一種醋酸丙酸纖維素微球及其製備方法

2023-05-30 21:17:31

一種醋酸丙酸纖維素微球及其製備方法
【專利摘要】本發明涉及一種以離子液體為溶劑製備纖維素微球的製備方法。該法採用均相酯化法合成醋酸丙酸纖維素，並使其再生，得到醋酸丙酸纖維素微球。先將纖維素溶於離子液體中製備纖維素溶液，再以丙酸酐-乙酸酐混合液與纖維素溶液進行酯化反應，然後將上述混合溶液分散到油相中，通過反相懸浮和程序降溫使纖維素溶液凝結成液滴，最後加入固化劑使纖維素溶液液滴固化形成纖維素微球，反應結束後離心分離固液相，得到醋酸丙酸纖維素微球，並回收離子液體。採用本方法製備的醋酸丙酸纖維素微球球形圓整，醋酸丙酸纖維素的乙醯取代度為0.02～0.5，丙醯取代度為0.03～0.4，具有較好的機械性能、良好的熱穩定性以及耐酸鹼能力，可用於生物大分子蛋白質的分離純化，也可以作為酶或其他生物材料的載體。
【專利說明】一種醋酸丙酸纖維素微球及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種醋酸丙酸纖維素微球的製備方法，屬於高分子材料化學領域。
【背景技術】
[0002]高分子微球是指粒徑在納米級至微米級，形狀為球形或其他幾何體的高分子材料。微球因其特殊尺寸和特殊結構在許多重要領域起到了特殊而關鍵的作用，不同粒徑和形貌的微球具有不同的功能和用途。高分子微球主要有以下幾個功能:微存儲器、微反應器、微分離器和微結構單元，它們的應用幾乎涉及到所有領域，從一般工業應用到高尖端領域，如生物化學領域、醫療和醫藥領域、電子信息領域等。高分子微球在生化工程和醫藥工程領域的應用研究近年來尤其熱門，如生物活性物質的分離和純化，酶固定化，毒性和生物活性藥物的包埋，細胞、蛋白質及DNA的包埋等。
[0003]1951年，O』 Neill首次報導了採用噴射法以粘膠液為原料製備了纖維素微珠。大約二十年後，眾多研究科研工作者才開始在纖維素微球製備方面作了大量研究，並製備出了各種纖維素及其衍生物微球產品。最近二十年，主要是通過發展新的綠色的纖維素溶劑來製備纖維素微球，或者是改進現有的製備工藝方法或製備新穎的纖維素衍生物用於製備微球以滿足更加苛刻和尖端的應用需求。
[0004]不同於合成高分子可以較簡單地製備出各種功能性的微球，纖維素類天然高分子則必須通過特殊的方 法製備，如反相懸浮法(乳化-固化法)、單凝聚法、復凝聚法、噴霧乾燥法、自乳化-固化法和層層組裝技術等。這些方法的基本原理大同小異，首先製備纖維素或纖維素衍生物溶液，然後分散到特定分散液中，接下來根據纖維素原料性質和溶液性質採用不同固化方法固化成球。也可以通過特殊設備將製備好的纖維素溶液直接噴射到惰性介質或空氣中分散或滴入到固化液中。其中，最普遍的方法是反相懸浮法，它簡單易行，適合工業化生產。反相懸浮法具體可分為以下幾個步驟:(I)製備纖維素或其衍生物溶液；
(2)分散纖維素溶液成液滴；(3)液滴固化使纖維素再生成球；(4)洗滌、乾燥等後處理。
[0005]反相懸浮法製備纖維素微球的關鍵在於纖維素溶液的製備，採用適當的溶劑直接溶解纖維素，製備纖維素溶液，再通過合適的再生方法形成纖維素微球，可以簡化工藝，減少製備過程對環境的汙染。目前用於溶解纖維素的溶劑主要有N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)、氯化鋰/ 二甲基乙醯胺(LiCl/DMAc)、離子液體、氨基甲酸酯體系、氫氧化鈉/水(Na0H/H20)體系、鹼/尿素或硫脲/水體系。傳統的纖維素微球的製備過程中，會產生廢鹼、廢酸、H2S氣體以及廢有機溶劑等汙染物質，N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)作為纖維素的溶劑具有低毒、可回收等優點，已經得到廣泛的研究，並已經投入到大規模生產Loycell纖維中。然而，NMMO溶解纖維素的工藝較複雜，需要較高的溫度，而且易被氧化，需要氮氣保護，而且還存在反應副產物以及回收率低等問題，需要進一步解決這些問題才能大規模工業化。離子液體的無臭無味、無汙染、不易燃、易與產物分離、易回收、可反覆多次循環使用等優點，使它成為傳統的纖維素溶劑的理想替代品。它有效地避免了使用有機溶劑所造成嚴重的環境汙染問題，成為環境友好的綠色溶劑。目前，已有文獻報導利用離子液體溶解纖維素，製備纖維素薄膜和纖維素絲。但是，離子液體溶解法製備纖維素微球，難度較大，一些關鍵工藝還有待完善。
[0006]近年來，纖維素微球材料作為載體用於生物加工技術親和吸附劑已經廣泛用於藥物和酶的固定化。通過改性的纖維素微球，已經成功用於胰蛋白酶、葡萄糖酶、半乳糖氧化酶、溶菌酶、轉化酶和青黴素G醯化酶等的固定化。纖維素的生物相容性使得纖維素微球在醫學上也有廣泛的應用。總的來說，纖維素微球具有高度的親水性、良好的生物相容性、合適的多孔結構和較高的機械強度、以及很低的非特異性吸附和規則的外形等使得其應用廣泛。此外，由於其富含羥基，可用於功能化，通過交聯、接枝和製備複合材料來改善其性能擴展其應用領域。
[0007]醋酸丙酸纖維素是一種重要的纖維素衍生物，它不僅保持了醋酸纖維素熔點高透明性好等優點，而且在抗水性、溶解性、耐候性、抗衝擊和尺寸穩定性等方面有較大提高。目前，醋酸丙酸纖維素雖已實現工業化生產，但除有少數關於醋酸丙酸纖維素薄膜製備的專利外，有關醋酸丙酸纖維素微球的研究報到很少。
[0008]本發明以離子液體為溶劑，酸酐為酯化劑，採用反相懸浮法製備醋酸丙酸纖維素微球。製備工藝簡單，對設備要求較低，所用離子液體可回收重複使用，是一種環境友好的新工藝。所製備的醋酸丙酸纖維素微球球形圓整，具有一定乙醯取代度和丙醯取代度，可調節微球表面的羥基分布和空間阻位，有利於選擇性吸附分離。同時具有較好的機械性能、良好的熱穩定性以及耐酸鹼能力，可用於生物大分子蛋白質的分離純化，也可以作為酶或其他生物材料的載體。
【發明內容】

[0009]本發明的目的是提供一種均相催化酯化法合成醋酸丙酸纖維素微球的方法，該方法所使用的離子液體可循環利用，是一種綠色環保的工藝過程。
[0010]本發明製備纖維素微球的方法是以離子液體為溶劑、酸酐為酯化劑，採用反相懸浮法實現的，具體包括以下步驟:
[0011](I)纖維素溶液的製備:在50~80°C的溫度下，將纖維素按質量體積比(g: mL)為1: 20~50加入到離子液體中，低速攪拌5~10h，使纖維素完全溶解，得到纖維素溶液；
[0012](2)纖維素的酯化:在低速攪拌中，加入M1 = 2~5的丙酸酐和M2 = 2~4的乙酸酐混合液與纖維素溶液進行酯化反應(其中，MpM2分別為丙酸酐和乙酸酐與纖維素葡萄糖重複單元的摩爾比)，酯化反應溫度為40~60°C，反應時間為I~3h ;
[0013](3)分散乳化:反應結束後，再將上述混合溶液分散於體積量為其體積4~10倍的油相中，油相由Span80乳化劑和300#液體石蠟組成，Span80與液體石蠟的體積比為I: 50~400，將反應裝置置於50~70°C的水浴中，在300~900r/min的轉速下攪拌使液滴分散均勻，形成反相懸浮體系；
[0014](4)纖維素的再生和纖維素微球的固化:維持攪拌速度不變，調節溫度，使體系以
0.5°C /min的速度降溫至25~50°C，纖維素溶液凝結成液滴；加入固化劑去離子水，纖維素溶液與去離子水的體積比為1: 2~3，加完去離子水後降低轉速，繼續攪拌10~30min，纖維素溶液液滴固化，形成醋酸丙酸纖維素微球；[0015](5)後處理:最後，離心分離固液相，用去離子水洗滌得到的醋酸丙酸纖維素微球，並回收循環利用離子液體。
[0016]所述的離子液體為1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽或1- 丁基-3-甲基咪唑氯鹽或1-烷基-3-甲基咪唑氯鹽，丙酸酐和乙酸酐與纖維素葡萄糖重複單元的摩爾比分別為M1 =2~5和M2 = 2~4，酯化反應溫度為40~60°C，酯化反應時間為I~3h。
[0017]本發明方法簡單易行，是一種綠色環保的新工藝，採用本方法製備的醋酸丙酸纖維素微球具有良好的球形度、合適的粒徑及其分布，具有一定的乙醯取代度和丙醯取代度，可調節微球表面的羥基分布和空間阻位，有利於選擇性吸附分離，具有較好的機械性能、良好的熱穩定性以及耐酸鹼能力，可通過表面化學修飾或表面基團衍生化來拓寬其應用領域。
【具體實施方式】
[0018]以下通過具體實施實例用於進一步說明本發明描述的方法，但是並不限制本發明。
[0019]實施例1
[0020]準確稱取1.0g纖維素，加入到裝有50mL離子液體的燒杯中，將燒杯置於60°C的水浴中，低速攪拌5h，使纖維素完全溶解，得到纖維素溶液。然後往燒杯加AM1 = 2的丙酸酐和M2 = 2的乙酸酐混合液與纖維素溶液進行酯化反應(其中，M1, M2分別為丙酸酐和乙酸酐與纖維素葡萄糖重複單元的摩爾比)，酯化反應溫度為40°C，保持低速攪拌，反應3h。反應結束後,再將此混合溶液分散於體積量為其體積4倍的油相中，油相由Span80乳化劑和300#液體石蠟組成，Span80與液體石蠟的體積比為1: 50，將反應裝置置於70°C的水浴中，在900r/min的轉速下攪拌使液滴分散均勻，形成反相懸浮體系。維持攪拌速度不變，調節溫度，使體系以0.5°C /min的速度降溫至25°C，纖維素溶液凝結成液滴。然後緩慢加入IOOmL去離子水，加完去離子水後降低轉速為300r/min，繼續攪拌30min，纖維素溶液液滴固化，形成醋酸丙酸纖維素微球。最後，離心分離固液相，用去離子水洗滌得到的醋酸丙酸纖維素微球，並回收循環利用離子液體。
[0021]實施例2
[0022]準確稱取1.5g纖維素，加入到裝有50mL離子液體的燒杯中，將燒杯置於70°C的水浴中，低速攪拌6h，使纖維素完全溶解，得到纖維素溶液。然後往燒杯加AM1 = 3的丙酸酐和M2 = 2的乙酸酐混合液與纖維素溶液進行酯化反應(其中，M1, M2分別為丙酸酐和乙酸酐與纖維素葡萄糖重複單元的摩爾比)，酯化反應溫度為50°C，保持低速攪拌，反應2h。反應結束後，再將此混合溶液分散於體積量為其體積5倍的油相中，油相由Span80乳化劑和300#液體石臘組成，Span80與液體石臘的體積比為1: 100,將反應裝置置於60°C的水浴中，在800r/min的轉速下攪拌使液滴分散均勻，形成反相懸浮體系。維持攪拌速度不變，調節溫度，使體系以0.5°C /min的速度降溫至30°C，纖維素溶液凝結成液滴。然後緩慢加入150mL去離子水，加完去離子水後降低轉速為300r/min，繼續攪拌20min，纖維素溶液液滴固化，形成醋酸丙酸纖維素微球。最後，離心分離固液相，用去離子水洗滌得到的醋酸丙酸纖維素微球，並回收循環利用離子液體。
[0023]實施例3[0024]準確稱取2.0g纖維素,加入到裝有50mL離子液體的燒杯中，將燒杯置於80°C的水浴中，低速攪拌7h，使纖維素完全溶解，得到纖維素溶液。然後往燒杯加AM1 = 4的丙酸酐和M2 = 3的乙酸酐混合液與纖維素溶液進行酯化反應(其中，M1, M2分別為丙酸酐和乙酸酐與纖維素葡萄糖重複單元的摩爾比)，酯化反應溫度為60°C，保持低速攪拌，反應lh。反應結束後，再將此混合溶液分散於體積量為其體積8倍的油相中，油相由Span80乳化劑和300#液體石蠟組成，Span80與液體石蠟的體積比為1: 200，將反應裝置置於50°C的水浴中，在600r/min的轉速下攪拌使液滴分散均勻，形成反相懸浮體系。維持攪拌速度不變，調節溫度，使體系以0.5°C /min的速度降溫至40°C，纖維素溶液凝結成液滴。然後緩慢加入IOOmL去離子水，加完去離子水後降低轉速為300r/min，繼續攪拌lOmin，纖維素溶液液滴固化，形成醋酸丙酸纖維素微球。最後，離心分離固液相，用去離子水洗滌得到的醋酸丙酸纖維素微球，並回收循環利用離子液體。
[0025]實施例4
[0026]準確稱取2.5g纖維素，加入到裝有50mL離子液體的燒杯中，將燒杯置於5 (TC的水浴中，低速攪拌9h，使纖維素完全溶解，得到纖維素溶液。然後往燒杯加AM1 = 5的丙酸酐和M2 = 4的乙酸酐混合液與纖維素溶液進行酯化反應(其中，M1, M2分別為丙酸酐和乙酸酐與纖維素葡萄糖重複單元的摩爾比)，酯化反應溫度為50°C，，保持低速攪拌，反應lh。反應結束後,再將此混合溶液分散於體積量為其體積6倍的油相中，油相由Span80乳化劑和300#液體石蠟組成，Span80與液體石蠟的體積比為1: 300，將反應裝置置於60°C的水浴中，在400r/min的轉速下攪拌使液滴分散均勻，形成反相懸浮體系。維持攪拌速度不變，調節溫度，使體系以0.5°C /min的速度降溫至50°C，纖維素溶液凝結成液滴。然後緩慢加入150mL去離子水，加完去離子水後降低轉速為300r/min，繼續攪拌20min，纖維素溶液液滴固化，形成醋酸丙酸纖維素微球。最後，離心分離固液相，用去離子水洗滌得到的醋酸丙酸纖維素微球，並回收循環利用離子液體。
[0027]實施例5
[0028]準確稱取1.0g纖維素，加入到裝有50mL離子液體的燒杯中，將燒杯置於70°C的水浴中，低速攪拌10h，使纖維素完全溶解，得到纖維素溶液。然後往燒杯加AM1 = 4的丙酸酐和M2 = 2的乙酸酐混合液與纖維素溶液進行酯化反應(其中，M1, M2分別為丙酸酐和乙酸酐與纖維素葡萄糖重複單元的摩爾比)，酯化反應溫度為40°C，保持低速攪拌，反應lh。反應結束後,再將此混合溶液分散於體積量為其體積10倍的油相中，油相由Span80乳化劑和300#液體石臘組成，Span80與液體石臘的體積比為1: 400,將反應裝置置於60°C的水浴中，在300r/min的轉速 下攪拌使液滴分散均勻，形成反相懸浮體系。維持攪拌速度不變，調節溫度，使體系以0.5°C /min的速度降溫至25°C，纖維素溶液凝結成液滴。然後緩慢加入IOOmL去離子水，加完去離子水後降低轉速為300r/min，繼續攪拌30min，纖維素溶液液滴固化，形成醋酸丙酸纖維素微球。最後，離心分離固液相，用去離子水洗滌得到的醋酸丙酸纖維素微球，並回收循環利用離子液體。
【權利要求】
1.一種醋酸丙酸纖維素微球的製備方法，該方法包括纖維素溶液的製備、纖維素的酯化、混合溶液的分散乳化、醋酸丙酸纖維素的再生、醋酸丙酸纖維素微球的固化和離子液體的回收循環利用，其特徵在於:在50~80°C的溫度下，將纖維素按質量體積比(g: mL)為I: 20~50加入到離子液體中，低速攪拌5~10h，使纖維素完全溶解，得到纖維素溶液；然後在低速攪拌中，加入M1 = 2~5的丙酸酐和M2 = 2~4的乙酸酐混合液與纖維素溶液進行酯化反應(其中，M1、M2分別為丙酸酐和乙酸酐與纖維素葡萄糖重複單元的摩爾比)，酯化反應溫度為40~60°C，反應時間為I~3h ;反應結束後，再將此混合溶液分散於體積量為其體積4~10倍的油相中，油相由Span80乳化劑和300#液體石蠟組成，Span80與液體石蠟的體積比為1: 50~400，將反應裝置置於50~70°C的水浴中，在300~900r/min的轉速下攪拌使液滴分散均勻，形成反相懸浮體系；維持攪拌速度不變，調節溫度，使體系以0.5°C /min的速度降溫至25~50°C，纖維素溶液凝結成液滴；加入固化劑去離子水，纖維素溶液與去離子水的體積比為1: 2~3，加完去離子水後降低轉速，繼續攪拌10~30min，纖維素溶液液滴固化，形成醋酸丙酸纖維素微球；最後，離心分離固液相，用去離子水洗滌得到的醋酸丙酸纖維素微球，並回收循環利用離子液體。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述的離子液體為1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽或1- 丁基-3-甲基咪唑氯鹽或1-烷基-3-甲基咪唑氯鹽。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述的丙酸酐和乙酸酐與纖維素葡萄糖重複單元的摩爾比分別為M1 = 2~5和M2 = 2~4。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述的酯化反應溫度為40~60°C，酯化反應時間為I~3h。
【文檔編號】C08L1/14GK103992487SQ201310335869
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2013年8月5日 優先權日:2013年8月5日
【發明者】林成剛, 宋洪浪, 梁濤, 王則奮, 倪海明, 萬思傑, 黃科林, 蔡廣超, 賈豔樺, 覃寧波, 柳春, 藍麗 申請人:廣西弘耀祥科技有限公司, 中國科技開發院廣西分院