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    天然纖維素醚化技術及其技術革新淺談
     
    更新時間:2017-10-17 11:44 作者:本站 來源:本站  瀏覽量:1349
     

    天然纖維素醚化技術及其技術革新淺談

    天之造物纖維素,經過精制、堿化,再經環氧化合物、鹵代烷烴醚化后得到的纖維素醚及其進一步衍生物是極其重要的化工原料和助劑。隨著社會經濟的發展、人們對其性能有了更深層次的認識,各個領域的需求量越來越大,對其品種、質量也提出越來越高的要求。

    本文從以下幾個角度談一談提高我國天然纖維素醚及其進一步衍生物的制造水平,進而提高市場競爭力的一些看法和建議:進一步了解纖維素、加強基礎研究、改造和完善生產工藝和設備、增加產品種類和檔位、提高產品測試和應用領域中間環節的分析水平。

    一、進一步認識纖維素

    物質的用途取決于組成它的材料的性質,而材料的性質又是由其結構決定的。因此結構研究一直是纖維素科學研究的熱點、難點和重點。了解纖維素分子及超分子結構,是纖維素改性、合成衍生及應用研究的基礎,F在已沒有什么爭論,認為纖維素大分子的基環是脫水葡萄糖,其分子式為:(C6H10O5)n,由于來源的不同,纖維素分子中葡萄糖殘基的數目,即聚合度由100~14000不等。含碳百分之44.44,含氫百分之6.17,含氧百分之49.39。天然纖維素分子是由n個D-吡喃式葡萄糖殘基在1,4位以β-糖苷鍵連接而成的長鏈巨分子,每個葡萄糖殘基上均具有三個醇羥基。從分子結構角度看,天然纖維素應極易溶解且易通過-OH基團進行化學改性和衍生。但事實上,纖維素不僅不溶于水,甚至不溶于溶解能力較強的NaOH溶液,只能通過絡合的形式溶于銅氨等特殊溶液中;瘜W衍生改性反應大都是在多相體系中進行,其根本原因就在于纖維素的結構。纖維素大分子能形成密度較高的分子間和分子內氫鍵,再加上纖維素分子中β-1,4連接的葡萄糖殘基在鏈中是上、下交互排列的,使長鏈變得“硬而直”,形成“復瓦式”結構;另外在寡糖的糖苷中,盡管β-型糖苷較α-型糖苷易于水解,但對于高分子材料中,這種β-型糖苷鍵的聚合物在酸中的水解速度僅為α型糖苷鍵的1/3。而且纖維素大分子鏈很容易平行排列并相互碓砌,再加上鏈內、鏈間氫鍵的存在而倍加穩定。正是由于這種堅韌性,纖維素在植物組織中才能充當基本骨架,既耐受著很高的滲透壓,又支撐著植物的機體。但也正由于此,天然纖維素醚工業多年來才面臨諸多困難,普遍存在產品取代度低、取代不均勻問題,嚴重影響產品質量和使用性能。

    纖維素醚生產的主要原料是纖維素,把好原料關是生產出高質量產品的關鍵。國外纖維素醚大廠都有自己的植物纖維素種植、采摘和精制加工基地和企業,嚴格規范原料的來源,這是控制纖維素醚質量的第一步。通常,對纖維素原料,關心的是它的粘度(聚合度)、灰份、水分等。其實從化學角度講,纖維素原料的硫酸不溶物的含量、鐵質含量、成熟度對產品也會有直接影響。在工藝相同的情況下,纖維素原料的種類與來源對產品有直接影響。圖2是我們對惠安棉纖維素、俄羅斯闊葉木(硬木)、太陽牌針葉木纖維素(軟木)掃描電鏡照片。不難看出,天然軟木原纖表面不規則并多孔,原纖束不規則排列;天然硬木原纖有極小微孔,表面也有紋坑,原纖束規則排列,幾乎平行于纖維軸;棉絨纖維卻具有網結構,表面光滑,無紋坑,原纖密度高。原纖空隙度軟木槳、硬木槳、棉絨依次下降。原因是棉纖維幾乎為純的纖維素,而樹木除纖維素外,還有百分之40的木質素、戊聚糖和樹脂雜質等,提取雜質后的軟木槳具有較高的空隙度。

    空隙度的差異將直接影響原料的堿化、醚化速度的程度。但從分子結構講,無論哪種纖維素作為纖維素醚原料,纖維素大分子鏈都容易并排碓砌,分子內、鏈間氫鍵都會高密度存在,都是在非均相條件進行堿化和醚化。

    二、原料預處理技術和新溶劑在得到人們的重視

    為了得到更高質量的產品,降低成本,人們采取了許多措施和方法。其中纖維素預處理技術是一個熱點研究領域,涉及到的預處理方法包括物理、化學以及綜合性方法等,目的是改變纖維素的聚集態結構,如結晶度下降,微晶尺寸減小,微孔增加,聚合度下降,分子間分子內氫鍵斷裂,提高化學試劑和酶試劑對纖維素的可及度和反應性。具體包括生物技術、堿金屬氫氧化物水溶液的預潤脹處理、液氨處理、銅氨溶液等配合物處理和其它化學試劑處理。
    目前預處理各種試劑交叉使用,向污染小、消耗少方向發展。還有研磨及細斷等機械法、高能電子輻射處理、CO2超臨界閃爆處理、蒸汽閃爆(Steam Explosion)技術。

    現有的纖維素醚工業纖維素粉碎工序,其實也屬于一種預處理方法,即通過機械能,使纖維素的分子內、分子間氫鍵消弱、纖維素束分散,使纖維素形態和微結構改變,致使結晶度下降、可及度提高,Tossinari、Koshijimat、Hon等人在這方面都有定量研究。以細斷為例,當棉纖維由6mm細斷至0.5mm,可及度(用碘吸附值表示)從百分之10.06提高到百分之17.3,隨著細斷時間延長,可及度也有提高,剪切6次,可及度從百分之10.06提高到百分之18.16。

    但作為提高醚化效率的機械粉碎工藝,國內企業大都承受粉碎機系統性能差這個頭疼問題,與國外粉碎機械比較,發熱迅速,壽命低,換刀勤,極大影響了粉碎效率和生產效率,也抬高了產品的成本。Pallmann Maschinenfabrik GmbH & Co.KG 公司生產的纖維素物料粉碎機整體性能較高。對濕度為百分之6~10的纖維素粉碎到0.35mm,其生產能力達400~500kg,雙驅動無極變速齒輪傳動,轉速0~118rpm,速度在0~29m/min范圍可調。另外隨著用戶對粉碎用刀性能要求的提出,更多更好的優質耐磨、高強國產粉碎機鋼材會很快大量應用到新型粉碎機系統。


    日本學者Kamide等人將漿粕在一特定條件下,采用Steam Explosion進行激烈活化處理,破壞纖維素分子內部氫鍵,形成堿可溶纖維素,在4℃可完全溶解于一定濃度(百分之8~10)的NaOH水溶液中。譚惠民、邵自強教授等采用SE技術(見圖3)對纖維素進行處理,發現在同樣反應條件下,采用閃爆后的纖維素為原料得到羧甲基纖維素取代度高、溶解性能優良,同時也定量研究了高壓蒸汽閃爆對纖維素聚合度的影響。

    第二個基礎研究的熱點和思路是開發能夠溶解纖維素的新型溶劑,以實現纖維素均相醚化衍生。目前關注的有NaOH水溶液, NMMO(N-甲基-嗎啉-N-氧化物),DMAO(N,N’-二甲基乙醇胺-N-氧化物)和DMCAO(N,N’-二甲基環已胺-N-氧化物)以及DMF/N2O4(二甲基甲酰胺/四氧化二氮),DMSO/(CH2O)x(二甲基亞砜/多聚甲醛),NH3/NH4SCN/H2O(硫氰酸銨/液氨)、DMAc/LiCl(二甲基乙酰胺/氯化鋰)等體系。

    張俐娜等人在專利中介紹了采用百分之6wt NaOH/百分之4尿素水溶液體系先通過特定工藝溶解一定分子量的纖維素,在均相體系成功用氯甲烷與纖維素進行羥乙基化制備出水溶性羥乙基纖維素(MS=0.5~1.6),研究表明分子量在5.4´104~8.7´104, 纖維素在反應過程中沒有明顯的降解,這種工藝成本低、無污染,產品的純度高、均勻性好。

    LiCl/DMAc體系是溶解纖維素的一種優良的非水溶劑,是McCormick和 Turban等首次報道的,纖維素在LiCl/DMAc溶劑體系中可以配置成濃度為百分之15~17的溶液,其中LiCl的含量在百分之3~18,在溶解纖維素的過程中,為了溶解完全,往往要用水、甲醇和DMAc等對纖維素進行溶劑交換處理,使其活化,工藝較繁瑣。該溶劑體系處理纖維素污染小,且對經過活化的、具有一定聚合度的纖維素具有良好的溶解能力。研究表明: 溶液中纖維素分子沒有衍生化,這說明纖維素是以分子形式溶解的。在DMAc/LiCl中用三乙基胺和吡啶作催化劑已經成功地合成了纖維素醚。在均相體系合成的纖維素4,4′-雙(二甲氨基)二苯甲基醚DMF溶液澆鑄的膜有光電導行為。盡管這些例子已經證明在DMAc/LiCl中可以進行纖維素醚化反應。但是,在該溶劑體系中,強堿的溶解性變差,使得許多典型的醚化反應不能進行。而且與傳統的非均相纖維素醚生產過程相比,也沒有表現出特別的優勢。通過HPLC分析,傳統方法制備的CMC,與在NaOH-DMAc/LiCl懸浮體系中合成的CMC,取代基的分布形式與反應條件有關,DMAc/LiCl中制得的CMC,與傳統的纖維素懸浮在異丙醇/水中的淤漿法相比,未取代單元和完全三羧甲基化的單元都很多,初步結果表明,DMAc/LiCl溶劑體系好像增加了單體單元的非統計分布。

    另外, DMSO/SO2/二乙胺是使用更廣泛的均相纖維素醚化體系的溶劑。Isogai等研究了纖維素-DMSO/SO2/二乙胺溶液與NaOH和芐基氯的反應。與N2O4/DMF和DMAc/LiCl溶劑體系相比,這一體系在反應速率和產率方面表現出無與倫比的優勢。在已報導的纖維素衍生物中,含有雙鍵的三-氧-芳基甲基醚和三-氧-萘基甲基醚有液晶特性。纖維素水溶液均相體系衍生化受到普遍關注,其原因是水體系污染小成本低,也容易實現工業化,Th.Heinze等人利用氫氧化鎳、三乙胺水溶液及高氯酸鋰熔融物溶解纖維素,并成功在該體系對纖維素進行完全均相的羧甲基化衍生,這對纖維素醚工業都有較大的啟發。

    實際生產中,工業化纖維素醚生產還大都采用有機(混合)/水溶劑體系對纖維素進行分散,在非均相體系進行堿化、醚化。例如醇/水體系、醇/甲苯/水體系等,對其最佳比例的掌握對生產出高質量的纖維素醚是很重要的。人們對以甲醇、乙醇、叔丁醇、丙醇、丙酮、二氧己環、DMSO、DMF等為溶劑分別對纖維素羧甲基化的取代度、取代鏈段長度、取代和未取代的葡萄糖環基的長度等影響進行過研究。結果表明,叔丁醇、丙酮、二氧己環、DMSO作溶劑水解程度小,異丙醇/水體系,當異丙醇含量在百分之75~95之間,隨著異丙醇含量提高,產品取代度提高。在非離子型纖維素醚生產中,溶劑的用量和配比對產物的取代度及分布都有直接影響,比如HMPC生產,采用醇/苯溶劑的量和比例都對產物性能有直接影響,深入研究該領域的一些問題對我國纖維素醚生產具有重要的指導意義。

    三、生產工藝和設備的需要完善和改造

    從整體看,我國纖維素醚行業,工藝和設備在近年來都有長足的進步,不少環節得到更新和改造,從纖維素原料的粉碎、堿化、醚化、洗滌、溶劑回收、干燥乃至混同等環節,新型設備、新的工藝以及技術都不斷得到研究和應用。

    從工藝上看,醚化主要有淤漿法或液漿法,氣固反應工藝也少有采用。前者多采用醇/水體系或醇/苯/水體系,進行溶劑回收,主要是對醇的回收、醇苯混合溶劑的回收,再蒸餾分離醇水混合體系。目前應當解決的是副反應產物和低沸物的處理和回收。目的是降低成本、減少污染、提高回收溶劑使用的安全性,以免連續生產反復累積,導致產品指標的不可知性提高。后者主要是經過液相回收、氣相回收將醚化劑大部分回收,大量的熱交換使得產品性能可控制性差,另外氣固反應接觸不充分,取代度低,均勻性差些,系統的安全性也差。堿化工藝可以分階段進行,可以堿化®醚化,也可以前期堿化®醚化®補堿化,方式多種多樣。

    國內的主反應釜與國外的相比,有一定的差距,系統控制技術水平還不高。從結構上看有立式和臥式兩種,臥式反應釜大都用于氣固反應系統;而立式反應釜更多適合液漿或淤漿法纖維素醚生產工藝。在攪拌器的設計方面,還存在較大的改造空間。

    德國帕德博恩的羅地格機械制造公司,在纖維素醚等化工行業設備制造方面經驗

    豐富,值得我們借鑒。制造的臥式犁鏟式混合機能夠確保在較短的時間內物料得到較均勻混合,形狀特殊的犁鏟式(見圖4)攪拌器以特殊的方式排列在水平軸上,混合部件的大小尺寸、數量、幾何形狀以及線速度之間匹配使混料在反應罐內作三維紊流運動(見圖5),防止混合器內部有死角或低速運動區,加速物料高速而精確混合。在需要的情況下,還可以采用輔助元件支持,象單獨驅動的高速破碎刀,對團聚的物料和長纖維進行破碎和剪切。臥式羅地格DVT10000反應器見圖6。

    該公司生產的立式混合機安裝有三片式葉輪攪拌器,其特殊的形狀和線速度配合,使物料渦流方式進行循環流動混合,同時在水平和垂直方向獲得加速,使物料得到充分的攪拌,同樣在必要的情況下采用單獨驅動的高速破碎刀,對團聚的物料和長纖維進行破碎和剪切。

    纖維素醚生產主反應釜要在高溫、有正負壓的情況下進行堿化、醚化和中和,對設備的的密封性有一定的要求。國產設備在不同程度上還存在密封問題,采用新襯墊材料,加強輔助設備和主系統的最佳化匹配,是得到高質量產品的保證、是生產穩定可靠進行的基礎。

    纖維素醚的洗滌、分離和純化技術也是確保產品質量和性態的關鍵環節,這方面的研究報道也很多,Raehse介紹一種在高溫情況下采用帶有細目濾布的燭式的過濾器的壓力容器,在壓力作用下將MC、HPC、HEC、CMC等纖維素醚生產線上的濾餅中殘液分離濾出。過程是首先往容器中輸送懸浮狀態的纖維素醚產品,引入氣體使物料在燭式的過濾器一側形成濾餅,濾液從側面通過導管導出,再輸送清洗液,再引進氣體施壓將洗液排出。采用的濾布是小于100目的,采用1-5巴的清洗液洗滌濾布,從濾餅物料中驅水是采用帶壓的熱蒸汽、氮氣、空氣將水分帶走,清洗液是90-1300C的水,或15-600C的醇/水。

    Wuest等人介紹了高凝膠點(900C)的纖維素醚或無凝膠點的纖維素醚分離和純化技術,產品適合的纖維素醚至少含有甲基、乙基、羧甲基、羥乙基和羥丙基基團中的一種,將要分離物料加到逆向過濾離心機中,加料過程60s轉速是1000rpm ;首次旋轉干燥30s轉速是1100rpm;加洗滌水是10s轉速是1100rpm;二次旋轉干燥20s轉速是1100rpm;該過程采用蒸汽調節溫度,調節過程20s轉速是1100rpm;三次旋轉干燥30s轉速是1100rpm;然后速度降至550rpm,進行15s;逆向放料10s,再加速到1000rpm,持續15s, 產物殘液百分之55,其中NaCl含量百分之0.7以下。逆向旋轉是為了更多收集產品,該過程采用蒸汽調節溫度。

    生產工藝和設備的主要檢測和控制技術需要加強。盡管纖維素醚的化學反應原理已經清楚,但從化堿、堿化、醚化、溶劑回收、離心分離、洗滌和干燥各個環節,同樣包含大量的技術關鍵和涉及豐富的知識內涵。對不同種類的纖維素醚,各個環節都有最佳的條件控制,溫度、時間、壓力以及料流控制直接影響產品的質量和物性。準確計量、恰當調節溫度和反應時間、及時達到所需要的溫度、壓力和真空度,就要采用各種設備和控制系統對生產主要、次要設備進行自動控制,實現柔性化生產?梢灾v輔助設備和控制儀表是產品質量穩定、生產系統可靠的有利保證。在纖維素醚生產中,當借鑒和采用當今光、電、機、材料各領域科學技術發展的新技術、新設備和新概念,不斷提高我國纖維素醚整體制造水平。

    四、提高產品檔次、增加產品種類

    提高原料、設備完善、系統控制的完善,產品檔次會提高產品:纖維素混合型醚,尤其是離子和非離子型醚的混合醚的生產,纖維素醚改性物、纖維素醚酯的開發和生產和應用

    我國纖維素醚生產企業產品主要集中在羥丙基纖維素、甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素、羥乙基纖維素和羧甲基纖維素等常規產品上。產品主要是應用于建筑、陶瓷、日用化工和部分用于PVC聚合上,一些新產品還沒有得到關注。目前面臨的是提高產品質量和檔次的問題,在工藝、技術和原料在多方位改進和提高的基礎上,增加食品、PVC聚合用、醫藥級纖維素醚是發展的關鍵。尤其是醫藥級纖維素醚、軟性響應-刺激醚酯的生產,與國外無菌生產環境、高度自動化控制技術和生產線相比,環境還不完善,技術還不過關。

    圖7 HPMCAS結構示意圖

    醫藥級纖維素醚、軟性響應-刺激醚酯(HPMCP、HPMCAP、HPMCAS、HPMCM、HPMCT等)的制造,以HPMCAS為例,它是一種水不溶性纖維素混合醚雙酯,在葡萄糖殘基上的醇羥基或羥丙氧基的羥基上接有甲氧基、乙;、丁二;N基團,其分子結構見圖7。多個功能性基團各自含量的多少對產品的溶解性能有直接的影響。加強該類材料結構和性能之間定量關系這方面的基礎研究是十分重要的。另外,擁有自己的知識產權,嚴格執行產品生產、包裝等環節的GMP規范,合理控制生產過程主、副工藝條件,建立完善的后處理工藝和解決環境污染是發展的必要條件。

    其他值得關注的纖維素醚還有離子、非離子型混合醚,如羧甲基羥丙基纖維素CMHPC、羧甲基甲基纖維素CMMC、羧甲基羥乙基纖維素CMHEC和交聯CMHPC等,與這些醚相比,非離子醚只抗二價鹽、不抗一價鹽,比陰離子型纖維素醚相比,抗二價鹽能力要好些,各基團之間性能上互補,極大拓寬了材料的使用范圍。這些醚還需在工藝上進一步成熟、配方上進一步篩選,應用上加大力度引導用戶進行推廣。

    含不飽和雙鍵的混合醚以及多羥基纖維素醚也是人們關注的新型醚之一。Breckwoldt等人曾介紹烯烴基甲基羥丙基纖維素醚的制備方法。先對纖維素進行堿化,將堿化纖維素與環氧丙烷和不飽和烷基化試劑RX反應,引入羥烷基和烯烴基,RX中的R指不飽和烷基自由基,X指陰離子構成部分,如Cl,Br,OSO3R;隨之與氯甲烷反應引入甲基,制得烯烴基甲基羥丙基纖維素醚。該產品具有溶于有機溶劑、冷水,不溶于熱水的特點,且易于加工應用,灰分少產率高,可長期儲存的優點。另外烯烴基甲基羥丙基纖維素醚具有很好的成膜性能,且由于含有不飽和雙鍵,可與不飽和化合物進行均聚和共聚反應。賦予材料更寬廣的功能性。他們還介紹了二羥丙基磺乙基纖維素(DHPSEC)的制備方法,DHPSEC具有以下優點溶于冷水和熱水、PH對溶液粘度沒影響、溶液對電解質不敏感、無表面活性,且溶液不起泡、纖維素醚溶液的凝膠形成可逆等特點和優點。制備過程是先將纖維素進行堿化,將堿纖維素進行磺乙基化,結束后再進行二羥丙基化(堿纖維素的磺乙基化、二羥丙基化可同時進行,也可顛倒反應順序);且一没衔餅槁纫彝榛撬峄蛞蚁┗撬徕c。二羥丙基化所用化合物為3-氯-1,2-丙二醇,2,3-環氧-1,4-丁二醇和2,3-環氧丙醇(縮水甘油基)。

    還有纖維素醚的疏水性改性,以羥乙基纖維素(HEC)為例,它是世界范圍內生產的一種水溶性纖維素醚,是僅次于CMC、HPMC產量大、發展迅速的重要纖維素醚,它可溶解在冷、熱水中,使它具有更大范圍的溶解性和黏度特性。作為非離子型醚,HEC具有非離子型醚的一切特征,不與帶正、負電荷離子作用,活性少,在大范圍內的水溶性聚合物、表面活性劑、鹽等共存,使其廣泛作為增稠、流動調節劑、保護膠、穩定劑、保水劑、黏結劑等,應用于涂料、醫藥、石油開采等行業。但普通的HEC其在涂料中應用時,其粘稠性、流平性、抗流掛性、噴濺性、顏料性能以及生物穩定性等不能夠完全滿足要求。但可以途徑是采用長支鏈(醇酸基團)對其進行疏水性接枝改性。這種改性取決于疏水取代基的存在與否、基團大。ㄔ撊〈诖笾寤团c纖維素醚的鍵合之間存在聚氧乙烯間隔基)。疏水改性HEC可用于所有類型的涂料中,從低PVC到高PVC,內用以及外用涂料。其性能優越,表現在:--低噴濺性;--好的成膜性;--好的流動和流平性;--低流掛性;--高的刷涂黏度;--優異的顏料性能;--優異的生物穩定性。

    常規的纖維素醚(羥丙基、羥乙基、甲基、羥丙基甲基等纖維素醚)與原始纖維素化學結構相比,其羥基的含量都明顯降低,北京理工大學和山東瑞泰曾聯合開發一種新型纖維素醚,其羥基的含量等于或大于原料纖維素的羥基含量,或含同時含有雙鍵和羥基的纖維素醚。即目標是合成多羥基纖維素醚和羥基丁烯纖維素醚。其化學分子式可以表達為:


    圖8 羥基丁烯纖維素醚和三羥基丁基纖維素醚結構示意圖

    三羥基丁烯基纖維素獨有的特征是能通過它得到其硝酸酯,該材料具有相對穩定的含氮量,和恒定的能量性能,而與原纖維素衍生物的改性取代程度無關。這在火藥和火箭推進劑上具有重要的意義。是改性雙基推進劑的重要粘合劑,它將代替硝化纖維素這種普通的粘合劑,制備新型的高能、高固體含量的新一代推進劑。

    五、提高產品測試和應用領域中間環節的分析

    纖維素醚生產和研究離不開精確而系統的性能測試和分析,它是確保產品性能穩定、指導生產運轉、不斷提高產品質量的關鍵環節。雖然在這方面我國科技工作者也開展了許多工作,取得了不少重要的成果,但整體重視的還不夠。隨著生產研究的覆蓋面和量擴大,引入和采用更合理的更先進的測試方法和技術將對纖維素醚工業有極大的促進。

    另外我國纖維素醚目前還存在著生產企業-用戶中間橋聯環節薄弱的嚴重局面,一方面生產纖維素醚企業沒有引起重視,營銷還較盲目,即便是常見的幾種典型纖維素醚,對用戶也缺少應有的技術交代,對其在用戶使用過程遇到具體問題不能夠即使解決,更談不上引導客戶,我也希望更多的高等院校、研究所參與纖維素醚的更深層次的研究,其天地寬廣。

    天然纖維素是地球上資源最為豐富的可再生資源,對它充分利用、高附加值化前途無量。

     



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