专利名称：一种热塑性羧甲基纤维素衍生物静电纺丝制备纤维的方法
技术领域：
本发明属于生物质资源利用领域，涉及一种热塑性羧甲基纤维素衍生物静电纺丝制备纤维的方法。特别适于用生物质改性技术及改性材料应用等。
背景技术：
纤维素是一种廉价易得的可再生资源，广泛存在于自然界各种生物、非生物体中， 具有可生物降解性、可再生、良好的生物相容性等优点，在食品、医药、化工、纺织、印染、造纸、石油、地质等各个生产领域有着广泛的用途。纤维素材料废弃后可以被自然界微生物降解，属于环境友好材料。由于纤维素具有来源广，可再生等优点，且纤维素比起其他的天然高分子具有良好的热学及力学性能，因而将纤维素应用于高分子材料领域，以解决目前合成高分子材料领域面临的资源问题和环境问题。因此，开发利用纤维素可再生资源，对于节约石油资源、保护生态环境、实现可持续发展等具有重要意义。羧甲基纤维素(以下简称CMC)作为纤维素的衍生物，是纤维素醚类中产量最大的、 用途最广、使用最为方便的产品，俗称为"工业味精"。但由于CMC分子中存在大量的氢键， 具有很强的吸水性，使得CMC分子链间具有强烈的相互作用，CMC分子链段之间很难运动， 从而导致了 CMC不具有热塑性，不能直接用传统的热塑性塑料加工方法加工成型，制约了纤维素基降解材料的开发、应用和发展。此外，由于CMC溶于水而不溶于有机溶剂，如四氢呋喃、丙酮等，一定黏度的CMC水溶液采用静电纺丝技术手段纺丝制得的微纤维甚至纳米纤维吸水性太强，力学性能差，抗湿性差，不适用于水性环境及酸碱条件下的应用，使用受到限制，实用性较差。现有技术中，静电纺丝法是一种制备聚合物超细纤维的简单而有效地加工工艺， 其基本原理是将高分子溶液或者熔融体，在几千伏或是几万伏高压直流电源所形成的电场力的作用下，克服表面张力和粘滞力，形成喷射细流。喷射细流在几十毫秒内被牵伸千万倍，沿不稳定的螺旋轨迹弯曲运动。在喷射过程中，溶剂不断挥发，射流的不稳定性和静电力的作用使射流不断被拉伸，有时会发生射流分裂现象，最终在接受装置上得到无序分布的直径为几十纳米到几微米的纤维。静电纺丝由于其工艺简单，是制备纤维具有潜力的方法之一。现有技术和文献报道中，有天然高聚物如蚕丝、胶原蛋白、壳聚糖等静电纺丝的相关报道，但热塑性羧甲基纤维素衍生物溶液及熔融静电纺丝制备纤维的文献还未见报道。
发明内容
本发明的目的旨在克服现有技术中的不足，提供一种热塑性羧甲基纤维素衍生物静电纺丝制备纤维的方法；该方法对纤维素进行适当的热塑改性，然后溶于有机溶剂配制成纺丝溶液，再进行静电纺丝，干燥收集得到性能良好的纤维。本发明的内容是一种热塑性羧甲基纤维素衍生物静电纺丝制备纤维的方法，其特征是包括下列步骤
a、纤维素热塑改性将1 50重量份的羧甲基纤维素钠溶于150 500重量份溶剂水中，溶胀0. 1 1小时后、加入0. 1 10重量份引发剂过硫酸铵，引发反应0. 1 2小时; 再加入10 200重量份丙烯酸甲酯进行接枝共聚反应，控制反应温度在40 85°C下、反应 0. 5 8小时；然后用20 300重量份乙醇与反应后物料混合、静置2 4小时、过滤，固体物再与20 300重量份的丙酮混合、静置2 4小时后、过滤，再将固体物于30 90°C 干燥6 30小时，即制得热塑性纤维素；
b、纺丝溶液配制将步骤a制得的热塑性纤维素粉碎成80 200目的粉末，再将该粉末溶于有机溶剂中、并配制成重量百分比为1% 10%的溶液，然后将溶液(充分)搅拌1 4小时，至完全溶解，可以进一步将溶液静置于超声波中0. 1 0. 5小时、使其气泡完全析出，得到静电纺丝溶液；
所述的有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、二甲基亚砜、六氟异丙醇等有机溶剂中的一种或两种以上的混合物；
c、静电纺丝将步骤b制得的静电纺丝溶液经静电纺丝装置进行静电纺丝，干燥，即制得(热塑性)纤维。本发明的内容中步骤c所述静电纺丝装置包括高压电源、纺丝针头、纺丝液供给装置、以及纤维收集装置；控制高压电源电压为5 50kv、纺丝环境温度为0 50°C，启动坊丝装置进行静电纺丝，纤维收集装置收集纤维，干燥，即制得(热塑性)纤维。本发明的内容中所述静电纺丝装置中的纺丝液供给装置包括有注射泵和注射器，纤维收集装置为接收屏；步骤c所述静电纺丝为将步骤b制得的静电纺丝溶液抽取到注射器中，固定设置，控制纺丝电压为5 50kv、接收屏与注射器针头的喷丝口之间的距离为8 35cm、注射器针头流出的纺丝溶液的流量为0. 2ml/h aiil/h、纺丝环境温度为0 50°C，启动纺丝装置进行静电纺丝，在接受屏上收集纤维，再经干燥，即制得(热塑性)纤维。本发明的内容中所述步骤c制得的纤维的直径分布在250 nm到4020 nm之间。本发明的内容中所述步骤a制得的热塑性纤维素的重均分子量为3. 5X IO5 7. OXlO5。与现有技术相比，本发明具有下列特点和有益效果
(1)羧甲基纤维素(以下简称CMC)是纤维素的衍生物，是纤维素醚类中产量最大的、用途最广、使用最为方便的产品，本发明利用水溶性羧甲基纤维素钠与丙烯酸甲酯等进行接枝共聚反应，使CMC分子结构发生改变，大大降低了 CMC分子中的氢键，使改性CMC具有热塑加工性，同时还提高了其热定型性和防污性、纤维的耐磨性与化学稳定性，以及粘胶纤维和橡胶的粘合性能等等，使得改性材料具有可纺性，有效地解决这类纤维素材料溶液的可纺性；采用静电纺丝技术手段制备纤维素纤维，制得的纤维可纺丝成膜，运用于废水处理， 膜渗透等方面，为羧甲基纤维素开发利用提供新的应用途径； 本发明的反应机理示意如下
权利要求
1.一种热塑性羧甲基纤维素衍生物静电纺丝制备纤维的方法，其特征是包括下列步骤a、纤维素热塑改性将1 50重量份的羧甲基纤维素钠溶于150 500重量份溶剂水中，溶胀0. 1 1小时后、加入0. 1 10重量份引发剂过硫酸铵，反应0. 1 2小时；再加入10 200重量份丙烯酸甲酯进行接枝共聚反应，控制反应温度在40 85°C下、反应 0. 5 8小时；然后用20 300重量份乙醇与反应后物料混合、静置2 4小时、过滤，固体物再与20 300重量份的丙酮混合、静置2 4小时后、过滤，再将固体物于30 90°C 干燥6 30小时，即制得热塑性纤维素；b、纺丝溶液配制将步骤a制得的热塑性纤维素粉碎成80 200目的粉末，再将该粉末溶于有机溶剂中、并配制成重量百分比为1% 10%的溶液，然后将溶液搅拌1 4小时， 得到静电纺丝溶液；所述的有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、二甲基亚砜、六氟异丙醇中的一种或两种以上的混合物；c、静电纺丝将步骤b制得的静电纺丝溶液经静电纺丝装置进行静电纺丝，干燥，即制得纤维。
2.按权利要求1所述热塑性羧甲基纤维素衍生物静电纺丝制备纤维的方法，其特征是步骤c所述静电纺丝装置包括高压电源、纺丝针头、纺丝液供给装置、以及纤维收集装置；控制高压电源电压为5 50kv、纺丝环境温度为0 50°C，启动纺丝装置进行静电纺丝，纤维收集装置收集纤维，干燥，即制得纤维。
3.按权利要求2所述热塑性羧甲基纤维素衍生物静电纺丝制备纤维的方法，其特征是所述静电纺丝装置中的纺丝液供给装置包括有注射泵和注射器，纤维收集装置为接收屏；步骤c所述静电纺丝为将步骤b制得的静电纺丝溶液抽取到注射器中，固定设置，控制纺丝电压为5 50kv、接收屏与注射器针头的喷丝口之间的距离为8 35cm、注射器针头流出的纺丝溶液的流量为0. 2ml/h aiil/h、纺丝环境温度为0 50°C，启动纺丝装置进行静电纺丝，在接受屏上收集纤维，再经干燥，即制得纤维。
4.按权利要求1、2或3所述热塑性羧甲基纤维素衍生物静电纺丝制备纤维的方法，其特征是所述步骤c制得的纤维的直径分布在250 nm到4020 nm之间。
5.按权利要求1、2或3所述热塑性羧甲基纤维素衍生物静电纺丝制备纤维的方法，其特征是所述步骤a制得的热塑性纤维素的重均分子量为3. 5 X IO5 7. OX IO5。
6.按权利要求1、2或3所述热塑性羧甲基纤维素衍生物静电纺丝制备纤维的方法，其特征是所述步骤b制得的将溶液再静置于超声波中0. 1 0. 5小时。
全文摘要
本发明公开了一种热塑性羧甲基纤维素衍生物静电纺丝制备纤维的方法，其特征是包括将羧甲基纤维素钠溶于水中，溶胀后、加入引发剂过硫酸铵引发反应0.1～2小时，再加入丙烯酸甲酯进行接枝共聚反应，在40～85℃反应0.5～8小时；然后用乙醇与反应后物料混合、静置、过滤，固体物再与丙酮混合、静置、过滤，再将固体物干燥，制得热塑性纤维素；将热塑性纤维素粉碎成粉末，再将该粉末溶于有机溶剂中配制成溶液，得到静电纺丝溶液；将静电纺丝溶液经静电纺丝装置进行静电纺丝，干燥，即制得纤维。采用本发明，有效地解决纤维素材料溶液的可纺性，制得的纤维可纺丝成膜，运用于废水处理、膜渗透等方面，开辟了纤维素衍生物材料的新用途。
文档编号D01F2/28GK102277642SQ201110184020
公开日2011年12月14日 申请日期2011年7月4日 优先权日2011年7月4日
发明者张弛, 林晓艳, 罗学刚, 陈哲 申请人:西南科技大学