氰乙基纤维素的主要应用

发布日期:2020/10/18 17:56:53

背景及概述^[1]

纤维素是地球上最丰富的可再生资源，而且由于其独特的反应功能和分子特性如无毒、安全、生物降解性、亲水性、手性及半刚性，将成为未来主要的化工原料之一(J.Schurz，Prog.Polym.Sci.，1999，24，481)。纤维素分子链中的每个脱水葡萄糖(AGU)单元上有三个活泼的-OH基：一个伯-OH基(C6位)和两个仲-OH基(C2和C3位)。因此，纤维素可发生一系列与-OH基有关的化学反应，如氧化反应，醚、酯化反应，亲核取代反应，接枝反应和非寻常的衍生化反应等。其中，纤维素醚和酯是最重要的纤维素衍生物产品，其应用涉及到工业、农业、医药以及我们的日常生活。纤维素醚是碱纤维素与醚化剂在一定条件下反应生成的一系列产物的总称。由于纤维素具有很强的分子内和分子间氢键作用，致使其难以溶解于水和几乎所有的有机溶剂。纤维素醚化反应就是通过引入取代基来破坏其强的氢键作用，改善其亲水性尤其是在水介质中的溶解。

氰乙基纤维素(CEC)是一类重要的纤维素醚，它是纤维素经碱化后与丙烯腈通过Michael加成反应而制得的纤维素醚，其反应可视为具有活泼氢的化合物在强碱催化下生成亲核性物，然后与具有正电子效应的丙烯腈起亲核加成反应。此外，氰乙基纤维素也可用3，3—二丙腈醚与碱纤维素反应而制得。一般来说，该反应于温和条件(50℃)和低碱催化剂下进行，以减少氰基的水解，阻止丙烯腈的均聚作用以及副产物的形成。高取代度的氰乙基纤维素(x=2.6～2.8)为白色纤维状固体。含氮量一般为12.5%～12.8%。具有高介电常数(ε=12～15)和较低的介电损耗角正切值(tgδ=0.015)。击穿电压强度63～119.5千伏/毫米。表面电阻3～6×1012欧。拉伸强度27.46～34.32兆帕。可在125℃下长期使用。

应用^[2-3]

氰乙基纤维素具有高介电常数(ε＝35～38)的独特性能，高取代度的氰乙基纤维素还具有高防水性、高绝缘性和自熄性等特点，并具有良好的液晶行为。氰乙基纤维素可用作场致发光材料，是研制大屏幕电视发射屏、新型雷达荧光屏、光学武器整机中小型激光电容器中材料之一。主要用于高介电漆膜和高介电薄膜电容器的主要介质。还用于特种光源中作为电发光材料及军用塑料软灯中作介质，侦察雷达中的高介电性的塑料套管等。如有研究制备一种氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜，目的是为了提供一种具有高介电常数、低介电损耗、良好机械性能和热稳定性的氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜及其制备方法。一种氰乙基纤维素基高介电柔性纳米复合膜以氰乙基纤维素为基质，以陶瓷填料、导电填料为辅料，配制成溶液，经流延成膜制得。本发明具有如下有益效果：原料来源广泛、可再生；产品介电常数高，介电损耗相对较低，可应用于电子、电机和电缆行业，并在人工肌肉、吸波材料和药物释放等领域也有一定的应用前景；产品表面有光泽，具有一定的柔韧性，并具有良好的机械性能和热稳定性；生产方法安全，工艺流程简单，生产成本低，市场前景良好。

此外，还可制备一种氰乙基纤维素膜、氰乙基纤维素凝胶聚合物电解质及其制备方法。将氰乙基纤维素溶解于溶剂中形成溶液，然后干燥成膜；将氰乙基纤维素膜浸入电解液中活化至凝胶状；去除凝胶表面多余电解质后即得到氰乙基纤维素凝胶聚合物电解质。本发明制备的氰乙基纤维素凝胶聚合物电解质，耐热性和耐腐蚀性好，原料来源广泛且具有可再生性和可生物降解性；氰乙基纤维素膜的拉伸强度大于25MPa，具有700％^-1300％的吸液率，氰乙基纤维素凝胶聚合物电解质室温离子电导率达到10-3S/cm级，锂离子迁移数大于0.7，电化学稳定窗口大于4.8V；本发明的氰乙基纤维素凝胶聚合物电解质，制备方法简单，实用，易于操作。

制备^[4]

一种氰乙基纤维素的制备方法，该方法价格低廉，操作简便，无污染、且所得产品的均匀性好、纯度高。技术方案是：将纤维素溶解在5～12wt％NaOH/1～20wt％尿素水溶液中得到纤维素水溶液，并在该纤维素水溶液中加入丙烯腈，于0℃～60℃搅拌反应得到氰乙基纤维素。具体如下：称取600克7wt％NaOH/12wt％尿素水溶液，在冰箱中预冷至-12℃；然后取出，在室温环境将棉短绒浆(分子量为10.3×104)25克加入其中，机械搅拌3～5分钟后棉短绒浆完全溶解得到透明纤维素溶液。称取500克配置好的纤维素溶液于三口烧瓶中，滴加(1小时内滴加完毕)8mL丙烯腈(丙烯腈与纤维素脱水葡萄糖单元的摩尔比为1∶1)，机械搅拌于8℃左右反应6小时，然后加入醋酸中和反应液。所得溶胀物经水洗至中性后真空干燥得到白色粉状、可溶于稀碱水溶液的氰乙基纤维素产品，其重量为21克，N元素含量为2.08％。180℃的偏光显微镜照片：