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摘要

本文介绍了一种在受控释碱源支持的碱性过氧化氢体系中提取苎麻纤维的方案。

摘要

本协议演示了一种在受控释碱源支持的碱过氧化氢系统中, 在苎麻纤维上精练的方法。苎麻提取纤维是一种重要的纺织材料。在以前的研究中, 苎麻纤维被提取的碱过氧化氢系统只支持氢氧化钠。然而, 由于氢氧化钠的强碱性, 过氧化氢的氧化反应速度难以控制, 从而对处理后的纤维造成很大的损害。在本协议中, 一种由氢氧化钠和氢氧化镁组成的控释碱源, 用于提供碱性条件和缓冲碱氢 peroxidesystem 的 pH 值。氢氧化镁的取代率可以调节过氧化氢体系的 pH 值, 对纤维性能有很大的影响。ph 值和氧化还原电位值, 代表了碱过氧化氢系统的氧化能力, 分别采用 ph 计和检测仪进行监测。采用高锰酸钾4滴定法测定了萃取过程中碱过氧化氢体系中的剩余过氧化氢含量, 以及纤维萃取后废水的化学需氧量 (COD) 值。用精密电子天平测量纤维的收率, 用化学分析法测定纤维的残余牙龈。用乌粘度计测定了纤维的聚合度 (PD 值)。用纤维强度仪测定纤维的拉伸性能, 包括韧性、伸长率和断裂。利用傅里叶变换红外光谱和 X 射线衍射对纤维的官能团和晶体性质进行了表征。该方案证明, 控释碱源能改善碱性过氧化氢体系中提取的纤维的性能。

引言

苎麻, 俗称 "中国草", 是一种多年生草本植物, 其纤维可作为纺织工业的优良材料1,2。它是中国原产的主要经济作物之一;中国苎麻产量占世界总产量的90% 以上1,2。苎麻纤维是最强和最长的植物纤维之一, 光泽与几乎柔滑的外观3,4。苎麻纤维长的长度使其适合于单纤维纺丝, 在麻纤维中很少见到。苎麻纤维织物具有冷却、抗菌、导热性能优异、透气性好等优点,等3,4

纤维素是苎麻纤维的主要成分, 苎麻中的其他成分如果胶、木质素、水溶性物质等, 被定义为牙龈5,6。苎麻纤维可通过溶于含有化学试剂的溶液中的牙龈来提取, 该过程定义为脱胶5,6。主要有两种苎麻纤维提取方法: 化学脱胶和生物脱胶。传统化学脱胶工艺中脱胶废水的能耗、时间消耗和 COD 值都比较高, 在高压下用浓碱液精练法提取纤维素纤维6至 8 h7,8.另外, 生物脱胶是苎麻纤维提取的一种环保选择。然而, 苛刻的反应条件和先进的设备抑制其进一步的工业应用9,10。因此, 用碱过氧化氢进行氧化脱胶, 提出了一种有价值的、可供选择的应用重点, 因为它需要较短的脱胶时间和较低的脱胶温度11,12。然而, 由于过氧化物的强氧化能力, 在脱胶过程中可能会发生大量的纤维素降解, 这会对纤维性能造成很大的损害13,14。这是苎麻碱氧化脱胶的最大缺点。

在以前的研究中, 苎麻纤维被提取的碱过氧化氢系统只支持氢氧化钠15。然而, 由于氢氧化钠的强碱性, 过氧化氢的氧化反应速度难以控制, 从而对处理后的纤维7造成很大的损害。为了改善苎麻纤维的性能, 本研究采用氢氧化钠和氢氧化镁组成的控释碱源, 为碱性过氧化氢系统的 pH 值提供了一个碱条件和缓冲剂16,17。

这项技术背后的基本原理可以描述如下。氢氧化镁在蒸馏水中略有溶解性, 它可以用 OH-的消耗逐渐溶入脱胶溶液, 并使脱胶液的 pH 值和氧化能力保持在适当的范围内18。氢氧化镁的取代率 (SR) 被定义为氢氧化镁在总碱用量为10% 时所取代的氢氧化钠的摩尔比例, 并可通过以下公式计算替代率。此外, Mg2 +可以防止过度氧化导致的纤维素降解,19,20。

figure-introduction-1833

在这里, M2 (g) 是重量的 Mg (OH)2, M1 (g) 是氢氧化钠的重量, 40 是氢氧化钠的分子量, 58 是分子量的 mg (oh)2, 2 是在 mg (oh)2中的 "职业" 的数量, 而 SR 是替代率。

本协议的技术可以推广到碱式过氧化氢系统中的植物材料的提取、漂白和改性。然而, 必须指出的是, 碱性过氧化氢系统的 pH 值和反应温度的选择是这项技术的关键21。碱性过氧化氢系统的 pH 值可以通过改变置换率17来调整。碱过氧化氢体系的 pH 值和氧化能力随取代率的增加而降低。当反应温度设定在85° c 时, 自由基反应在系统中起主要作用, 系统的强氧化性适合于溶解物料;当反应温度设定在125° c 时, 自由基反应被抑制, 系统中存在大量的呼出, 使系统适合漂白19。

研究方案

1. 苎麻的氧化脱胶

  1. 氧化脱胶液的制备
    1. 溶解 2 g H2O2, 1 克碱 (混合镁 (OH)2和氢氧化钠), 0.4 克 Na5P3O10, 0.1 克蒽醌和0.2 克 HEDP 在100毫升蒸馏水中做脱胶解决方案。
  2. 苎麻的氧化脱胶
    1. 在脱胶液中浸泡10克生苎麻, 并在85° c 下冲刷60分钟。
    2. 将温度提高到125° c (压力为0.6 公斤), 再冲刷60分钟。
      注: 有关提高温度的说明, 请参阅讨论。
  3. 苎麻纤维的还原
    1. 在100毫升蒸馏水中溶解0.4 克 NaHSO3 , 以制备还原溶液。然后, 在90° c 的还原液中对脱胶纤维进行60分钟的处理。
      注: 在氧化反应中产生的纤维素中的羧基和醛类会导致氢键的还原, 从而损害纤维的性能。通过将羧基和醛基转化为羟基, 可以改善纤维的性能。
  4. 后续处理
    1. 用去离子水彻底清洗脱胶苎麻纤维。
    2. 将纤维浸泡在90° c 的脱胶油中15分钟, 然后将纤维在烤箱 (125 ° c) 中干燥4小时。

2. 脱胶溶液性能的测试

  1. Mg (OH) 的溶解度测试2
    1. 在100毫升蒸馏水中溶解2克毫克 (OH)2 。
    2. 另外, 溶解2克毫克 (OH)2在100毫升溶液与完全可溶性脱胶添加剂, 包括 0.4 g Na5P3O10和 0.2 g HEDP。
    3. 提高在步骤2.2.1 和2.2.2 中描述的溶液的温度到85° c。
    4. 用烧结光盘提取溶毫克 (OH)2 。
    5. 用以下公式计算 Mg (OH)2的溶解度:
      figure-protocol-1160
      注意: 这里的m (g) 是溶 Mg (OH)2的重量。
  2. Mg (OH)2替代率对脱胶液 pH 值、有向值和残余 H2O2含量的影响
    注意:12,19是重要的水化学参数, 它为环境水的氧化或还原能力提供了一个测量工具。具有较强氧化性能的溶液具有较高的物性值。mg (oh)2替代率是指在总碱用量为 10% (织物重量) 下, 由 mg (oh)2取代的氢氧化钠的摩尔比例。
    1. 根据步骤 60%, 分别准备0%、20%、40%、80%、100% 和1.1 的镁 (OH)2替代率的脱胶解决方案。
    2. 将原苎麻浸泡在步骤2.2.1 中描述的脱胶溶液中。
    3. 根据步骤1.2 开始脱胶过程。
    4. 用蒸馏水冲洗混合的可处理电极, 并在空气中烘干。然后在脱胶解决方案中浸泡混合的可检测的电极仪表, 每10分钟读取一次可解的值. 将 ph 电极计浸在脱胶溶液中, 每10分钟读出 ph 值。
    5. 根据中国标准 GB 22216-20087的高锰酸钾4滴定法, 测试脱胶解决方案的 H2O2内容, 每10分钟进行一次。

3. 苎麻纤维性能测试

  1. 脱胶产量
    1. 用以下公式计算脱胶率:
      figure-protocol-2088
      注: 在这里, w (g) 是纤维在脱胶后的干重;W (g) 是苎麻在脱胶前的干重。
  2. 纤维的残余牙龈
    注: 根据中国标准 5889-86, 对纤维的残余牙龈进行了测试。
    1. 测量称量瓶中纤维 (约5克) 的干重, 并将其浸泡在装有150毫升氢氧化钠溶液 (20 克/升) 的烧瓶中 (回流冷凝管)。
    2. 将温度提高到100° c, 并保持在这个温度为1小时。
    3. 刷新碱液溶液。
    4. 将温度提高到100° c, 并保持2小时。
    5. 在样品筛中清洗纤维。
    6. 测量称量瓶中纤维的干重。
    7. 使用以下等式计算纤维的残余牙龈:
      figure-protocol-2543
      注: 这里 m (g) 是纤维的干重;M (g) 是碱精练后苎麻的干重。
  3. PD 试验
    注: 根据国标 GB 5888-8615测试苎麻纤维的 PD 值。
    1. 脱脂在 2:1 (v/五) 苯和乙醇混合物中浸入苎麻纤维。
    2. 在室温下在空气中蒸发溶剂。
    3. 使用剪刀将样品切成短片 (每样1-2 毫米, 约20-23 毫克)。
    4. 在称量容器中, 将样品保持在控制湿度 (20 ±2° c, 相对湿度 = 65 ± 2%) 中, 直到它达到平衡含水量, 然后才能除去测试目的所需的材料。
    5. 将一根铜线 (直径0.5 毫米) 浸在浓硝酸中, 其次为98% 无水乙二胺。然后, 用蒸馏水彻底冲洗铜颗粒。
    6. 将纤维样品和铜颗粒放在塑料瓶中 (顶部)。
    7. 在塑料瓶中加入10毫升蒸馏水和10毫升1摩尔/L cupriethylenediamine 溶液, 搅拌使用磁性搅拌棒, 准备 0.2 g/100 毫升 (约) 苎麻纤维 cupriethylenediamine 溶液。
    8. 将6.5 毫升苎麻纤维 cupriethylenediamine 溶液转化为乌粘度计测定其内在粘度。用下列公式计算相对粘度:
      figure-protocol-3253
      注: 这里ηr是相对粘度, t (s) 是苎麻纤维 cupriethylenediamine 溶液流经乌粘度计的平均时间, 而 t0 (s) 是0.5 摩尔/L cupriethylenediamine 溶液流经的平均时间乌粘度计。
    9. 用以下公式计算苎麻纤维的 PD 值:
      figure-protocol-3483
      注: 这里 [η] 是本征粘度, [η] ×C 值可从中国标准 GB 5888-86 的表中获得, C 是苎麻纤维 cupriethylenediamine 溶液的浓度。
  4. 纤维的线性密度
    1. 使用以下等式计算纤维的线性密度:
      figure-protocol-3717
      注: 这里 Lc是切割长度 (40 mm), n是纤维的数量, g (g) 是纤维的重量。纤维的线性密度是指在苎麻 (12%) 正式重拾的情况下, 1000 米长纤维的重量。
  5. 机械性能测试
    1. 平衡在标准大气条件下的纤维样品 (T = 20 ±2° c, RH = 65% ± 2%) 为 24 h。
    2. 在20° c、RH 65% 和 0.3 cN/dtex 的预张力下, 使用纤维强度仪测试纤维断裂的韧性、断裂伸长率和工作。将夹紧距离设置为 20 mm, 底部夹具的下降速度为 20 mm/分钟7,15。
  6. 脱胶废水的 COD 值
    1. 根据国标/T 15456-2008 工业循环冷却水对脱胶废水 cod 的测定 cod-高锰酸钾法的检测方法 "7,15。
  7. XRD 测试
    1. 利用 x-射线衍射获得纤维的结晶度。记录 XRD 模式 2θ = 5-60 °的衍射仪配有石墨单色仪和 Cu Kα辐射在λ = 0.154 nm (40 伏, 200 毫安)。
  8. FTIR 分析
    1. 利用光谱仪获得了光纤的 FTIR 模式。将扫描时间设置为 30, 范围在 4,000-400 cm-1, 分辨率为8厘米-1。用红外光谱分析法测定处理纤维中的化学官能团。

结果

研究了在蒸馏水和脱胶溶液中 Mg (OH)2的溶解度 (图 1)。测试了镁 (OH)2取代率对脱胶溶液 pH 值和可解性值 (图 2) 的影响。用不同 Mg (OH)2替代率计算了纤维脱胶的脱胶率和残余牙龈 (图 3)。用 DP 值、结晶度、纤维拉伸性能 (图 4) 和废水 COD 值 (图 5<...

讨论

Mg (OH)2的设置取代率和反应温度是该协议的重点。Mg (OH)2取代率可以影响脱胶溶液的 pH 值和氧化能力。最好的 Mg (OH)2替代率苎麻脱胶是 20%, 因为纤维素不能得到足够的保护下的替代率低于 20%, 和过量的剩余牙龈 (低 DP 值和结晶度) 将保留在纤维低于 20% (图 4A) 的替代率。

反应温度会影响过氧化氢的反应途径。苎麻氧化脱胶过程中?...

披露声明

作者没有什么可透露的。

致谢

这项工作得到了中国农业科学与技术创新研究院 (grant CARS-19)、中国农业科技学院 (ASTIP-IBFC07)、创新基金 (赠款号) 等专项基金的支持。为东华大学研究生 (格兰特号 16D310107), "小萍科技创新团队" (产业化综合研究 & 开发的麻纤维生物脱胶), 中国奖学金委员会。

材料

NameCompanyCatalog NumberComments
Hydrogen peroxide, 30%Fisher ScientificH325-100Chemical for degumming
Magnesium hydroxide, 99%Fisher ScientificAA1236722Chemical for degumming
Sodium hydroxideFisher ScientificS318-1Chemical for degumming
Sodium bisulfiteFisher ScientificS654-500Chemical for degumming
Sodium tripolyphosphateFisher ScientificAC218675000Chemical for degumming
Anthraquinone, >98%Fisher ScientificAC104930500Chemical for degumming
1-Hydroxy Ethylidene-1,1-Diphosphonic AcidFisher Scientific50-901-10243Chemical for degumming
Degumming oilMinglong auxiliaries limited liability company, Yiyang, Hunan,China——Chemical for degumming
Ethyl alcoholFisher ScientificA962-4Chemical for testing
BenzeneFisher ScientificAA43817AEChemical for testing
Copper wire,0.5mm (0.02in) diaFisher ScientificAA10783H4Chemical for testing
Cupriethylenediamine solution 1mol/LFisher Scientific24991Chemical for testing, caution toxic
Nitric acid (65% ~68% )Fisher ScientificA200-612GALChemical for testing, caution
EthylenediamineFisher ScientificAC118420100Chemical for testing
Potassium permanganateFisher ScientificP279-500Chemical for testing
Sulphuric acidFisher ScientificA300C-212Chemical for testing
Silver sulfateFisher ScientificS190-25Chemical for testing
Raw ramieGuangyuan limited liability company, Changde, Hunan,China——Raw materials
Electric-heated thermostatic water bathSenxin Experiment equipment limited liability company,Shanghai,ChinaDK-S28Equipments for degumming
High temperature lbaorator dyeing machineShanghai Longda chemcials Crop.RY-1261Equipments for degumming
ThermometerSichuan Shubo (group)Co.,Ltd100 °CEquipments for degumming
Vacuum suction machineYukang KNET ,Shanghai,ChinaSHB-IIIAEquipments for testing Mg(OH)2 solublity
Suction flaskSichuan Shubo (group)Co.,Ltd1000mLEquipments for testing Mg(OH)2 solublity
Sand-core funnelsSichuan Shubo (group)Co.,Ltd35mLEquipments for testing Mg(OH)2 solublity
Oxidation reduction potential meterDapu instrument, Shanghai, ChinaMODEL 421Equipments for testing ORP value
pH meterHanna instruments,Beijing,ChinaHI 98129Equipments for testing pH value
Acid buretteSichuan Shubo (group)Co.,Ltd50mLEquipments for testing H2O2 content
FlaskSichuan Shubo (group)Co.,Ltd250 mL/500 mLEquipments for testing H2O2 content;  residual gums content
Electric furnaceJiangyi Experiment instruments limited liability company,Shanghai,China800-2000WEquipments for testing residual gums content
Reflux condensing tubeSichuan Shubo (group)Co.,Ltd250mLEquipments for testing residual gums content; COD value
Fiber cutter (40mm)Changzhou No.2 Textile Machine Co.,LtdY171AEquipments for testing fiber density
Ostwald viscometerTaizhou, jiaojiang, glass instruments company0.6mmEquipments for testing fiber PD value
Spherical fat extractorSichuan Shubo (group)Co.,Ltd250mLEquipments for testing fiber PD value
Soxhlet extractorSichuan Shubo (group)Co.,Ltd250mLEquipments for testing fiber PD value
Torsion balanceLiangping instrucments Co.,Ltd,Shanghai, ChinaJN-BEquipments for testing fiber density
Fiber strength instrumentXinxian instruments, shanghai,ChinaXQ-2Equipments for testing fiber tensile property
Tension clampDepu textile technology Co.,Ltd, Changzhou, jiangsu, China0.3cN/dtexEquipments for testing fiber tensile property
COD thermostatic heaterQiangdao Xuyu environment protection technology Lit companyDL-801AEquipments for testing COD value
FTIRThermo Fisher, AmericaNicoletFTIR analysis
XRDRigaku, JapanD/max-2550 PCXRD analysis
Electronic balanceShanghai jingtian Electronic instrument Co.,LtdFA2004AGenerral equipments
Drying ovenTonglixinda  instruments, Tianjin,China101-2ASGenerral equipments
Weighing bottleSichuan Shubo (group)Co.,Ltd50x30Generral equipments
BeakerSichuan Shubo (group)Co.,Ltd500mLGenerral equipments
Sample sieveXiaojin hardware instruments Co.,Ltd, Shangyu, Zhejiang120 meshGenerral equipments
Glass rodSichuan Shubo (group)Co.,Ltd——Generral equipments
CylinderSichuan Shubo (group)Co.,Ltd250mL, 50mLGenerral equipments
PipetteSichuan Shubo (group)Co.,Ltd5mL, 10mLGenerral equipments
Rubber suction bulbSichuan Shubo (group)Co.,Ltd——Generral equipments
OrignOriginLab8.0Software for figure drawing

参考文献

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