第三章-2 纤维素的物理化学性质.pdf

1 Wood Chemistry 第二节第二节 轻工科学与工程学院轻工科学与工程学院 纤维素的物理化学性质纤维素的物理化学性质 Wood Chemistry纤维素的物理化学性质纤维素的物理化学性质 吸湿 主要介绍主要介绍纤维素纤维素 润胀 轻工科学与工程学院轻工科学与工程学院 主要介绍主要介绍纤维素纤维素 润胀 溶解 Wood Chemistry 一 纤维素的吸湿一 纤维素的吸湿 吸湿吸湿 纤维素在空气中吸收水分 纤维素在空气中吸收水分 吸湿的吸湿的本质本质 纤维素无定形区大分子上的 纤维素无定形区大分子上的 OH与空与空 气中的气中的H2O形成形成氢键氢键 轻工科学与工程学院轻工科学与工程学院 气中的气中的H2O形成形成氢键氢键 吸湿吸湿仅仅发生在仅仅发生在无定形区无定形区 不影响结晶区 不影响结晶区 原因 原因 无定形区纤维素大分子上的 OH只是部分地形成氢 键 还有部分是游离的 只是部分地形成氢 键 还有部分是游离的 能与空气中的H2O以氢键结合 Wood Chemistry等温吸附与解吸等温吸附与解吸 吸附吸附 干纤维素从 干纤维素从空气中空气中吸收水分或水蒸汽吸收水分或水蒸汽 解吸解吸 当大气中水蒸汽分压降低 纤维素 当大气中水蒸汽分压降低 纤维素放出水或水蒸汽放出水或水蒸汽 轻工科学与工程学院轻工科学与工程学院 等温吸附曲线 等温吸附曲线 一定温度下 干纤维素从空气中吸收水分 湿含量随相对湿度变化的曲线 一定温度下 干纤维素从空气中吸收水分 湿含量随相对湿度变化的曲线 等温解吸曲线 等温解吸曲线 一定温度下 湿纤维素在空气中蒸发除去 水分 湿含量随相对湿度变化的曲线 一定温度下 湿纤维素在空气中蒸发除去 水分 湿含量随相对湿度变化的曲线 Wood Chemistry等温吸附曲线和等温解吸曲线等温吸附曲线和等温解吸曲线 解吸曲线解吸曲线 湿 含 量 湿 含 量 吸附曲线与解吸曲 线的三个阶段 吸附曲线与解吸曲 线的三个阶段 吸附曲线与解吸曲吸附曲线与解吸曲 轻工科学与工程学院轻工科学与工程学院 吸附曲线吸附曲线 吸附曲线与解吸曲吸附曲线与解吸曲 线的关系线的关系 不同原料之间 吸 附与解吸的关系 不同原料之间 吸 附与解吸的关系 Wood Chemistry 1 0 20 很快 无定形区很快 无定形区游离 OH游离 OH吸水 吸水 干纤维素吸湿的三个阶段干纤维素吸湿的三个阶段 2 20 60 较慢 较慢 破坏分散的氢键破坏分散的氢键后再吸水 后再吸水 3 60 很快 吸附很快 吸附多层水多层水 轻工科学与工程学院轻工科学与工程学院 说明 说明 吸湿仅仅发生在纤维素的无定形区 吸湿仅仅发生在纤维素的无定形区 吸湿后的纤维素烘干后 吸湿后的纤维素烘干后 X 射线图没有发生任何变化X 射线图没有发生任何变化 2 Wood Chemistry纤维素与水纤维素与水 纤维素纤维素 OO HHH OO 轻工科学与工程学院轻工科学与工程学院 纤维素纤维素 O HH O HH O HH O H OO HH O H Wood Chemistry 解吸过程与吸附过程解吸过程与吸附过程相反 即先失去多层水 然后失去 氢键结合水 相反 即先失去多层水 然后失去 氢键结合水 解吸的滞后现象解吸的滞后现象 轻工科学与工程学院轻工科学与工程学院 解吸存在滞后现象解吸存在滞后现象 即在同一相对湿度下 除 即在同一相对湿度下 除0和和100 解吸时的湿含量总是高于吸附时的湿含量 解吸时的湿含量总是高于吸附时的湿含量 Wood Chemistry 吸附吸附时先要时先要破坏无定形区的氢键才能吸水破坏无定形区的氢键才能吸水 分子内有一 定的应力抵抗这种破坏 氢键不可能全部打开 分子内有一 定的应力抵抗这种破坏 氢键不可能全部打开 滞后的原因 滞后的原因 解吸解吸时时由于同样受内部阻力的抵抗由于同样受内部阻力的抵抗已已被吸附的水不被吸附的水不 轻工科学与工程学院轻工科学与工程学院 解吸解吸时时 由于同样受内部阻力的抵抗由于同样受内部阻力的抵抗 已已被吸附的水不被吸附的水不 容易挥发容易挥发 即纤维素与水分子之间的氢键不能全部可逆地被 打开 即纤维素与水分子之间的氢键不能全部可逆地被 打开 所以 同一相对湿度下 解吸时的湿含量总是高于吸 附时的湿含量 所以 同一相对湿度下 解吸时的湿含量总是高于吸 附时的湿含量 Wood Chemistry木材纤维素与棉花纤维素木材纤维素与棉花纤维素相比 相比 1 1 木材纤维素木材纤维素比棉花纤维素比棉花纤维素吸湿量大吸湿量大 说明 说明无定形区 较多 吸湿性强 无定形区 较多 吸湿性强 2 木材纤维素解吸滞后木材纤维素解吸滞后比棉花比棉花严重严重 与无定形区游 与无定形区游 轻工科学与工程学院轻工科学与工程学院 离离 OH有关 说明木材纤维素有关 说明木材纤维素无定形区游离无定形区游离 OH较多 较多 吸湿仅仅发生在无定形区 随无定形区比例的增 大而增加 吸湿仅仅发生在无定形区 随无定形区比例的增 大而增加 即随结晶度增加而减少 即随结晶度增加而减少 说明 说明 Wood Chemistry等温吸附和等温解吸曲线等温吸附和等温解吸曲线的内容的内容 吸附和等温解吸曲线的阶段性 三个阶段 吸附和等温解吸曲线的阶段性 三个阶段 解吸的滞后现象解吸的滞后现象 轻工科学与工程学院轻工科学与工程学院 解吸的滞后现象解吸的滞后现象 不同原料纤维素吸湿性的差异 不同原料纤维素吸湿性的差异 Wood Chemistry 润胀润胀 纤维素纤维 纤维素纤维吸收极性液体吸收极性液体后 体积增大 内聚力下降 纤维变软 但仍保持外观形态 后 体积增大 内聚力下降 纤维变软 但仍保持外观形态 二 纤维素的润胀和溶解二 纤维素的润胀和溶解 1 润胀和溶解的基本概念1 润胀和溶解的基本概念 润胀剂润胀剂被吸收的极性液体被吸收的极性液体 轻工科学与工程学院轻工科学与工程学院 润胀剂润胀剂 被吸收的极性液体被吸收的极性液体 润胀度润胀度 纤维素纤维润胀时 纤维素纤维润胀时 直径增大的百分率 即 润胀 后直径增值 原纤维直径 直径增大的百分率 即 润胀 后直径增值 原纤维直径 溶解溶解 以分子状态进入溶液 以分子状态进入溶液 3 Wood Chemistry 润胀和溶解都是纤维素超分子结构发生变化的过 程 润胀和溶解都是纤维素超分子结构发生变化的过 程 溶解时超分子结构完全被破坏 溶解时超分子结构完全被破坏 轻工科学与工程学院轻工科学与工程学院 具两相结构的高分子化合物 要溶解必须先润胀 具两相结构的高分子化合物 要溶解必须先润胀 润胀是溶解的必要前提 润胀是溶解的必要前提 Wood Chemistry 1 结晶区间的润胀 1 结晶区间的润胀 2 润胀类型 润胀类型 润胀剂极性小 只能进入润胀剂极性小 只能进入无定形区发生润胀无定形区发生润胀 润胀润胀 后后X 射线图不变射线图不变 晶格构造不变晶格构造不变 轻工科学与工程学院轻工科学与工程学院 后后X 射线图不变射线图不变 晶格构造不变晶格构造不变 如 如 纤维素在纤维素在水 甲醇 乙醇 苯胺水 甲醇 乙醇 苯胺等润胀剂中等润胀剂中的 润胀 的 润胀 Wood Chemistry 2 结晶区内的润胀 结晶区内的润胀 润胀剂极性大 能进入润胀剂极性大 能进入结晶区内部引起纤维素润胀 结晶区内部引起纤维素润胀 润胀后润胀后X X 射线图改变射线图改变 晶格构造发生变化晶格构造发生变化 轻工科学与工程学院轻工科学与工程学院 如纤维素在如纤维素在浓酸 浓浓酸 浓H2SO4 浓 浓HCl 碱 一定浓度 的 碱 一定浓度 的NaOH 无机盐类 无机盐类 ZnCl2 等中的润胀 等中的润胀 润胀后润胀后X X 射线图改变射线图改变 晶格构造发生变化晶格构造发生变化 Wood Chemistry 根据根据润胀剂能力润胀剂能力的强弱 的强弱 结晶区内的润胀结晶区内的润胀又分为又分为 有限润胀有限润胀 润胀剂进入结晶区内引起润胀 润胀剂进入结晶区内引起润胀 X 射线图改变 射线图改变 轻工科学与工程学院轻工科学与工程学院 但但未发生溶解 未发生溶解 如如NaOH溶液中的润胀 溶液中的润胀 无限润胀无限润胀 结晶区强烈润胀 结晶区强烈润胀 大分子分散于润胀剂中 即溶解 大分子分散于润胀剂中 即溶解 如如浓浓H2SO4 72 浓浓H3PO4 88 浓浓HCl 40 中的润胀 中的润胀 Wood Chemistry 吸湿吸湿 从 从空气空气中吸收水分中吸收水分 3 纤维素纤维在水中的润胀 结晶区间的润胀 纤维素纤维在水中的润胀 结晶区间的润胀 润胀润胀 浸泡于 浸泡于水水中吸收水分中吸收水分 干的纤维素纤维置于水中能干的纤维素纤维置于水中能吸收自身重量吸收自身重量2 3倍的水倍的水 轻工科学与工程学院轻工科学与工程学院 干的纤维素纤维置于水中能干的纤维素纤维置于水中能吸收自身重量吸收自身重量2 3倍的水倍的水 吸收的水吸收的水 分为分为两种两种 结合水结合水 细胞壁细胞壁中中成氢键结合成氢键结合的水 的水 游离水游离水 细胞腔及孔隙中细胞腔及孔隙中的的毛细管毛细管水 水 Wood Chemistry 游离水游离水和和结合水结合水的分界点称为的分界点称为纤维饱和点纤维饱和点 只有细胞壁中的结合水能引起纤维润胀只有细胞壁中的结合水能引起纤维润胀 轻工科学与工程学院轻工科学与工程学院 纤维素纤维在纤维素纤维在水中的润胀水中的润胀为为结晶区间的润胀结晶区间的润胀 去 掉水后 X 射线图不变 去 掉水后 X 射线图不变 4 Wood Chemistry 碱浓碱浓 12 5 时 时 结晶区间的润胀结晶区间的润胀 4 纤维素在 纤维素在NaOH溶液中的润胀 碱浓 溶液中的润胀 碱浓 12 5 时 时 结晶区内的润胀结晶区内的润胀 60 80 100 60 80 100 润胀度润胀度 轻工科学与工程学院轻工科学与工程学院 结晶区内的润胀引起纤维素晶 格的变化 结晶区内的润胀引起纤维素晶 格的变化 即 纤维素即 纤维素I 碱纤维素碱纤维素 I 纤维素纤维素II 0 20 40 0510152025 0 20 40 0510152025 NaOH浓度浓度 Wood Chemistry 碱浓碱浓8 润胀度迅速增加润胀度迅速增加 碱浓碱浓 12 5 X X 射线图开始变化射线图开始变化 8 358 35 10 50 12 5 75 17 5 96 21 75 40 60 80 100 10 50 12 5 75 17 5 96 21 75 40 60 80 100 润胀度润胀度 轻工科学与工程学院轻工科学与工程学院 碱浓碱浓 12 5 X X 射线图开始变化射线图开始变化 碱浓碱浓 17 5 达到最大润胀度 达到最大润胀度 96 碱浓碱浓 17 5 润胀度下降润胀度下降 0 255 290 255 29 8 8 3535 0 20 0510152025 0 20 0510152025 NaOH浓度浓度 Wood Chemistry 影响润胀度的影响润胀度的主要因素主要因素是是水化水化Na 的数量和体积的数量和体积 影响润胀度的因素影响润胀度的因素 碱浓碱浓17 5 随着碱浓的增大 随着碱浓的增大 水化水化Na 数增加数增加 但 但水 化 水 化Na 体积变小体积变小 纤维素的润胀度下降 纤维素的润胀度下降 Wood Chemistry 20 C时 棉纤维时 棉纤维在在H2O中最大润胀度为中最大润胀度为25 棉纤维棉纤维在在NaOH溶液中最大润胀度为溶液中最大润胀度为