离子液体的制备及应用

离子液体的制备及应用

1离子液体的发展离子液体，也称为温室离子液体、温室离子液体和有机离子液体。离子液体从最初的雏形、逐渐成熟,到今天的功能化和工业化设计阶段,其发展经历了近百年的历史。早在1914年,Walden进入21世纪,离子液体的研究开始向功能化方向发展。根据离子液体性质可调的特性,从特定的需求出发,设计合成具有特定性质和功能的离子液体,如碱性或酸性离子液体、具有特殊官能团的离子液体、具有特殊溶解性的离子液体、含DNA和氨基酸的离子液体等。而离子液体的应用领域,也从最初的电化学、催化化学、有机合成迅速发展到纳米材料、资源环境和生物医学等领域。至此,离子液体在经历了三氯化铝体系(20世纪90年代以前)、耐水体系(20世纪90年代至2000年左右)后,正在向功能化体系和工业化设计迈进(21世纪),离子液体制备与应用研究进入了迅速发展的时代。2性质与认识的研究离子液体之所以能够迅速崛起,并引起世界各国研究人员的高度关注,主要与其独特的性质有关。离子液体的物理化学特性如熔点、黏度、密度、亲水性和热稳定性等,可以通过选择合适的阳离子和阴离子调配,在很宽的范围内加以改变2.1阳离子改变用药离子液体要求熔点低,在室温为液体。离子液体的熔点可以通过调节阴离子或阳离子的组成加以改变。大的阴离子和阳离子的作用力小,熔点低;阳离子电荷分布均匀,则熔点也低;阴离子和阳离子结构的对称性越低,离子间相互作用越弱,熔点也低,如取代咪唑阳离子结构对称时的熔点比不对称时要高。2.2取代基咪唑阳离子的密度离子液体的密度与阴、阳离子都有关系。随着有机阳离子的变大,密度变小;随着阴离子的变大,密度变大。比较含不同取代基咪唑阳离子的氯铝酸盐密度发现,密度与咪唑阳离子上N-烷基链长度呈线性关系,随着有机阳离子变大,离子液体的密度变小。因此,设计不同密度的离子液体,首先通过选择相应的阴离子来确定大致范围,然后再选择阳离子对密度进行微调。2.3萃取剂的功能离子液体对大量的无机物和有机物,以及聚合物都有良好的溶解能力,并具有溶剂和催化剂的双重功能,可用作萃取和反应介质。有研究表明,随着离子液体中季铵阳离子侧链的增大,非极性增加,其溶解性也随之变大。因此,改变阳离子的烷基可以调整离子液体的溶解性。大多数离子液体的介电常数超过一特征极限值时,其与有机溶剂是完全混溶的。2.4施工中的损伤离子液体的黏度取决于氢键和范德华力,可通过阴、阳离子来调节。阳离子及其结构是主要的影响因素,如[Emim]2.5碱性离子液体的酸碱性主要由阴离子决定。含氯代铝酸盐的室温离子液体表现出路易斯酸碱的化学行为,Cl2.6离子液体辅助的双水相色谱法离子液体的生物可降解性取决于阳离子上烷基的侧链,具有吡啶单元的化合物很难降解,具有咪唑结构的化合物在微生物的作用下易分解。由于离子液体具有以上这些特殊的性能,因此被认为是继超临界流体和双水相之后的第三种绿色溶剂。目前在材料科学、生物工程、分析化学和环境科学等领域都开始进行深入的研究。3制备新纤维的应用在纺织领域,离子液体的低挥发性、高极性、优良的稳定性、强溶解性和生物兼容性,都可以用于催化染料和中间体等有机物的合成,溶解无机物和有机物来制备新型纤维,以及重金属和酚类产品的分离和性能分析等。3.1前处理和染色中的离子液体3.1.1双氧水基质元素水活化离子液体活化活化剂双氧水用作漂白剂,处理过程容易控制,能使纺织品产生均匀而良好的漂白效果。但在低温下双氧水的漂白能力变差,利用率降低。因此,现在有较多研究集中在加入低温漂白活化剂,希望能够获得较好的漂白效果。其中,研究和开发活化双氧水漂白性能的离子液体,对拓宽离子液体的应用和活化剂种类有很现实的意义。河北科技大学的王亚楠和吴军玲在前期工作的基础上,设计并制备了含有活性官能团—COOH的功能化离子液体(其独特的官能团结构能够与双氧水结合,形成更具漂白活性的物质);并以该离子液体-双氧水为漂白体系,对纯棉织物进行漂白3.1.2羊毛织物的染色性能提高了染色性能羊毛纤维具有鳞片层结构,鳞片层中的胱氨酸还含有大量二硫键,将蛋白质连接成为网状结构,具有极高的化学稳定性和强疏水性,导致染料对纤维的表面吸附和内扩散速率缓慢经过离子液体预处理后羊毛表面鳞片层被部分破坏,亲水性和孔隙增大,对染料的亲合力和内扩散性得到提高,提高了羊毛的染色性能。湖南工学院的汪南方和翦育林3.1.3离子液体缓染剂的应用腈纶纤维在用阳离子染料染色时,由于染料阳离子与纤维上的阴离子基团能较快地形成牢固的离子键结合,导致染料的移染性和匀染性很差。为此,腈纶纤维染色时,常用相对分子质量为300~500的含长链烷基的三甲基季铵盐类阳离子缓染剂,以改善其匀染性能试验还发现,加入离子液体后,染料在腈纶纤维中的扩散活化能随其疏水性碳链长度的增加而逐渐下降。活化能越高,说明染料的上染对温度越敏感。由此可见,染料上染腈纶对温度的敏感性随着离子液体疏水性碳链长度的增加而减弱。因此,疏水性相对较强的C3.1.4脱胶方法的影响桑蚕丝是由丝素和丝胶组成的蛋白质纤维,丝胶的存在会影响蚕丝后续的染色性能,因此需要对蚕丝进行脱胶处理。常规的脱胶方法包括皂碱法脱胶和酶法脱胶。皂碱法能有效地促进丝胶的膨润和溶解,但对桑蚕丝的损伤也比较大;酶脱胶是利用酶将丝胶蛋白分解而达到脱胶的目的,但酶法脱胶需要考虑蛋白酶的活性及严格控制温度。对于脱胶后的桑蚕丝,除了需要考虑丝胶脱除的效果,还得兼顾白度和蚕丝表面损伤等情况。辽东学院化工与材料学院的程德红3.1.5离子液体对纤维结晶的影响苎麻纤维是初生韧皮纤维,具有杨氏模量高、聚合度大、单纤强力大等特点,但在穿着过程中,与皮肤接触时易产生刺痒感。离子液体作为一种溶剂,可以通过对纤维结晶区的局部溶胀和纤维表层的溶解,达到对纤维改性的目的。成都纺织高等专科学校的李强林等人德国西北纺织研究中心(DTNW)研究证明3.2染整加工人员对无甲醛免烫整理剂的态度20世纪80年代开始,随着人们对甲醛危害人体健康认知程度的逐渐加深,一些国家相继制定标准,限制纺织品上的甲醛释放量。同时,由于市场对免烫织物需求量的剧增,迫使染整工作者们思考更为环保的无甲醛免烫整理剂。目前研究较多的是多元羧酸类整理剂,其中效果最突出的是1,2,3,4-丁烷四羧酸(BTCA),虽然其存在价格高昂、合成步骤冗长的问题,但因极强的反应性、较好的耐久压烫性能以及环境友好性,已经成为最有潜力的一款新型免烫整理剂。由于离子液体在加热时对纤维素纤维具有溶胀以及改变晶型的作用,因此,可以利用离子液体对棉织物的溶胀作用,使BTCA更好地进入棉织物内部,来提高BTCA与织物的反应性。东华大学程诚等人3.2.2抗静电整理丝绸和织物涤纶纤维由于含潮率低,在常规服用条件下极容易产生静电,通常需要进行抗静电整理。西安工程大学的肖叶群等人河南工学院的汪青3.2.3抗毛织物羽毛的羽毛分类张莉等人3.3离子液体在萃取分离金属离子中的应用随着市场消费安全意识的不断增强,以德国为代表的欧盟成员国对于玩具、服装、鞋靴等消费品中的有害化学成分日益关注,特别是儿童用品中的增塑剂和重金属、纺织品中的禁用偶氮染料和DMF(富马酸二甲酯)、皮革制品中的SCCP(短链氯化石蜡)和六价铬等,更是成为消费品不合格的通报焦点。禁用偶氮、DMF和SCCP等有害化学品也相继被列入欧盟REACH法规的限制清单,限量也不断趋严离子液体对无机和有机材料具有选择性的溶解能力,与一些有机溶剂不互溶,可以提供非水的极性可调的两相体系,使其在液液萃取、液相微萃取、固相微萃取、离子液体/超临界CO如LiuJingfu等人同时,离子液体对酚类物质萃取也有广泛的应用。付新海等人离子液体/螯合萃取分离金属离子,则是利用螯合剂与带电的离子通过配位键生成电中性、稳定、易溶解于萃取剂的螯合物,经传质进入萃取相,从而与原基质分开的一种分离方法,而离子液体的非配位或弱配位的性质适合用作螯合萃取的萃取溶剂。因此,利用离子液体/螯合萃取来萃取分离金属离子效果非常明显。Visser等人疏水性离子液体还可以用于染色废水的脱色。LiCP等人由于离子液体能够对无机物、有机物、聚合物等不同物质具有良好的溶解性,克服了传统溶剂在使用过程中的缺点,因此,在萃取分离中有着良好的应用前景。但萃取分离过程中,离子液体的阴离子或阳离子有可能会部分溶于水相,从而造成其自身的损失。3.4离子液体的回收技术尽管离子液体具有非常优异的性能,但其合成成本却较高,在进行工业化生产时必须进行有效的循环利用,以降低成本离子液体主要有亲水性离子液体和疏水性离子液体两大类,二者的回收方法也存在一定的差异。一般来说,亲水性离子液体回收比较困难,大多都是利用离子液体的低蒸汽压,采用减压蒸馏的方式去除其中的杂质。但是如果混入的是难挥发性的杂质,减压蒸馏则不能将杂质除去。目前对于这类离子液体都是通过添加合适的溶剂,使其形成双水相体系后再进行离子液体的回收。疏水性离子液体的回收相对来说比较简单,一般都是根据离子液体不溶于特定的有机溶剂,向其中加入乙醚等有机溶剂将杂质萃取出来。研究发现,采用减压蒸馏的方式可回收99%以上的离子液体,回收后再次溶解纤维素的能力接近于原离子液体,均相合成醋酸纤维素的取代度也与第一次相同反应条件下的产品相仿,但其能耗非常大,不适合工业化应用。Ma等但是,在未来大规模的工业化生产中,应找到其他更实用的方法,如纳滤、反渗透、预汽化、析盐、使用活性炭、树脂交换、膜浓缩和减压蒸馏相