【毕业学位论文】（Word原稿）纳米纤维素的制备和应用

题 目： 纳米纤维素的制备和应用 二 0 一一 年六月 三 日 纳米纤维素的制备和应用 摘要： 通过 碱处理、漂白、硫酸 水解 、超声波分散甘蔗渣 制备纳米纤维素 ,分析 溶液 浓度、 反应温度和水解时间对纳米纤维素得率的影响 ,优化了实验参数。用 粒度分析仪和红外分析仪 进行了分析。结果表明 ,当 使用 4%80反应 4选用 用 1%反应 40 漂白 条件 ；选用 50%浓硫酸降解温度在 40，反应时间为 4h，所得产品性能最好，产率最高 ，分子分布粒度最细。 在 试验过程中选用不同的实验过程和方案，根据实验数据得到最佳实验方 案，增加其工业生产效率。阐述纳米纤维素是一种新型的高分子功能材料，具有独特的结构和优良的性能 ，并介绍了纳米纤维素在医学、药学、增强剂、造纸工业等方面的应用。 关键词 ： 甘蔗渣；纳米纤维素 ； 酸解；制备 、尺寸分布、超声波分散 。 y on of a % 80 4h of % 40to do 50% in 0 , h, of In to is a of a in 录 第一章 前言 . 1 . 1 . 1 维素 . 1 . 2 . 2 . 3 解法制备 【 9】 . 3 械法制备 . 4 物法制备 . 5 . 5 . 5 . 6 . 7 . 7 机物复合 . 8 的及意义 . 8 究目的 . 8 . 8 . 9 第二章 甘蔗渣制备纳米纤维素 . 11 . 11 . 11 . 11 . 11 . 11 . 12 . 12 . 12 果讨论： . 14 . 15 讨论 . 15 . 16 . 16 . 16 果讨论 . 17 . 18 . 19 . 19 第三章 结论 . 21 致谢 . 22 参考文献 . 23 1 第一章 前言 料简介 蔗渣 蔗渣是甘蔗糖业的副产物 , 其纤维素含量一般都在 46%以上 , 是一种丰富的天然纤维素资源。在我国 , 蔗渣资源十分丰富 , 据统计 , 我国每年产出蔗渣约1000多万吨 , 其中仅广西区年产蔗渣就有 600 多万吨 【 1，长期以来 , 这么大数量的宝贵财富 , 目前有 20 %用于制作纸浆 , 还有 80 %只能作为锅炉燃料 , 尚未得到充分利用，非常可惜 。 甘蔗渣的结构复杂，但其主要成分是纤维素，半纤维素，木质素。其中半纤维素大约 木质素 纤维素的甘蔗渣里含量大约为 3】 。甘蔗渣里的木质素主要分布在表皮组织部分，它与半纤维素结合形成牢固的保护层，阻碍酶与纤维素的接触，使的甘蔗渣酶水解比较困难。 随着工业化 的 进展，大量煤和石油被消耗，造成了这些不可循环资源逐渐枯竭，也给环境带来严重污染，因此有必要寻找一种新的可再生能源代替化石类能源。生物质是指以木质素、纤维素、半纤维素以及其他有机质为主的陆生植物和水生植物等，是一种可 再生能源资源 ，它的利用前景非常可观。甘蔗是人类迄今栽培量最高的一种作物。甘蔗被提取甘蔗汁后会留下大量的甘蔗渣，据统计，我国每年甘蔗的种植面积约 130年生产的甘蔗渣约 900万 t，但在国内，目前这些甘蔗渣还未得到充分利用，不仅造成了环境污染，还造成资源的浪费。目前，甘蔗渣的重复利用已经取得一定成果，但由于甘蔗渣的结构复杂性，要实现其高效重复利用还存在一定的困难，因此，国内外有关甘蔗渣降解的研究尚未取得突破性进展。国内外利用微生物和酶降解甘蔗渣的研究有比较多的报道，现将这方面研究进行综述， 以便于更好的实现 甘蔗渣的重复利用。 纤维素 纤维素主要由植物的光合作用合成 ，是自然界取之不尽 ，用之不竭的可再生天然高分子。近年来随着石油、 煤炭储量的下降、 石油价格的飞速增长、各2 国对环境污染问题的日益关注和重视 ，以及可再生资源在科技、医学、技术等方面的发展 ,纤维素的应用正愈来愈受到重视。纳米纤维素 (被称为纤维素纳米晶体， 是一种直径为 1 100 长度为几十到几百纳米的刚性棒状纤维素 与普通的非纳米纤维素相比， 由于 高纯 度、 高结晶度、高杨氏模量、高强度等特性，其在材料合成上展示出了极高的杨氏模量和强度等性能，加之其具有生物材料的轻质 、可降解 、生物相容及可再生等特性， 使其在高性能复合材料中显示出巨大的应用前景 【 4。 使得其表面易于化学改性从而赋予表面不同的特性 , 通过表面改性能够提高其在疏水性基质材料中的分散性，扩大了纳米纤维素的应用范围。 甘蔗渣制备 意义 将甘蔗渣经一定处理 , 通过化学反应 , 制备成附加值很高的 不仅经济效益十分显著 ,而且具有 社会效益和环境效益。 尤其在广西这样的糖业大区 , 更具有特殊的意义。 纤维素粉是一种具有较高的持水力、膨胀力的高活性膳食纤维 , 它作为一种功能性食品基料对人体具有保健作用。在肠道内 , 非水溶性纤维素粉可以迅速吸水膨胀 ,能够明显地改善肠胃功能 ,促进肠胃的蠕动 ,预防便秘 ,并像吸水海绵一样 ,吸附脂肪和胆固醇 ,将其中一部分裹携 , 随粪便排出体外 ,从而减少脂肪和胆固醇的吸收。这一作用对于肥胖、高血脂症、高胆固醇血症、糖尿病、高血压、心脑血管疾病和胆结石者十分有益。另一方面 ,纤维素粉可以作为非营养性原料 ,用于制 造低脂肪或无脂肪食物 ,同时还可以作为组织改进剂、分散剂、稳定剂改善食品的品质、性能及口味 ,是一种具有广泛用途的食品添加剂。 特性 纳米纤维素是生物高聚物增强相 ,具有其他增强相无可比拟的特点 :第一 ,源于光合作用 ,可安全返回到自然界的碳循环中；第二 ,具有非常高的强度 ,杨式模数和张应力比纤维素有指数级的增加 ,与无机纤维相近 ,碳纳米管是迄今能生产的强度最高的纤维 ,而纳米纤维的强度约为碳纳米管强度的 25 % ,纤3 维素纳米纤维有取代陶瓷和金属的潜质；第三 ,比表面积巨大 ,表面能和 活性的增大产生了小尺寸、 表面或界面、 量子尺寸、 宏观量子隧道等效应 ,在化学、 物理 (热、光、电磁等 )性质方面表现出特异性 ,会明显改变材料的电学、光学、 磁力学、绝缘性甚至超导性。 天然纤维素纤维中可以分离得到两种纳米纤维素 【 6:网状的纤维素微纤丝和棒状的纤维素晶须 (。微纤丝被认为是植物纤维中最小的结构单元 ,它由成束的高强度和高杨氏弹性模量的纤维素分子链通过氢键组成。一个微纤丝由多个基元原纤丝聚集而成。基元原纤丝由于来源不同直径在 2 20 其中分布着结晶的纤维素晶体和无定型的 纤维素高分子。 ,晶体结构高度有序 ,为天然或合成高分子的最高等级 ,其机械强度接近于原子的键合力 ,它所具有的机械性能远远超出现在使用的绝大多数增强材料。 ,分子复合材料所选择的增强相分子必须是刚性棒状结构 ,其最重要的特征是硬段分子在柔性基体中的分散横向尺寸一般应小于 5 其性能要有明显的协同增强效果 ,相应具有高长径比、 高强度高模量等特点 ,相的要求。分子复合材料的界面是超微观的可达到分子水平 ,消除了增强相与基体的界面粘结热膨胀系数的不匹配等问题 ,充分发挥刚棒状分子增强相内在的力学及高温环境稳定等特性 【 8】 。 制备方法 解法制备 【 9】 酸水解可将纤维素的无定形区除去， 在减小了微晶纤维素尺寸的同时， 制备出具有高结晶度的纤维素，纤维素的超分子结构是由结晶区和无定形区交错结合的体系， 将天然纤维素对强度贡献大的 100 200围的结晶区通过化学法分离出来 过化学水解法制备 可以在制备 的同时对纤维素进行表面改性 同时，通过改变水解浓度 、水解温度 、水解时间等条件对 尺寸大小和结晶度等指标进行可控的制备，由于化学酸水解过程需要强酸水解，因此对反应设备要求， 而且反应后的残留物较难回收。 4 械法制备 机械法制备 常是对纤维素进行高压的机械处理，使得纤维发生切断和细纤维化作用，从而分离出具有纳米尺寸范围的微晶纤维素 通过机械法制备 需化学试剂，对环境的影响较小，但机械法制备的 粒径分布较宽 同时， 机械法制备所需的设备较特殊，能量消耗高。 浆 通过相对较大的能量和足够长的打浆时间能将纤维制备成纳米尺寸范围的微纤维 。 10】 等以美国黑松制备的硫酸盐浆为原料，用一个高压的精磨机， 在 间隙下循环匀质 30 次 ,然后将此浆料通过一个研磨机进一步磨解 10 次制备出了具有纳米尺寸的纤维素 图中是用上述方法制备的纳米纤维素扫描电镜照片，从图中可以看出 通过循环的磨解作用 纤维发生较好的细纤维化作用， 形成了具有纳米尺寸的纤维素。 压剪切 通过高压剪切的方法将纤维分散成纳米纤维素是一种常用的机械 制备方法，碱润胀和漂白后的甜菜片纤维素经过碎解机和高压匀质机将纤维分散成纳米纤维素，纯化后的甜菜纤维通过一个高压的匀质化作用对其进行处理，使其细胞5 壁发生破坏从而制备 经过干燥后能够制备出高强度的纤维片。 温压榨 低温压榨是一种将水或碱膨胀的纤维材料浸入到液氮中， 这种方法的目的是在细胞中形成冰晶， 当冷冻的纤维受到高冲击力时， 细胞壁中的冰晶受到压力的作用引起破裂，从而将微纤维分离成具有纳米尺寸的纤维素。 物法制备 通过微生物合成的方法制备的纤维素通常被称为细菌纤维素 细菌纤维素的物理和化学性质与天然纤维素相近 与天然植物纤维素相比， 细菌纤维素具有超细的网状纤维结构，每一丝状纤维由一定数量的纳米级的微纤维组成。 应用 由于纳米纤维素是一种纯天然的生物材料 ,它在生物方面的用途极为广泛 ,包括生物传感器的制造 ,生物载体 ,生物医学材料 ,无机材料的生物模板 ,和无机材料复合制备生物活性的组织学支架 ,磁性药物载体 ,甚至工业净化等等 ,几乎所有纳米纤维素所应用的领域都涉及到了其生物特性。 11】 等将 入到生长了 木醋杆菌的培养基中制备出了形态范围广并且分散良好的细菌纤维素 / 米复合物。当 量比率从 15 85 增加到 59 41 时 ,纳米纤维的直径变的更小了 ,但是凝结到成更大的束状。这说明 纳米尺度的纤维素混合了。 为这个工制品的性能已经接近了纤维增强的热塑性纳米复合物 ,它有很好的柔韧性 ,这种形态和性质适用于剪裁 ,显示了可以将细菌细胞转移去制造生物仪器产品的前景。 由于纳米纤维素很好的生物适应性以及其纳米尺度的特殊结构 ,在用于生物载体方面体现出了巨大的潜力 。由于是纳米级别 ,有生物活性的纤维素颗粒能清理皮肤的毛孔 ,打开气孔 ,穿过皮下的脂质层和上皮层。生物载体的该功效可以被应用到高级生物材料或者用于高级护理及皮肤治疗的化妆药物。 6 纳米纤维素的特殊结构和优良性质已经使它在近年来开始应用于生物医学的研究。其中细菌纤维素由于其天然的纳米网状结构和抗菌特性 ,在这个领域尤其受宠。研究发现 ,纳米纤维素在活体中还未发现有任何排异反应和炎症发生 ,这种优越的生物适应性引起了人们的广泛兴趣。纳米纤维素在伤口抗菌敷料、 人工移植物以及防紫外线化妆品领域都 有涉及。 织工程支架 组织工程学包括对细胞 ,生物或人工支架的应用 ,也包括了细胞和生物反应器。多聚糖如壳聚糖 ,透明质酸和它们的天然来源很有利于组织工程学支架研究 ,因为他们有很好的生物相容性 ,可以刺激细胞生长 ,并且可以控制细胞支架的相互作用。现在的趋势显示出了对组织制备的力学性能的重视 ,因此人们有兴趣在力学作用下把细胞 支架组成暴露在活性的生物传感器中。相比之下 ,用木醋杆菌制备的纳米纤维素被发现很适用于做支架材料 ,因为它很好的力学性能 ,持水性能 ,生物相容性和它的在广泛温度和 p H 范围内的稳定性。另外 ,很好的多孔性形态和与胶原蛋白的相似性使得细菌纤维素对于细胞固定 ,细胞移居和多孔模板的制备来说是很有吸引力的 【 12】 。 学移植 在美国 ,每年都有超过 500000 的人工合成移植物被移植入人体。对血管外壁的重建和替代的移植手术在近五年来明显增加了 75% 90% ,细菌合成纤维素管 (高纯度、 高含水量、天生的水凝胶结构的稳定性、纳米纤维网状结构、液体离子的可渗透性、小分子量和近似于生物组织表面使得 医学移植 中很重要的一部分是客户定制的特征和纤维素纳米支架的可控改性。这个支架通过羟基功能化的外表面 ,纳米纤维结构的底表面 ,以及大孔体系与环境相互作用。因此 ,可以吸附和积累水 ,其它液体有 :有机物、无机试剂、 金属和金属氧化物、 合成大分子、 生物大分子和活细胞。 7 妆品配料及面膜 由于纳米纤维素能清理皮肤的毛孔、打开气孔、穿过皮下的脂质层和上皮层 ,同时本身有很好的持水性和离子渗透性 ,所以在化妆棉 ,纳米面膜中已经有了很大的发展 ,部分产品已经工业化 ,同时它在化妆品的配料当中也有 应用。 钟春燕 【 13】 制备了一种细菌纤维素凝胶面膜 ,它是由木葡糖酸醋杆菌在椰子水中静置培养产膜 ,所得到的膜是经过热碱水处理、酸中和、洗涤后得到细菌纤维素凝胶 ,将凝胶裁剪成面膜 ,在面膜上设有眼孔、鼻孔、嘴孔 ,在面膜的四周边缘间距向中央开设有切口 ,在面膜的侧面设有衬膜。这种细菌纤维素凝胶面膜可长时间或反复使用并缓慢释放药物 ,具有良好的美容、营养、保湿效果 ,使用后可以感觉到皮肤的细腻和光润 ,达到改善肤质的美容效果。 过去的几十年 ,已经有越来越多的人将纳米纤维素作为聚合物基底的增强剂。由于纳米纤维素的纳米尺度网状结构 ,使它拥有优越的机械性能 ,不仅在组织工程学支架方面得到重视 ,在作为增强光学透明性材料或者热塑性塑料的增强中也得到了很好的应用 ,并且纳米纤维素不会较大的影响到原来材料的其它特性。同时它的可生物分解性质 ,这让它越来越受到重视。 优化和控制复合物的界面是复合物工程学领域中最重要的工作 ,很多复合材料的性质是依据于不同化合物间的界面 ,在绿色复合物领域更是如此。因为增强纤维及作为基底的聚合物有不相容性 ,14】 设计在天然植物纤维增强的生物基底聚合物内的界面 ,用一种纤维素产生细菌使这种纳米尺度纤维素接枝到大麻和剑麻表面 ,且不影响纤维的拉伸强度。 示了在两种纤维上都很好的接枝 ,而这些表面是被粗糙化的。拉伸测试显示这个技术可以增强植物纤维和生物可降解乙酸丁酸纤维素 (界面切变强度 ( ,增加 200 %。 细菌纤维和植物纤维虽然化学组成相同 ,但微观结构存在差异 【 15】 。 由于细菌纤维素的结构特点和特性 (如 :纯度、结晶度和机械强度较高 ,具有较大表面积的 网状结构 ) ,细菌纤维素湿膜经打浆分散后受到切断、吸水润胀和细纤维化等8 作用 ,制得的细菌纤维能很好地与植物纤维结合 ,具有良好的抄造特性 ,可作为进一步开发特种纸或功能纸的造纸原料。细菌纤维素比表面积大 ,氢键结合的能力强 ,并具有优异的成膜性能 ,从目前已开展的应用工作来看 ,不必采用特殊的添加方法就可开发出简单的细菌纤维添料纸制造方法。 除了普通的纸张增强剂或改性剂 ,现在细菌纤维素还被开发用于制造所谓 “电子纸” ,意在改进现在所用的电子屏幕 ,使得其更类似于纸张 ,便于携带 ,而且使用舒适。 机物复合 无机物和有机物都有对方无法替代的特征 ,所以它们的复合是将来的大趋势 ,同时也是一个热点 ,而他们复合将产生的新产品和新功能也是无法估量的。纳米纤维素由于其优良的生物适应性和独特的纳米尺度网状结构 ,以及细菌纤维素所独具的天然的抗菌特性 ,使得它在作为无机物模板 ,抗菌复合物以及与无机物复合制备人体内移植材料等方面不断发展。 题研究的内容、目的及意义 究目的 纤维素是自然界中最丰富的具有生物降解性的高分子材料。随着资源的严重匮乏和人们对环保的日益重视 ,有效利用这种价廉 物丰的绿色可再生资源 ,利用新技术在微观领域对纤维素分子及晶须进行重新组装和改性 ,开发出具有优异性能的新型精细化工产品 ,具有极其重要的意义。采用绿色化学和绿色化学工程的原理优化原料、 工艺过程和产品性能 ,进一步高效地分离出纤维素纳米级晶须 ,达到节省能源、 减少污染、 提高效率的目的 ;寻找可以完全溶解但不降解纤维素的绿色溶剂 ,研究纤维素分子的自组装机理 ,从而获得具有特殊性能的精细化工产品 ;开拓纳米纤维素晶须在新技术、 新材料和新能源中的应用。 研究纳米纤维素的目的在于，未来其在 生物和医学方面将是占主流，在生物应用中，纳米纤维素有可能在载体及生物传感器方面有较大的发展，而在医学领9 域 ,纳米纤维素与无机物进行复合制造人工组织无疑会是一个热点。同时 ,纳米纤维素在净化、 传导和离子交换方面的应用也会受到人们的重视。食品工业也将是纳米纤维素应用的一个领域 ,而且来源和使用范围都有扩大的趋势。另外 ,纳米纤维素与磁性材料复合会是一个新热点。作为学科交叉产物 ,这种复合物在近年来可能会在实验室中逐渐成熟 ,但作为应用可能还需要一段时间。但这给我们一定的启发 ,即纳米纤维素所具有的独特的性能和 其易于其它材料混合很有可能会导致一些新的发明和产生新型功能产品。 米纤维素晶体应用的发展趋势及展望 纤维素在聚合物基纳米复合材料领域中作为一种天然的、 新型的高强度补强剂的研究 ，虽然已经开始并取得了一定的进展 但因其本身的制备过程对水介质的依赖性 、水解尺寸的不稳定性以及其本身的水溶性 ，使至今为止的研究主要集中在几种具有水溶性的聚合物上 ，而且大部分产率低 、操作复杂 。纳米纤维素晶须的发展趋势可能朝向高产、 优化处理操作等方面 。有关纤维素晶须的研究需将重点放在制备过程中的尺寸可控方面和晶须的 有机化改性方面 ，以及有机改性后在非水溶性聚合物中的应用等问题上， 以期完善纳米纤维素晶体的制备和扩大其在纳米复合材料中的应用领域 【 16】 。 纳米纤维素复合物的强度高，热膨胀系数低，透光率高，是一种真正的可再生、环境友好、 性能优越的新型材料 ，绿色复合材料可以应用在各个领域 如一次性的塑料制品如塑料袋 、碗筷 、农用薄膜等，或制成寿命为若干年的建材和装饰材料 以及飞机 汽车的配件和儿童玩具等 。但对于纳米纤维素绿色复合材料 目前还有许多问题急需解决 【 17】 ：第一 ，纳米纤维素没有商品化产品， 亟待研发出高 效、 便捷的分离处理技术， 能够低成本和低降解率地从天然材料中分离出纳米晶体；第二 ，由于纤维素强烈的氢键作用 ，制备过程对水介质和极性环境的依赖性、 水解尺寸的不稳定性 ，极性的纳米纤维素在非极性溶剂中很难均匀分散； 第三 ，极性的纤维素材料与非极性的聚合物之间的不相容性， 在不改性的情况下二者很难有较好的复合强度 ，全生物降解的纳米复合材料是一类新兴材料 就目前而言 如何得到真正意义上的绿色复合材料 ，及其热 、光、 生物降解机理等 ，还有待进一步研究。 10 另外橡胶增强理论也亟待进一步发展和完善 。纳米复 合技术的蓬勃发展不但使我们在橡胶科学和增强技术领域又多了一种思路和方法 ，也使我们在更远大的背景下，以更宽广的视野来重新审视和评价橡胶增强的要素和机理 。纳米粒径 、高表面活性、均匀的分散性是最重要的增强要素 【 18】 。 如果能让这种纳米微晶纤维素在橡胶中实现纳米级分散 ，并与橡胶形成牢固的界面结合 就有可能形成一种新型的橡胶纳米复合材料 对橡胶产生显著的补强作用和其他改性作用 。这种新型纤维素纳米填料较炭黑 、白炭黑等无机填料轻 ,符合轮胎和其他橡胶制品轻量化的要求，如能将其发展为轮胎的新型补强材料 ,部分取代 炭黑或白炭黑 将给橡胶工业带来巨大的经济效益和社会效益 。纳米材料的不断涌现为熔体直接共混技术提供了大量的分散相素材 ，使其简单、经济、直观的地位更加巩固 原位纳米复合技术分散相的高分散性、 可设计性（物理化学结构 、界面 、形状尺寸及其分布等）将是橡胶增强技术追求的理想境界。 11 第二章 甘蔗渣制备纳米纤维素 验部分 料 甘蔗渣，含水 15%，广西南宁糖业股份有限公司提供； 氢氧化钠固体， 四川自贡氯碱厂生产 ； 碳酸钠固体，浓硫酸 ， 纯度 98 % , 广西柳江县太和化工公 司生产 ； 浓盐酸 ， 质量分数 31 % , 广西南宁化工集团生 产； 丁醇液体， 国药集团化学试剂有限公司 生产 ,分析纯 ； 30%双氧水液体， 湖南大成集团生产 ； 次氯酸钠， 天津市同鑫化工厂生产 ； 冰醋酸 ,国药集团化学试剂有限公司 生产 ,分析纯。 验器材 离心机，型号 碎机，型号 35A;烘箱，型号 温水浴磁力搅拌器，超声波清洗器 0号筛网； 烧杯若干，玻璃 棒 若干 验流程图 甘 蔗 渣 粉 碎 筛 选 除 木 质 素 洗 滤冷 冻 干 燥 脱 色降 解超 声 波 粉碎洗 滤产 品N a O H 溶 液4 0 号 筛 网双 氧 水酸水 ， 正 丁 择 本 实验使用碱液加热 除 去木质素，选用碳酸钠和氢氧化钠为原料进行实验，12 在试验过程中反应完成的溶液要用酸中和 ，抽滤后的产品 ，由于 产品 中含有大量的 +反应会产生大量气体使溶质膨胀导致原料损失，所以选用氢氧化钠为除木质素的碱液最好，在漂白过程中为了使颜色均匀，选用亚氯酸钠 /冰醋酸的混合液，或者用双氧水溶液漂白，但实验发现亚氯酸钠 /冰醋酸的混合液在漂白过程中产生大量刺激性气体，而且配置溶液比例难调漂白效果不佳，在使用双氧水的过程中完全避免上述问题且漂白效果很好，成本降低，经济效率很高。故选用氢氧化钠为除木 质素的碱液，双氧水为漂白剂。 验方法 用粉碎机将烘干后的甘蔗渣粉碎，碾磨至通过 40号筛网，把烘干的甘蔗渣浸没在一定 浓度 的氢氧化钠溶液中，在一定温度下反应数小时除去大部分木质素和半纤维素。由于得到的纤维素颜色不均匀，再利用 一定浓度的 漂白溶液漂白纤维，消除残留的木质素和半纤维素，漂白后的纤维素先用 5%氢氧化钠 漂 洗，再用去离子水反复冲洗，使得 得到甘蔗渣纤维。 得到的甘蔗渣纤维用一定 浓度 的硫酸溶液在一定温度下酸解数小时除去非结晶区域，得到分散的微纤维。加入冷水终止反应。微纤维经 水洗后，用超声波清洗器分散 15用丁醇代替，最后取出 纳米 纤维，冷冻干燥。 用 热样品的目的是出去木质素，常规的木质素脱除可以采用酸、碱、盐等方法，脱除效果与物料及其工艺过程有关，甘蔗渣中的木质素含量较高、成分复杂，本实验采用强碱进行脱除，能有效的出去木质素，并使残留的木质素结构发生断裂，有利于后续的漂白。 质素含量测定 试样木质素的含量为酸不溶木质素含量与酸溶木质素含量之和。 仪器 :可控温多孔水浴 ;索氏抽提器 :150塞磨口锥形瓶 :100形瓶1000筒 :500控温电热板 ;精密密度计。 13 溶剂 :2:1(V/V)苯醇混合液 :将 2体积的苯及 1体积的 95%乙醇混合并摇匀 ;(72士 (m/ m)硫酸溶液 该溶液密度为） =(g/将 665598)%硫酸在不断搅拌下慢慢倾入 300冷却后加蒸馏水至总体积为 分摇匀，将温度调至 20，倾倒部分此溶液于 500精密密度计测定该酸液密度，若不在 (g/围内，相应地加入适量硫酸或蒸馏水进行调整，直至符合上述密度要求 ;10%氯化钡溶液 ;定量滤纸及定性滤纸；广泛 试验步骤 : (l)试样称取及处理 称取 1g(称准至 样，用定性滤纸包好并用棉线捆牢，进行苯醇抽提，最后将试样包风干。 (2)试样的水解 打开上述风干后的滤纸包，将苯醇抽提过的试样移入容量 加入冷却至 1215的 (72士 硫酸 15试样全部被酸液所浸透，并盖好瓶塞。然后将锥形瓶置于 1820水浴 (或水槽 )中，不时 摇荡锥形瓶，以使瓶内反应均匀进行。 到达规定时间后，将上述锥形瓶内容物在蒸馏水的漂洗下全部移入 1000蒸馏水 (包括漂洗用 )至总体积为 560此锥形瓶置于电热板上煮沸 4h，期间应不断加水以保持总体积为 56后静置，使酸不溶木质素沉积下来。 用已在称量瓶 (或铝盒 )内恒重的定量滤纸 (滤纸应预先用 3%硫酸溶液洗涤三或四次，再用热蒸馏水洗涤至洗液不呈酸性，并烘至恒重 )，过滤上述酸不溶木质素，并用热蒸馏水洗涤至洗液加数滴 10%氯化钡溶液不再混浊，用 后将 滤纸移入原恒重的称量瓶 (或铝盒 )中，在105士 2烘箱中烘至恒重。测定酸不溶木质素中灰分的含量。 (3)结果计算 甘蔗渣中酸不溶木质素含量按下式计算 : X=( 式中 :g; 14 g; g。 同时进行两次测定，取其算术平均值至小数点后第二位，两次测定计算值之间相差不超过 果讨论： 50 55 60 65 70 75 807880828486889092得率/%温度/4%： 8%4h， 4%4h ， 4%3h，在不同反应温度除木质素得率 A:8%4h B： 4%4h C:4%3h 时 间/015 图 二 ： 4%80时反应不同时间 除木质素 的得率 由图一 A、 A、 B、 以实验最佳温度为 80，又图二的得出结论反应时间过程会导致得率降低，可能导致的原因为时间过长 温度过高，会 使纤维素遭到破坏故得率降低，所以最佳反应时间为 4h，温度 80， 4%的 白 甘蔗渣本身色泽较深 , 经过酸处理后色泽更深 , 需要进行脱色处理。纤维的漂白脱色方法以及所使用的试剂很多 , 如 是非常优良的漂白剂 , 与纤维素的反应性很低但随着环保意识的逐渐加强 ,无氯化漂白是近年来漂白化学中发展最快的领域 ,它可以解决有机氯化物污染环境问题。采用 甘蔗渣纤维进行脱色 , 工艺简单 , 操作方便 , 在脱色的同时还可以进一步去除残余木素和戊聚糖。 色效果与时间和 温度有关 。 果讨论 10 20 30 40 50 60354045505560657075801%H 2 O 2 、401%H 2 O 2 、60白度/%时 间/ 2 O 2 、80图三： 1%80， 1%60， 1%40在不同反应时间内样品白度 16 D:1%80 E: 1%60 F:1%40 由图三我们可知纤维素的白度随着温度和时间的递增而递增，图 D、 E、 40着时间的增加白度提高不明显，故 40提高温度和延长脱色时间均会使纤维素遭到严重损失， 影响后续试验，所以温度在 60为最合适， 而增加 致实验误差 ， 解 降解是使纤维活化的过程 , 是制备高活性甘蔗渣纤维素的一个重要环节 , 经过降解后的甘蔗渣纤维素聚合度下降 , 纤维素晶型结构不改变 , 只有结晶度相应发生变化 , 活性得到很大提高。因为通过降解 , 纤维内部组成成分得以优化与重组 , 结晶度和纯度提高 , 同时可以产生大量裸露的新表面 ,提高其吸附、分散、保形性 , 其结果是纤维素粉的持水力和膨胀力迅速提高。纤维素粉的功能与其持水力和膨胀力有密切的关系 , 提高持水力和膨胀力能直接增强其功能。另一 方面 , 降解过程可以包埋某些纤维化学结构中带有的羟基或羧基等侧链基团 , 这些基团会与某些矿物元素结合影响人体肠道内矿物质的代谢平衡 , 包埋后可以避免这些基团与矿物质元素相结合 , 保证纤维素产品的质量。降解是纤维在催化剂存在下的解聚过程 , 通常在酸性条件下进行 , 常用的催化剂有硫酸、盐酸等 , 其工艺条件决定了纤维素产品的功能特性。选择盐酸作为催化剂 , 对纤维进行降解。 水力测定方法 用蒸馏水浸泡纤维素粉样品 1h ,在 14000 r/离心 15 除去上层清液 , 固态称重为 然后在 105 下干燥至恒重为 则两者之差为持水的质量 , 换算成单位纤维素粉所持水的质量 (g/g) 。 胀力测定方法 取纤维素粉样品放入盛有蒸馏水并带有刻度的玻璃试管中 ,静置 15 h , 观察样品的自由膨胀体积。换算成单位纤维素粉的膨胀体积 (mL/g) 。 17 果讨论 表 二 ： 降解 浓硫酸：浓盐酸 酸浓度/% 水解温度 / 水解时间 /h 得率 /% 持水力 膨胀力 实验 1 0 0 0 0 验 2 1:0 40 40 3 验 3 1:0 60 60 4 验 4 1:0 70 80 5 验 5 1:1 60 40 3 验 6 1:1 50 4 4 验 7 1:1 70 40 5 验 8 0:1 40 80 3 验 9 0:1 60 40 4 验 10 0:1 70 60 5 1 2 3 4 5 6345678持水力/，40图四：在 40%应温度为 40的条件下水解不同时间内得到的产品的持水力曲线图 18 0 1 2 3 4 5 6456789膨胀力/,50图五：在 40%0的条件下水解不同时间内得到的产品的膨胀水力曲线图 实验结果表明水解时间为 4h，温度在 40 时候较为合适，其持水力、膨胀力达到很好的，水平， 延长降解时间，持水力和膨胀力有所下降且得率也明显下降，降解前后，纤维素的功能特性差别很大，持水力和膨胀力都提高了数倍。 降解的时间温度越长可能强酸会 破坏纤维素的结构，导致纳米纤维素的含量降低，所以最佳温度为 40，反应时间为 4h。 酸浓度约大所得产品的得率降低，浓硫酸可能发生均相水解反应，纤维素主要降解为葡萄糖，导致产品的得率降低，可知 1:1的浓硫酸和浓盐酸，最佳浓度在 50%。 声波分散 超声分散是将需处理的颗粒悬浮液体直接置于超声场中，用适当频率和功率的超声波加以处理，是一种强度很高的分散手段。超声波分散作用机理是空化作用，其可以产生局部的高温高压、并且产生巨大的冲击力和微射流，纳米粉体在其作用下，表面能被削弱，可以有效地防止颗粒的团聚使之充 分分散。 超声波分散 温度 / 时间 /散介质 实验 1 40 10 先 20%丁醇后水 19 实验 2 60 15 先水后 20%丁醇 用纳米粒度