微晶纤维素12h，活化温度80°C 。活化后稀盐酸中 和，抽滤，多次洗涤后8(TC烘干，研细备用； 第二步，在干燥的250ml四口烧瓶中，加入2. 0g LiCl和98. 0g DMAc，再加入活化 干燥的微晶纤维素2. 0g， 16(TC搅拌溶解至均相溶液； 第三步，向上述均相体系中加入催化剂三乙胺1. 2g和阻聚剂对苯二酚0. 0450g， 同时通入氮气保护； 第四步，将丙烯酰氯9. 0g加入上述溶液，5(TC反应3h ;反应结束，将反应液倒入 200ml蒸馏水中，搅拌离心收集沉淀，多次水洗至中性，5(TC干燥至恒重。检测结果取代度 DS = 2. 05 将产物溶于无水乙醇，5(TC烘干成膜，其拉伸强度4.69MPa，断裂伸长率 2. 56%，弹性模量150. 68MPa。
实施例3 第一步，用10% wt Na0H活化微晶纤维素12h，活化温度80°C 。活化后稀盐酸中 和，抽滤，多次洗涤后8(TC烘干，研细备用； 第二步，在干燥的250ml四口烧瓶中，加入2. 0gLiCl和98. 0gDMAc，再加入活化干 燥的微晶纤维素2. 0g， 16(TC搅拌溶解至均相溶液； 第三步，向上述均相体系中加入催化剂三乙胺1. 2g和阻聚剂对苯二酚0. 0150g，同时通入氮气保护； 第四步，将丙烯酰氯3.0g加入上述溶液，5(TC反应3h ;反应结束，将反应液倒入 200ml蒸馏水中，搅拌离心收集沉淀，多次水洗至中性，5(TC干燥至恒重。检测结果取代度 DS = 0. 64 将产物溶于无水乙醇，5(TC烘干成膜，其拉伸强度1.69MPa，断裂伸长率 3. 11%，弹性模量26. 31MPa。
实施例4 第一步，用5% wt K0H活化乙基纤维素20h，活化温度30°C 。活化后稀盐酸中和， 抽滤，多次洗涤后8(TC烘干，研细备用； 第二步，在干燥的250ml四口烧瓶中，加入IO. 0g LiCl和90. 0g DMAc，再加入活化 干燥的乙基纤维素10. 0g，9(TC搅拌溶解至均相溶液； 第三步，向上述均相体系中加入催化剂三乙胺3. 4g和阻聚剂对苯二酚0. 0600g， 同时通入氮气保护； 第四步，将丙烯酰氯6.0g加入上述溶液，3(TC反应8h ;反应结束，将反应液倒入 200ml蒸馏水中，搅拌离心收集沉淀，多次水洗至中性，5(TC干燥至恒重。检测结果取代度 DS = 0. 62 将产物溶于无水乙醇，5(TC烘干成膜，其拉伸强度6.55MPa，断裂伸长率 6. 64%，弹性模量246. 45MPa。
实施例5 第一步，用40% wt Na0H活化乙基纤维素4h，活化温度60°C 。活化后稀盐酸中和， 抽滤，多次洗涤后8(TC烘干，研细备用； 第二步，在干燥的250ml四口烧瓶中，加入6. 0g LiCl和94. 0g DMAc，再加入活化 干燥的乙基纤维素10. 0g，25t:搅拌溶解至均相溶液； 第三步，向上述均相体系中加入催化剂三乙胺1. 7g和阻聚剂苯酚0. 0350g，同时 通入氮气保护； 第四步，将甲基丙烯酰氯3. 5g加入上述溶液，4(TC反应12h ;反应结束，将反应液 倒入200ml蒸馏水中，搅拌离心收集沉淀，多次水洗至中性，5(TC干燥至恒重。
检测结果取代度DS = 0. 30 将产物溶于无水乙醇，5(TC烘干成膜，其拉伸强度4.21MPa，断裂伸长率 6. 12%，弹性模量204. 85MPa。
实施例6 第一步，用20% wt K0H活化乙基纤维素8h，活化温度80°C 。活化后稀盐酸中和， 抽滤，多次洗涤后8(TC烘干，研细备用； 第二步，在干燥的250ml四口烧瓶中，加入8. 0g LiCl和92. 0g DMAc，再加入活化 干燥的乙基纤维素8. 0g，65t:搅拌溶解至均相溶液； 第三步，向上述均相体系中加入催化剂吡啶1. 0g和阻聚剂对苯二酚0. 0176g，同 时通入氮气保护； 第四步，将10-i^—烯酰氯8.8g加入上述溶液，6(TC反应24h ;反应结束，将反应 液倒入200ml蒸馏水中，搅拌离心收集沉淀，多次水洗至中性，5(TC干燥至恒重。
检测结果取代度DS = 0. 17 将产物溶于无水乙醇，5(TC烘干成膜，其拉伸强度4.65MPa，断裂伸长率 5. 21%，弹性模量102. 45MPa。
实施例7 第一步，用10% wt NaOH活化甲基纤维素18h，活化温度50°C 。活化后稀盐酸中 和，抽滤，多次洗涤后8(TC烘干，研细备用； 第二步，在干燥的250ml四口烧瓶中，加入6. 0g LiCl和94. 0g DMAc，再加入活化 干燥的甲基纤维素10. 0g，9(TC搅拌溶解至均相溶液； 第三步，向上述均相体系中加入催化剂吡啶1. 3g和阻聚剂苯酚0. 0330g，同时通 入氮气保护； 第四步，将丙烯酰氯3.3g加入上述溶液，6(TC反应8h ;反应结束，将反应液倒入 200ml蒸馏水中，搅拌离心收集沉淀，多次水洗至中性，50°C干燥至恒重。
检测结果取代度DS = 0. 54 将产物溶于无水乙醇，5(TC烘干成膜，其拉伸强度5.22MPa，断裂伸长率 5. 84%，弹性模量185. 75MPa。
实施例8 第一步，用30% wt K0H活化醋酸丙酸纤维素6h，活化温度30°C 。活化后稀盐酸中 和，抽滤，多次洗涤后8(TC烘干，研细备用； 第二步，在干燥的250ml四口烧瓶中，加入10. 0g LiCl和90. 0g DMAc，再加入活化 干燥的醋酸丙酸纤维素6. 0g，65t:搅拌溶解至均相溶液； 第三步，向上述均相体系中加入催化剂三乙胺2. 0g和阻聚剂对苯二酚0. 0147g， 同时通入氮气保护； 第四步，将马来酸酐3.0g加入上述溶液，8(TC反应10h;反应结束，将反应液倒入 200ml蒸馏水中，搅拌离心收集沉淀，多次水洗至中性，50°C干燥至恒重。
检测结果取代度DS = 0. 42 将产物溶于无水乙醇，5(TC烘干成膜，其拉伸强度2.01MPa，断裂伸长率 2. 59%，弹性模量98. 62MPa。
实施例9 第一步，用20% wt K0H活化乙基纤维素10h，活化温度60°C 。活化后稀盐酸中和， 抽滤，多次洗涤后8(TC烘干，研细备用； 第二步，在干燥的250ml四口烧瓶中，加入12. 0g LiCl和88. 0g DMAc，再加入活化 干燥的乙基纤维素10. 0g，25t:搅拌溶解至均相溶液； 第三步，向上述均相体系中加入催化剂对甲氨基吡啶2.5g和阻聚剂苯酚 0. 0392g，同时通入氮气保护； 第四步，将马来酸酐4.9g加入上述溶液，4(TC反应8h ;反应结束，将反应液倒入 200ml蒸馏水中，搅拌离心收集沉淀，多次水洗至中性，50°C干燥至恒重。
检测结果取代度DS = 0. 23 将产物溶于无水乙醇，5(TC烘干成膜，其拉伸强度8.52MPa，断裂伸长率 7. 54%，弹性模量119. 21MPa。
实施例10 第一步，用20% NaOH活化醋酸丙酸纤维素8h，活化温度50°C 。活化后稀盐酸中 和，抽滤，多次洗涤后8(TC烘干，研细备用； 第二步，在干燥的250ml四口烧瓶中，加入16. OgLiCl和84. 0gDMAc，再加入活化干 燥的醋酸丙酸纤维素10. 0g，65t:搅拌溶解至均相溶液； 第三步，向上述均相体系中加入催化剂三乙胺4. 5g和阻聚剂对苯二酚0. 0250g， 同时通入氮气保护； 第四步，将马来酸酐2. 5g加入上述溶液，8(TC反应18h ;反应结束，将反应液倒入 200ml蒸馏水中，搅拌离心收集沉淀，多次水洗至中性，50°C干燥至恒重。
检测结果取代度DS = 0. 15 将产物溶于无水乙醇，5(TC烘干成膜，其拉伸强度7. 12MPa，断裂伸长率 5. 64%，弹性模量259. 62MPa。
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权利要求
一种含双键侧基纤维素衍生物的制备方法，其特征在于，通过以下步骤实现第一步，先用碱溶液活化纤维素，活化后酸溶液中和，抽滤，洗涤，干燥，研细备用；第二步，在质量分数2-16％的LiCl/DMAc溶液中加入第一步制备的活化干燥的纤维素，活化干燥的纤维素的加入量为反应液总质量的2-20％，搅拌溶解至均相溶液；第三步，按照催化剂∶活化纤维素上总羟基的摩尔比为1∶4～4∶1的比例，阻聚剂的用量为衍生化试剂质量的0.1～2％的比例，向第二步制备的均相溶液中加入催化剂和阻聚剂，同时通入氮气保护；第四步，按照衍生化试剂与活化纤维素上总羟基摩尔比为4∶1～1∶4的比例，将衍生化试剂加入第三步制备的溶液中，20-80℃温度下反应3-24h；反应结束，将反应液倒入蒸馏水中，搅拌离心收集沉淀，水洗干燥至恒重，研细得到含双键侧基纤维素衍生物。
2. 根据权利要求1所述的含双键侧基纤维素衍生物的制备方法，其特征在于，第一步 所述的纤维素选自微晶纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素或醋酸丙酸纤维素中的一种。
3. 根据权利要求1所述的含双键侧基纤维素衍生物的制备方法，其特征在于，所用催 化剂为吡啶、对甲氨基吡啶或三乙胺中的一种。
4. 根据权利要求1所述的含双键侧基纤维素衍生物的制备方法，其特征在于，所用阻 聚剂为对苯二酚、苯酚中的一种。
5. 根据权利要求1所述的含双键侧基纤维素衍生物的制备方法，其特征在于，所用衍 生化试剂为丙烯酰氯，甲基丙烯酰氯，10-十一烯酰氯，马来酸酐中的一种。
6. 根据权利要求1所述的含双键侧基纤维素衍生物的制备方法，其特征在于，碱溶液 活化纤维素的具体做法为先用质量分数1-40%的NaOH或者K0H溶液活化纤维素2h-24h， 活化温度20-80°C。
全文摘要
本发明公开了一种含双键侧基纤维素衍生物的制备方法，具体步骤包括以下第一步，先将纤维素进行活化处理；第二步，采用LiCl/DMAc溶剂体系，在一定温度下将纤维素溶解成均相溶液；第三步，向上述均相体系中，加入催化剂，阻聚剂，同时通入氮气保护；第四步，加入衍生化试剂，在一定温度下反应一定时间，再加水离心收集沉淀，洗涤干燥。本发明选用来源广泛，价格低廉的纤维素为原料，制备出含有双键侧基的纤维素衍生物，在凝胶、塑料、涂料和手性固定相的制备中有着广泛的应用前景。
文档编号C08B1/08GK101693743SQ200910233698
公开日2010年4月14日 申请日期2009年10月28日 优先权日2009年10月28日
发明者储富祥, 卜洪忠, 施娟娟, 朱永年, 李守海, 王春鹏, 莫亚莉, 陈日清 申请人:中国林业科学研究院林产化学工业研究所;