基于松木纖維醚化反應(yīng)的羥乙基纖維素的制備

周乃鋒，張軍燚，張玲玲

（浙江理工大學(xué)先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310018）

基于松木纖維醚化反應(yīng)的羥乙基纖維素的制備

周乃鋒，張軍燚，張玲玲

（浙江理工大學(xué)先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310018）

松木纖維素中α-纖維素含量高達(dá)87%，以其為原料，乙醇為溶劑，2-氯乙醇為醚化劑，采用兩次加堿兩次醚化的方法制備了具有較高摩爾取代度（MS）的羥乙基纖維素（HEC）。并以正交實(shí)驗(yàn)評價(jià)了各實(shí)驗(yàn)因素對HEC摩爾取代度的影響。結(jié)果表明：各因素對HEC摩爾取代度影響的大小順序?yàn)椋好鸦瘎┛偭浚緣A劑總量＞第一次加醚百分比＞第一次加堿百分比＞90%（體積分?jǐn)?shù)）乙醇的體積。由此得到的制備HEC的較佳工藝為：于80 mL90%（體積分?jǐn)?shù)）乙醇中，第一次加0.5 gNaOH于40℃堿化0.5 h，升溫至65℃，加2.7 mL 2-氯乙醇醚化1.5 h，然后加入0.5 g NaOH和0.3 mL 2-氯乙醇再醚化1.5 h。在此條件下得到了MS高達(dá)1.657的HEC，并用FT-IR、XRD和NMR對其進(jìn)行了表征。

松木屑；纖維素；醚化；羥乙基纖維素

0 引 言

纖維素醚是以纖維素為原料合成的具有醚結(jié)構(gòu)的高分子化合物，是堿纖維素與醚化劑在一定條件下反應(yīng)生成的一系列纖維素衍生物的總稱，是纖維素葡萄糖單元上C（2）、C（3）及C（6）位上的羥基被醚基團(tuán)部分或全部取代的產(chǎn)品［1］。由于纖維素大分子存在鏈內(nèi)、鏈間氫鍵，其很難溶解在水和有機(jī)溶劑中。經(jīng)過醚化引入醚基團(tuán)，破壞了分子內(nèi)、分子間氫鍵，改善了其親水性，使其在水介質(zhì)中的溶解性能大大提高［2］。

羥乙基纖維素（HEC）是一種非離子型的水溶性纖維素醚，外觀為白色或淡黃色的無毒、無味纖維狀或粉末狀固體。HEC的摩爾取代度（MS）在0.05～0.5時屬于堿溶性產(chǎn)品，在1.3以上就可溶于水，無凝膠特性，不與離子作用、相容性好，被廣泛應(yīng)用于石油開采、日用化工、紡織印染、建筑、涂料、高分子聚合等領(lǐng)域，近年來在醫(yī)藥方面的應(yīng)用也越來越得到重視［3-4］。

本文以松木屑提取的α-纖維素含量高達(dá)87%以上的松木纖維素為原料，以2-氯乙醇代替環(huán)氧乙烷為醚化劑，采用溶媒法制備了具有較高摩爾取代度的HEC。提高了松木屑等富含纖維素植物廢料的再利用價(jià)值，降低了以環(huán)氧乙烷為醚化劑制備HEC的實(shí)驗(yàn)條件，同時拓寬了合成纖維素醚的原材料與工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要材料及試劑

松木屑（浙江金華）；2-氯乙醇、NaOH、硝酸、硫酸、醋酸、無水乙醇均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

Q-250A3高速多功能粉碎機(jī)（上海冰都電器有限公司）；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（杭州惠創(chuàng)儀器設(shè)備有限公司）；SHB-Ⅲ-A循環(huán)水式多用真空泵（杭州大衛(wèi)科技儀器有限公司）；DZF-6050真空干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；Nicolet 5700傅立葉變換紅外光譜儀（美國賽默飛世爾有限公司）；PL602-S電子天平（梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司）；SXL-1208程控箱式電爐（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；X′TRA-055 X射線衍射儀（美國熱電瑞士ARL公司）；AVANCE-400MHz核磁共振波譜儀（瑞士BRUKER公司）。

1.3 松木纖維素的提取

將風(fēng)干的松木屑進(jìn)行機(jī)械粉碎、酸、堿和漂白處理得到的松木纖維素烘干，置于有磨口玻璃塞的廣口瓶中，供試驗(yàn)分析用［5］。

1.4 HEC的制備

準(zhǔn)確稱取2 g（精確至0.01 g）松木纖維素，在一定溫度下于一定濃度的燒堿溶液中，攪拌一段時間，取出用中速濾紙抽濾，置于100 m L錐形瓶中，并加入一定體積的90%（體積分?jǐn)?shù)）的乙醇，攪拌一段時間使其充分分散，然后加入一定量NaOH，并緩緩升溫，在攪拌下加入一定體積的2-氯乙醇，恒溫醚化一段時間，接著再加入一定量NaOH和2-氯乙醇，繼續(xù)醚化，反應(yīng)一段時間后結(jié)束。反應(yīng)完畢后用冰醋酸中和至中性，并抽濾，再用80%～85%的乙醇充分洗滌，直到加1滴硝酸銀溶液的濾液無白色沉淀為洗滌完成（主要是為了去除反應(yīng)產(chǎn)物NaCl），濾餅干燥后制得羥乙基纖維素（HEC）。

1.5 產(chǎn)物摩爾取代度的測定

根據(jù)HEC的NMR譜圖，根據(jù)積分計(jì)算各質(zhì)子共振峰的強(qiáng)度，各質(zhì)子分布如圖1中HEC結(jié)構(gòu)式中所示，由下式計(jì)算得到HEC的摩爾取代度，

式中，7/4為纖維素葡萄糖單元上5個次甲基［＞CH-］和6位上的一個亞甲基［-CH2-］上質(zhì)子數(shù)之和與羥乙基基團(tuán)［（-CH2-CH2-O-）nH］上質(zhì)子數(shù)之比；I7為羥乙基上亞甲基的質(zhì)子共振峰的強(qiáng)度；I1-6為纖維素葡萄糖單元上5個次甲基和一個亞甲基的質(zhì)子共振峰的強(qiáng)度之和［6］。

圖1 HEC結(jié)構(gòu)式

1.6 結(jié)晶度的計(jì)算

使用Origin 8.0軟件對產(chǎn)物X射線衍射圖譜進(jìn)行擬合，然后分別對晶區(qū)與非晶區(qū)的擬合曲線進(jìn)行積分，由下列公式計(jì)算木屑纖維素的結(jié)晶度（Xd/%）。

式中，Scr為晶區(qū)結(jié)晶峰的衍射強(qiáng)度積分面積之和；Sa為非晶區(qū)無定形峰的衍射強(qiáng)度積分面積之和［7］。

1.7 產(chǎn)物的NMR分析

采用BRUKER公司生產(chǎn)的Avance400型核磁共振氫譜儀，以氘代DMSO為溶劑，對溶液進(jìn)行液態(tài)核磁共振氫譜測試，測試頻率為75.5 MHz，室溫，溶液為0.5 mL。

1.8 產(chǎn)物的FTIR分析

采用溴化鉀壓片法進(jìn)行紅外光譜分析。將大約2 mg待測的樣品與200 mg溴化鉀混合，充分研磨，壓片，測定FTIR光譜。測試分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為32次。

1.9 產(chǎn)物的XRD分析

采用美國熱電瑞士ARL公司生產(chǎn)的X′TRA-055型X射線衍射儀測定反應(yīng)前后顆粒的結(jié)晶特征，分析結(jié)晶度的變化。制樣采用粉末法，儀器采用Cu靶Kα射線，Ni片濾波，預(yù)設(shè)電流30 mA，電壓40 k V，測量范圍取2θ=5～40°。

2 結(jié)果與討論

2.1 影響HEC摩爾取代度（MS）的因素比較

制備HEC過程中，醚化溫度65℃、醚化時間3 h不變，討論A（堿劑總量/g）、B（醚化劑總量/mL）、C（第一次加堿百分比/%）、D（第一次加醚百分比/%）、E（90%乙醇的體積/mL）對產(chǎn)物摩爾取代度的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的正交表（45）見表1。

表1 各因素對合成HEC摩爾取代度的影響

由表1可以看出，HEC制備過程中，各因素對HEC摩爾取代度均有較大影響，但各因素所得極差值相差不大，且影響的大小為：（B）＞（A）＞（D）＞（C）＞（E）。即實(shí)驗(yàn)過程中，醚化劑2-氯乙醇的總量對HEC摩爾取代度影響最大，醚化劑的量過少，會減緩醚化速度，醚化不完全；隨著醚化劑的增多，與活性中心產(chǎn)生碰撞，發(fā)生醚化反應(yīng)的幾率就會增加，從而提升產(chǎn)物的摩爾取代度；當(dāng)醚化劑過多時，就會增大與體系中游離的部分堿發(fā)生副反應(yīng)，生成HOCH2CH2OH。其次為堿劑NaOH的總量、第一次所加醚化劑的量和NaOH的量，而溶劑90%乙醇的用量對HEC摩爾取代度影響最小。

因此，由正交實(shí)驗(yàn)所得的HEC制備的較佳工藝為：于80 mL 90%（體積分?jǐn)?shù)）乙醇中，第一次加0.5 g NaOH于40℃堿化0.5 h，升溫至65℃，加2.7 mL 2-氯乙醇醚化1.5 h，然后加入0.5 g NaOH和0.3 mL 2-氯乙醇再醚化1.5 h。在此條件下得到了MS高達(dá)1.657的HEC。

2.2 醚化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 NMR分析

圖2為正交試驗(yàn)所得較優(yōu)工藝下松木纖維素在NaOH作用下，生成堿纖維素，堿纖維素再與醚化劑2-氯乙醇作用，生成HEC，見圖2所示。

圖2 HEC的合成

圖3 HEC的1H-NMR核磁共振氫譜圖

圖3為醚化產(chǎn)物HEC的核磁共振氫譜圖。其中，化學(xué)位移δ=3.0～5.5 ppm處的多重峰為纖維素醚HEC主鏈葡萄糖單元環(huán)上的H的化學(xué)位移，化學(xué)位移δ=4.66、4.34、3.78、3.44、3.26 ppm和3.07 ppm處分別為纖維素醚環(huán)C1、C5、C3、C6、C2和C4上H的化學(xué)位移，而δ=3.59 ppm處為羥乙基［（-CH2-CH2-O-）nH］上亞甲基［-CH2-］的H化學(xué)位移，δ=1.78 ppm處為HEC上-OH的H化學(xué)位移，δ=3.32 ppm處為水峰，δ=2.49 ppm處為核磁溶劑DMSO氘代的溶劑峰［8-9］。

2.2.2 FT-IR分析

圖4為對比了松木纖維素及其醚化產(chǎn)物的FTIR圖譜，曲線a為原料纖維素的紅外圖譜，曲線b為醚化產(chǎn)物HEC的紅外圖譜。曲線a中，3 360處為分子內(nèi)-OH的伸縮振動，2 890 cm-1為C-H伸縮振動，1 640 cm-1為吸附水的彎曲振動吸收峰，1 070 cm-1為C-O-C的不對稱伸縮振動吸收峰［10］。

圖4 產(chǎn)物紅外光譜對比分析

與曲線a相比，曲線b在2 940 cm-1左右處，-CH2-的振動吸收峰的強(qiáng)度明顯增強(qiáng)；在1 430處的-CH2-OH的伸縮振動吸收峰減弱至消失，而在1 420處出現(xiàn)一個-CH2-剪切振動的較為弱小吸收峰，這說明纖維素在醚化過程中，其分子內(nèi)的氫鍵發(fā)生斷裂，-CH2-OH發(fā)生“t-g”到“g-t”的構(gòu)象轉(zhuǎn)變，并形成新的分子內(nèi)氫鍵［5］。-OH的伸縮振動峰從3 360 cm-1處往高波數(shù)移動，移動到3 440 cm-1處，且譜帶變寬，但強(qiáng)度沒有較為顯著的變化，這也說明了分子內(nèi)有氫鍵發(fā)生斷裂，并形成了新的分子內(nèi)氫鍵［11］。與原纖維素相比，HEC在1 070 cm-1處C-O-C的不對稱伸縮振動吸收峰強(qiáng)度增加，這是因?yàn)槔w維素與醚化劑2-氯乙醇的醚化反應(yīng)，使葡萄糖單元環(huán)的對稱性下降，不對稱的伸縮振動加強(qiáng)。

根據(jù)在一定條件下基團(tuán)結(jié)構(gòu)濃度與吸收峰強(qiáng)度成正比的原理，曲線b中，HEC的醚鍵C-O-C不對稱伸縮振動與亞甲基C-H反對稱伸縮振動吸收峰強(qiáng)度的增加，說明這兩種基團(tuán)結(jié)構(gòu)濃度同時增強(qiáng)，原纖維素中引入了氧亞乙基基團(tuán)（-CH2-CH2-O-），這表明原纖維素成功的進(jìn)行了醚化反應(yīng)［6］。

2.2.3 XRD分析

如圖5所示，曲線a為原松木屑的X射線衍射圖，曲線b為提取松木纖維素的X射線衍射圖，曲線c為以松木纖維素為原料合成的HEC X射線衍射圖。曲線a、b分別在2θ=14.82°（晶面）、16.28°（110晶面）、22.56°（200晶面）處和2θ= 14.94°（晶面）、16.54°（110晶面）、22.84°（200晶面）處出現(xiàn)了纖維素Ⅰ的特征峰，說明原松木屑與提取的松木纖維素是同一種晶型，均為纖維素Ⅰ型。曲線c在2θ=12.69°（晶面）、20.15°（110晶面）出現(xiàn)了纖維素Ⅱ的特征峰，說明HEC為纖維素Ⅱ型。

圖5 松木屑（a）、松木纖維素（b）和HEC（c）X射線衍射曲線的對比

從圖5中可以看出，曲線a、b較為相似，且曲線b的衍射峰強(qiáng)度較曲線a強(qiáng)，說明提取的松木纖維素比原松木屑結(jié)晶度有所提高。這是因?yàn)椋赡拘冀?jīng)過一系列處理過后，里面所含有的絕大部分雜質(zhì)（主要是木質(zhì)素和半纖維素）被去除，使得纖維素的純度極大提高。而曲線c與曲線a、b均不相同，其X射線衍射峰強(qiáng)度最低，說明松木纖維素經(jīng)醚化改性后，晶型有所改變，且結(jié)晶度變小。這是因?yàn)椋趬A化過程中，纖維素發(fā)生潤脹，其晶型由纖維素Ⅰ型轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維素Ⅱ型，且此過程不可逆，纖維素部分晶區(qū)轉(zhuǎn)化為無定形區(qū)，其結(jié)晶度相對下降。

分別對曲線a、b和c，進(jìn)行擬合，根據(jù)公式（2）計(jì)算的結(jié)晶度見表2。

表2 結(jié)晶度的測試結(jié)果

3 結(jié) 論

以松木屑為原料，2-氯乙醇為醚化劑，以乙醇為溶劑，采用兩次堿化兩次醚化的方法制備了具有較高摩爾取代度的HEC。并以正交試驗(yàn)考察了醚化反應(yīng)中多個工藝因素對HEC摩爾取代度的影響。由此得到較優(yōu)醚化工藝為：于80 mL90%（體積分?jǐn)?shù)）乙醇中，第一次加0.5 g NaOH于40℃堿化0.5 h，升溫至65℃，加2.7 mL 2-氯乙醇醚化1.5 h，然后加入0.5 g NaOH和0.3 mL 2-氯乙醇再醚化1.5 h。最優(yōu)條件下，產(chǎn)物的NMR圖譜表明產(chǎn)物中引入了羥乙基，并通過公式（1）計(jì)算得到其醚化取代度為1.657。FT-IR圖譜中，通過產(chǎn)物與原松木纖維素的對比，表明原松木纖維素中引入了氧亞乙基基團(tuán)（-CH2-CH2-O-），原纖維素成功的進(jìn)行了醚化反應(yīng)。再由XRD分析可知，經(jīng)過堿化、醚化處理后，松木纖維素的晶型由纖維素Ⅰ型轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維素Ⅱ型，且結(jié)晶度由64.84%降低到35.05%，結(jié)晶度明顯減小，醚化反應(yīng)較為充分。

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Preparation of HydroxyethyI CeIIuIose Based on Etherification Reaction of Pine Fiber

ZHOU Nai-feng，ZHANG Jun-yi，ZHANG Ling-ling
（Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology，Ministry of Education，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China）

α-cellulose content in pine cellulose is as high as 87%.hydroxyethyl cellulose（HEC）with high molar substitution degree is prepared through usingα-cellulose as the raw material，ethanol as the solvent and 2-chloroethanol as the etherifying agent and adopting the method of twice adding alkali and twice etherifying.The effects of the experimental factors on molar substitution degree of HEC are evaluated with orthogonal experiment.The results show that the order of the effects of each factor on molar substitution degree of HEC was as follows：the total amount of etherifying agent＞the total amount of alkaline agent＞the percentage of the first addition of ether＞the percentage of the first addition of alkali＞90%（volume fraction）of ethanol volume.The optimum process for preparation of HEC is thus gained as follows：in 80 mL 90%（volume fraction）of ethanol，firstly add 0.5 g NaOH to alkalize for 0.5 h under 40℃；heat to 65℃；add 2.7 mL 2-chloroethanol and etherify for 1.5 h；then add 0.5 g NaOH and 0.3 mL 2-chloroethanol and etherify for 1.5 h again.Under these conditions，the HEC with MS reaching 1.657 can be gained.And，it is characterized by FT-IR，XRD and NMR.

pine sawdust；cellulose；etherification；hydroxyethyl cellulose

TQ433.31

A

（責(zé)任編輯：許惠兒）

1673-3851（2014）02-0143-05

2013-08-16

周乃鋒（1989-），男，河南信陽人，碩士研究生，主要從事纖維素醚化改性及活性染料印花糊料方面的研究。

張玲玲，E-mail：zllqx718@126.com