Extracción de la fibra del ramio en el sistema de peróxido de hidrógeno alcalino por fuente de álcali de liberación controlada

Resumen

Presentamos es un protocolo para la extracción de la fibra del ramio en el sistema de peróxido de hidrógeno alcalino por fuente de álcali de liberación controlada.

Resumen

Este protocolo muestra un método para la extracción de la fibra de ramio por fregado ramio cruda en un sistema de peróxido de hidrógeno alcalino apoyado por una fuente de álcali de liberación controlada. La fibra extraída de ramio es un tipo de materia textil de gran importancia. En estudios previos, la fibra del ramio fue extraída en un sistema de peróxido de hidrógeno alcalino sólo compatible con hidróxido de sodio. Sin embargo, debido a la fuerte alcalinidad del hidróxido de sodio, la velocidad de reacción de la oxidación del peróxido de hidrógeno fue difícil de controlar y así resultó en un daño a la fibra tratada. En el presente Protocolo, una fuente de álcali de liberación controlada, que se compone de hidróxido de sodio e hidróxido de magnesio, se utiliza para proporcionar una condición de álcali y el valor de la peroxidesystem de hidrógeno alcalino pH del almacenador intermediario. La tasa de sustitución del hidróxido de magnesio puede ajustar el valor del pH del sistema peróxido de hidrógeno y tiene gran influencia en las propiedades de la fibra. El valor de pH y de la oxidación-reducción (ORP) potencial, que representa la capacidad de oxidación del sistema de peróxido de hidrógeno alcalino, fueron monitoreados utilizando un medidor de pH y ORP metros, respectivamente. El contenido de peróxido de hidrógeno residual en el sistema de peróxido de hidrógeno alcalino durante el proceso de extracción y el valor de la demanda química de oxígeno (DQO) del agua residual después de la extracción de la fibra son probados por el método de valoración de KMnO₄ . La producción de fibra se mide utilizando una balanza electrónica de precisión, y las encías residual de la fibra son probadas por un método de análisis químico. El grado de polimerización (valor de la PD) de la fibra es probado por un método de viscosidad intrínseca mediante el Viscosímetro de Ubbelohde. La propiedad de resistencia a la tracción de la fibra, incluyendo tenacidad, elongación y ruptura, se mide con un instrumento de resistencia de la fibra. Fourier transforma la espectroscopia de infrarrojos y difracción de rayos x se utilizan para caracterizar los grupos funcionales y propiedad del cristal de la fibra. Este protocolo demuestra que la fuente del álcali de liberación controlada puede mejorar las propiedades de la fibra extraída de un sistema de peróxido de hidrógeno alcalino.

Introducción

Ramio, conocida como 'Hierba de China' es una hierba perenne cuya fibra se puede utilizar como un excelente material para la industria textil^1,2. Es uno de los principales cultivos económicos autóctonas China; la producción de ramio en China ha representado más del 90% de la producción total en el mundo^1,2. Fibra de ramio es una de las fibras de la planta más fuerte y más largo, brillantes con un aspecto casi sedoso^3,4. La longitud de la fibra del ramio son adecuados para el hilado de la fibra, que rara vez se observa en la fibra de estopa. La industria textil de la fibra del ramio posee muchas características excelentes, tales como frialdad, antibacteriano, excelente conductividad térmica, ventilación, etc.^3,4

La celulosa es el componente principal de las fibras de ramio, y los otros componentes de ramio, pectina, lignina, materias solubles en agua, se definen como las encías^5,6. Fibra de ramio se puede extraer mediante la disolución de las encías en solución que contiene reactivos químicos, en un proceso definido como descrudado^5,6. Existen principalmente dos métodos de extracción de la fibra de ramio: descrudado químico y bio-descrudado. El consumo de energía, consumo de tiempo y COD valor de aguas residuales desgomada en descrudado químico tradicional es más bien alto, como celulosa fibra se extrae por fregado ramio crudo en NaOH concentrado bajo alta presión de 6 a 8 h^7,8 . Alternativamente, bio-descrudado es una opción ecológica para la extracción de la fibra de ramio. Sin embargo, la condición áspera reacción y equipo sofisticado inhiben su aplicación industrial^9,10. Por lo tanto, descrudado de oxidación con peróxido de hidrógeno alcalino presenta un valioso y aplicación alternativa a centrarse, pues requiere menor tiempo descrudado y menor descrudado temperatura^11,12. Sin embargo, debido a la capacidad de oxidación fuerte de los peróxidos, degradación de celulosa sustancial puede ocurrir durante el proceso de desgomado, que puede causar grandes daños a propiedades de la fibra^13,14. Este es el mayor inconveniente de álcali oxidación peróxido descrudado de ramio.

En estudios previos, la fibra del ramio fue extraída en un sistema de peróxido de hidrógeno alcalino sólo compatible con hidróxido de sodio¹⁵. Sin embargo, debido a la fuerte alcalinidad del hidróxido de sodio, la velocidad de reacción de la oxidación del peróxido de hidrógeno fue difícil de controlar y así resultó en un daño a la fibra tratada⁷. Para mejorar las propiedades de la fibra del ramio, una fuente de álcali de liberación controlada, que se compone de hidróxido de sodio e hidróxido de magnesio, se utiliza en este estudio para ofrecer una condición de álcali y el valor de pH de alcalino peróxido de hidrógeno al sistema¹⁶ de búfer ^{, 17}.

El fundamento de esta tecnología puede ser descrito como sigue. Hidróxido de magnesio es ligeramente soluble en agua destilada, y puede disolver gradualmente en la solución de desgomado con el consumo de OH^– y mantener el valor de pH y capacidad de oxidación de descrudado de la solución en un rango apropiado de¹⁸. La tasa de sustitución (SR) de hidróxido de magnesio se define como la proporción de mol de NaOH sustituido por hidróxido de magnesio en la dosificación del álcali total del 10% y la tasa de sustitución puede ser calculada por la siguiente ecuación. Por otra parte, Mg^{2 +} puede prevenir la degradación de la celulosa causada por oxidación^19,20.

Aquí, M₂ (g) es el peso de la Mg(OH)₂, M₁ (g) es el peso de NaOH, 40 es el peso molecular del NaOH, 58 es el peso molecular de Mg(OH)₂, 2 es el número de este síndrome en Mg(OH)₂, y SR es la tasa de sustitución.

La tecnología de este protocolo puede ampliarse a la extracción, el blanqueo y modificación de materiales vegetales en un sistema de peróxido de hidrógeno alcalino. Sin embargo, debe señalarse que la selección de la temperatura de reacción y el valor pH del sistema de peróxido de hidrógeno alcalino es la clave para esta tecnología²¹. El valor del pH del sistema de peróxido de hidrógeno alcalino puede ajustarse cambiando la tasa de sustitución¹⁷. El valor de pH y capacidad de oxidación del sistema de peróxido de hidrógeno alcalino disminuyen con el aumento de la tarifa de la substitución. Cuando la temperatura de reacción se encuentra a 85 ° C, la reacción de radicales libres juega el papel principal en el sistema y la oxidación fuerte del sistema es conveniente para la disolución de materiales; Cuando la temperatura de reacción se encuentra a 125 ° C, se inhibe la reacción de radicales libres y una gran cantidad de HOO existe en el sistema, que hace que el sistema adecuado para el blanqueo con¹⁹.

Protocolo

1. oxidación descrudado de ramio

1. Preparando la oxidación descrudado solución
   1. Disolver 2 g de H₂O₂, álcali de 1 g (una mezcla de Mg(OH)₂ y NaOH), 0,4 g Na₅P₃O₁₀, antraquinona de 0,1 g y 0,2 g HEDP en 100 mL de agua destilada para hacer solución de descrudado.
2. Oxidación descrudado de ramio
   1. Sumerja el ramio crudo 10 g en la solución de desgomado y fregado lo menos 85 ° C durante 60 min.
   2. Elevar la temperatura a 125 ° C (con presión de 0,6 kg) y del fregado de otro 60 minutos.
      Nota: Vea la discusión para la explicación en el aumento de la temperatura.
3. Reducir la fibra de ramio
   1. Se disuelven 0,4 g de NaHSO₃ en 100 mL de agua destilada para preparar la solución de reducción. Luego, tratar la fibra desgomada en la solución de reducir a 90 ° C durante 60 minutos.
      Nota: Los grupos carboxilo y grupos aldehído en celulosa generado en la reacción de oxidación causan la reducción de enlaces de hidrógeno y así dañan a la propiedad de la fibra. Reducción puede mejorar la propiedad de la fibra mediante la conversión de los grupos carboxilo y grupos aldehído a grupos hidroxilo.
4. Tratamiento de seguimiento
   1. Lavar la fibra de ramio desgomado con agua desionizada.
   2. Sumergir la fibra en aceite desgomado a 90 ° C durante 15 minutos y luego secar la fibra en un horno (125 ° C) durante 4 h.

2. prueba de la propiedad de solución descrudado

1. Prueba de solubilidad de Mg(OH)₂
   1. Disolver 2 g de Mg(OH)₂ en 100 mL de agua destilada.
   2. Por separado, se disuelven 2 g Mg(OH)₂ en 100 mL de solución con aditivos descrudados completamente solubles, incluyendo 0.4 g Na₅P₃O₁₀ y 0,2 g HEDP.
   3. Elevar la temperatura de las soluciones descritas en pasos 2.2.1 y 2.2.2 a 85 ° C.
   4. Extracto de la Mg(OH) sin disolver₂ con discos sinterizados.
   5. Calcular la solubilidad de Mg(OH)₂ por la siguiente fórmula:
      
      Nota: Aquí m (g) es el peso de la Mg(OH) sin disolver₂.
2. Efecto de la tasa de sustitución de₂ Mg(OH) en el valor de pH, ORP valor y residual contenido de H₂O₂ de la solución descrudada
   Nota: ORP^12,19 es un parámetro de química de agua importante y proporciona una herramienta de medición de la capacidad oxidante o reductora de la agua a temperatura ambiente. Las soluciones con mayor propiedad de oxidación tienen un valor ORP. La tasa de sustitución de₂ Mg(OH) se refiere a la proporción de mol de NaOH sustituido por Mg(OH)₂ en la dosificación del álcali total del 10% (en peso de la tela).
   1. Preparar las soluciones desgomadas con tasa de sustitución de₂ Mg(OH) de 0%, 20%, 40%, 60%, 80% y 100% según el paso 1.1, respectivamente.
   2. Sumerja el ramio cruda en las soluciones descrudadas que se describe en el paso 2.2.1.
   3. Iniciar el proceso de desgomado según el paso 1.2.
   4. Lavar el electrodo combinado de ORP con agua destilada y secar al aire. Luego sumerja el metro de electrodo combinado de ORP en las soluciones de desgomado para leer el valor ORP cada 10 minutos sumergir el medidor de electrodo de pH en las soluciones de desgomado para leer el valor de pH cada 10 minutos.
   5. Prueba el contenido de H₂O₂ de las soluciones descrudados cada 10 min por el método de valoración de KMnO₄ según el estándar chino GB 22216-2008⁷.

3. prueba de la propiedad de la fibra de ramio

1. Rendimiento del descrudado
   1. Calcular el rendimiento de desgomado mediante la siguiente ecuación:
      
      Nota: Aquí w (g) es el peso seco de la fibra después de desgomado; W (g) es el peso seco de ramio antes de descrudado.
2. Encías residual de la fibra
   Nota: Las encías Residual de la fibra fueron probadas según chino 5889-86 estándar.
   1. Medir el peso seco de la fibra (unos 5 g) en una botella de pesaje y sumergirlo en un frasco (con el tubo de condensación de reflujo) que contiene 150 mL de solución de NaOH (20 g/L).
   2. Elevar la temperatura a 100 ° C y mantenga esta temperatura durante 1 h.
   3. Actualizar la solución de NaOH.
   4. Elevar la temperatura a 100 ° C y mantener durante 2 h.
   5. Lavar la fibra en un tamiz de muestra.
   6. Medir el peso seco de la fibra en el pesaje de botella.
   7. Calcular las encías residual de fibra mediante la siguiente ecuación:
      
      Nota: Aquí m (g) es el peso seco de la fibra; M (g) es el peso seco de ramio después de NaOH para fregar.
3. Prueba PD
   Nota: Para probar el valor de la PD de la fibra del ramio según el estándar chino GB 5888-86¹⁵.
   1. Desengrasar la fibra de ramio sumergiendo en la mezcla de alcohol etílico y benceno de 2:1 (v/v).
   2. Evaporar el disolvente en el aire a temperatura ambiente.
   3. Cortar las muestras en piezas cortas (1-2 mm, sobre unos 20-23 mg para cada muestra) con unas tijeras.
   4. Mantener las muestras en un ambiente de humedad controlada (20 ± 2 ° C, humedad relativa = 65 ± 2%) en un recipiente de pesaje hasta que alcanza el equilibrio antes de retirar los materiales necesarios para fines de prueba contenido de agua.
   5. Sumergir un alambre de cobre (0,5 mm de diámetro) en ácido nítrico concentrado, seguido de etilendiamina anhidro 98%. Luego, lave el gránulo de cobre con agua destilada.
   6. Poner la muestra de fibra y cobre granulado en una botella de plástico (con tapa).
   7. Añadir 10 mL de agua destilada y 10 mL 1 mol/L cupriethylenediamine de solución en la botella de plástico y revuelva con una barra de agitación magnética para preparar 0,2 g/100 mL solución cupriethylenediamine (aproximadamente) de fibra de ramio.
   8. Transferencia de solución de cupriethylenediamine de fibra de ramio de 6,5 mL a un viscosímetro de Ubbelohde para medir su viscosidad intrínseca. Calcular la viscosidad relativa con la ecuación siguiente:
      
      Nota: Aquí η_r es la viscosidad relativa, t (s) es el tiempo promedio de la solución de cupriethylenediamine de fibra de ramio que fluye a través del Viscosímetro de Ubbelohde y t0 (s) es el tiempo promedio de 0,5 mol/L cupriethylenediamine solución fluyendo a través el Viscosímetro de Ubbelohde.
   9. Calcular el valor de la PD de la fibra de ramio mediante la siguiente ecuación:
      
      Nota: Aquí [η]' es la viscosidad intrínseca, el valor de [η] × C puede obtenerse de una tabla en chino estándar GB 5888-86 y C' es la concentración de la solución de cupriethylenediamine de la fibra de ramio.
4. Densidad lineal de la fibra
   1. Calcular la densidad lineal de fibra mediante la siguiente ecuación:
      
      Nota: Aquí L_{es la longitud de corte (40 mm)} , n es el número de fibras, y G (g) es el peso de la fibra. Densidad lineal de la fibra se refiere al peso de una fibra larga de 1.000 m en recuperar oficial de ramio (12%).
5. Prueba de la característica mecánica
   1. Equilibre las muestras de fibra en condiciones atmosféricas estándar (T = 20 ± 2 ° C, HR = 65% ± 2%) por 24 h.
   2. Prueba el trabajo de ruptura de la fibra mediante el instrumento de fuerza de la fibra bajo la siguiente configuración de 20 ° C, humedad relativa 65% y la tensión de 0.3 cN/dtex, tenacidad y alargamiento de rotura. Ajuste la distancia de fijación en 20 mm y la velocidad descendente de la abrazadera inferior a 20 mm/min^7,15.
6. Valor de bacalao de las aguas residuales descrudada
   1. Probar el bacalao de las aguas residuales descrudado según el estándar chino GB/T 15456-2008 'Industrial circulación agua refrigeración-determinación del método de permanganato de potasio de bacalao'^7,15.
7. Prueba de DRX
   1. Obtener la cristalinidad de la fibra mediante difracción de rayos x. Registro DRX patrones 2θ = 5-60 ° con un difractómetro equipado con un monocromador de grafito y una radiación de Cu Kα a λ = 0.154 nm (40 kV, 200 mA).
8. Análisis FTIR
   1. Obtener el patrón de fibra mediante espectrómetro FTIR. Establecer los tiempos de exploración a 30, la gama en 4.000-400 cm^-1y la resolución a 8 cm^-1. Determinar los grupos funcionales químicos en fibra tratada mediante análisis de FT-IR.

Resultados

Se estudió la solubilidad de Mg(OH)₂ en agua destilada y solución descrudado (figura 1). Se evaluó el efecto de la tasa de sustitución de₂ Mg(OH) en el valor de pH y ORP (figura 2) de la solución de descrudado. El rendimiento descrudado y encías residual de fibra desgomado en Mg(OH) diversos tipos de sustitución₂ fueron calculan (figura 3). Valor de DP, cristal...

Discusión

El ajuste de la temperatura de reacción y la tasa de sustitución₂ Mg(OH) era el punto clave de este protocolo. Tasa de sustitución de₂ mg(OH) puede influir en el valor de pH y capacidad de oxidación de la solución de descrudado. La mejor tasa de sustitución de₂ Mg(OH) de ramio desgomado fue 20%, porque la celulosa no puede recibir suficiente protección en virtud de una tasa de sustitución por debajo del 20%, y una cantidad excesiva de encía residual (bajo valor de DP y cristalini...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Hydrogen peroxide, 30%	Fisher Scientific	H325-100	Chemical for degumming
Magnesium hydroxide, 99%	Fisher Scientific	AA1236722	Chemical for degumming
Sodium hydroxide	Fisher Scientific	S318-1	Chemical for degumming
Sodium bisulfite	Fisher Scientific	S654-500	Chemical for degumming
Sodium tripolyphosphate	Fisher Scientific	AC218675000	Chemical for degumming
Anthraquinone, >98%	Fisher Scientific	AC104930500	Chemical for degumming
1-Hydroxy Ethylidene-1,1-Diphosphonic Acid	Fisher Scientific	50-901-10243	Chemical for degumming
Degumming oil	Minglong auxiliaries limited liability company, Yiyang, Hunan,China	——	Chemical for degumming
Ethyl alcohol	Fisher Scientific	A962-4	Chemical for testing
Benzene	Fisher Scientific	AA43817AE	Chemical for testing
Copper wire,0.5mm (0.02in) dia	Fisher Scientific	AA10783H4	Chemical for testing
Cupriethylenediamine solution 1mol/L	Fisher Scientific	24991	Chemical for testing, caution toxic
Nitric acid (65% ~68% )	Fisher Scientific	A200-612GAL	Chemical for testing, caution
Ethylenediamine	Fisher Scientific	AC118420100	Chemical for testing
Potassium permanganate	Fisher Scientific	P279-500	Chemical for testing
Sulphuric acid	Fisher Scientific	A300C-212	Chemical for testing
Silver sulfate	Fisher Scientific	S190-25	Chemical for testing
Raw ramie	Guangyuan limited liability company, Changde, Hunan,China	——	Raw materials
Electric-heated thermostatic water bath	Senxin Experiment equipment limited liability company,Shanghai,China	DK-S28	Equipments for degumming
High temperature lbaorator dyeing machine	Shanghai Longda chemcials Crop.	RY-1261	Equipments for degumming
Thermometer	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	100 °C	Equipments for degumming
Vacuum suction machine	Yukang KNET ,Shanghai,China	SHB-IIIA	Equipments for testing Mg(OH)2 solublity
Suction flask	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	1000mL	Equipments for testing Mg(OH)2 solublity
Sand-core funnels	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	35mL	Equipments for testing Mg(OH)2 solublity
Oxidation reduction potential meter	Dapu instrument, Shanghai, China	MODEL 421	Equipments for testing ORP value
pH meter	Hanna instruments,Beijing,China	HI 98129	Equipments for testing pH value
Acid burette	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	50mL	Equipments for testing H2O2 content
Flask	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	250 mL/500 mL	Equipments for testing H2O2 content;  residual gums content
Electric furnace	Jiangyi Experiment instruments limited liability company,Shanghai,China	800-2000W	Equipments for testing residual gums content
Reflux condensing tube	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	250mL	Equipments for testing residual gums content; COD value
Fiber cutter (40mm)	Changzhou No.2 Textile Machine Co.,Ltd	Y171A	Equipments for testing fiber density
Ostwald viscometer	Taizhou, jiaojiang, glass instruments company	0.6mm	Equipments for testing fiber PD value
Spherical fat extractor	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	250mL	Equipments for testing fiber PD value
Soxhlet extractor	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	250mL	Equipments for testing fiber PD value
Torsion balance	Liangping instrucments Co.,Ltd,Shanghai, China	JN-B	Equipments for testing fiber density
Fiber strength instrument	Xinxian instruments, shanghai,China	XQ-2	Equipments for testing fiber tensile property
Tension clamp	Depu textile technology Co.,Ltd, Changzhou, jiangsu, China	0.3cN/dtex	Equipments for testing fiber tensile property
COD thermostatic heater	Qiangdao Xuyu environment protection technology Lit company	DL-801A	Equipments for testing COD value
FTIR	Thermo Fisher, America	Nicolet	FTIR analysis
XRD	Rigaku, Japan	D/max-2550 PC	XRD analysis
Electronic balance	Shanghai jingtian Electronic instrument Co.,Ltd	FA2004A	Generral equipments
Drying oven	Tonglixinda  instruments, Tianjin,China	101-2AS	Generral equipments
Weighing bottle	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	50x30	Generral equipments
Beaker	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	500mL	Generral equipments
Sample sieve	Xiaojin hardware instruments Co.,Ltd, Shangyu, Zhejiang	120 mesh	Generral equipments
Glass rod	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	——	Generral equipments
Cylinder	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	250mL, 50mL	Generral equipments
Pipette	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	5mL, 10mL	Generral equipments
Rubber suction bulb	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	——	Generral equipments
Orign	OriginLab	8.0	Software for figure drawing