Extração da fibra do Ramie no sistema de peróxido de hidrogênio alcalino suportado pela fonte do alcaloide de liberação controlada

Resumo

Apresentado aqui é um protocolo para a extração da fibra de rami em sistema de peróxido de hidrogênio alcalino suportado pela fonte do alcaloide de liberação controlada.

Resumo

Este protocolo demonstra um método para a extração da fibra de rami, vasculhando Rami cru em um sistema de peróxido de hidrogênio alcalino suportado por uma fonte de liberação controlada do alcaloide. A fibra extraída de rami é um tipo de material têxtil, de grande importância. Em estudos anteriores, a fibra de rami foi extraída em um sistema de peróxido de hidrogênio alcalino suportado apenas pelo hidróxido de sódio. No entanto, devido a forte alcalinidade de hidróxido de sódio, a velocidade de reação de oxidação de peróxido de hidrogênio foi difícil de controlar e, portanto, resultou em grande prejuízo para a fibra tratada. Neste protocolo, uma fonte de liberação controlada do alcaloide, que é composta de hidróxido de sódio e hidróxido de magnésio, é usada para fornecer uma condição de alcaloide e o valor de pH de peroxidesystem de hidrogênio o alcaloide do buffer. A taxa de substituição de hidróxido de magnésio pode ajustar o valor de pH do sistema de peróxido de hidrogênio e tem grande influência sobre as propriedades das fibras. O valor de pH e valor potencial oxidação-redução (ORP), que representa a capacidade de oxidação do sistema de peróxido de hidrogênio alcalino, foram monitorados usando um medidor de pH e medidor ORP, respectivamente. O conteúdo de peróxido de hidrogênio residual no sistema de peróxido de hidrogênio alcalino durante o processo de extração e o valor de demanda química de oxigênio (DQO) do efluente após a extração da fibra são testados pelo método de titulação KMnO₄ . O rendimento da fibra é medido com uma balança eletrônica de precisão, e gengivas residuais de fibra são testadas por um método de análise química. O grau de polimerização (valor PD) da fibra é testado por um método de viscosidade intrínseca usando o viscosímetro de Ubbelohde. A propriedade elástica da fibra, incluindo tenacidade, alongamento e ruptura, é medida usando um instrumento de força de fibra. Transformação de Fourier espectroscopia de infravermelho e difração de raios x são usados para caracterizar os grupos funcionais e propriedade de cristal da fibra. Este protocolo prova que a fonte do alcaloide de liberação controlada pode melhorar as propriedades da fibra extraída em um sistema de peróxido de hidrogênio alcalino.

Introdução

Rami, comumente conhecido como 'Grama de China' é uma erva perene, cuja fibra pode ser usada como um excelente material para a indústria de textile^1,2. É uma das principais culturas econômicas nativas da China; a produção de rami na China tem contabilizados mais de 90% do rendimento total no mundo^1,2. Fibra de rami é uma das fibras de planta mais forte e mais longo, brilhantes com uma aparência sedosa quase^3,4. O comprimento da fibra de rami torná-lo adequado para fiação de fibra única, que é raramente vista em fibras liberianas. O tecido feito de fibra de rami possui muitas propriedades excelentes, tais como frieza, antibacteriana, excelente condutividade térmica, ventilação, etc.^3,4

A celulose é o principal componente das fibras de rami, e os outros componentes em Rami, tais como a pectina, lignina, água materiais solúveis, são definidos como gengivas^5,6. Fibra de rami pode ser extraída pela dissolução da gengiva em solução contendo reagentes químicos, em um processo definido como degomagem^5,6. Existem principalmente duas abordagens de extração de fibra de rami: químico degomagem e bio-degomagem. O consumo de energia, consumo de tempo e COD valor de decruagem de águas residuais no tradicional químico degomagem é bastante elevado, como celulose fibra é extraída por lavagem Rami cru em NaOH concentrado sob alta pressão para 6 a 8 h^7,8 . Alternativamente, bio-degomagem é uma opção ecológica para extração de fibra de rami. No entanto, a condição de reação dura e equipamentos sofisticados inibem sua aplicação mais industrial^9,10. Portanto, oxidação degomagem com peróxido de hidrogênio alcalino apresenta uma valiosa e aplicação alternativa para me concentrar, por isso requer menor tempo de decruagem e baixa temperatura degumming^11,12. No entanto, devido à capacidade de oxidação forte dos peróxidos, degradação de celulose substanciais pode ocorrer durante o processo de decruagem, que pode causar grandes danos a fibra propriedades^13,14. Esta é a maior desvantagem do alcaloide oxidação peróxida degomagem de rami.

Em estudos anteriores, a fibra de rami foi extraída em um sistema de peróxido de hidrogênio alcalino suportado apenas pelo hidróxido de sódio¹⁵. No entanto, devido a forte alcalinidade de hidróxido de sódio, a velocidade de reação de oxidação de peróxido de hidrogênio foi difícil de controlar e, portanto, resultou em grande dano à fibra tratada⁷. Para melhorar as propriedades da fibra de rami, uma fonte de liberação controlada do alcaloide, que é composta de hidróxido de sódio e hidróxido de magnésio, é usada neste estudo para oferecer uma condição de alcaloide e o valor de pH do alcaloide de sistema de peróxido de hidrogênio¹⁶ de buffer ^{, 17}.

A lógica por trás dessa tecnologia pode ser descrita da seguinte forma. Hidróxido de magnésio é pouco solúvel em água destilada, e pode dissolver-se gradualmente se a solução decruagem com o consumo de OH^– e manter o valor de pH e, portanto, a capacidade de oxidação de decruagem solução em um conjunto adequado de¹⁸. A taxa de substituição (SR) de hidróxido de magnésio é definida como a proporção de toupeira de NaOH substituído pelo hidróxido de magnésio sob a dosagem total do alcaloide de 10%, e a taxa de substituição pode ser calculada pela seguinte equação. Além disso, Mg^{2 +} pode prevenir a degradação de celulose causada por mais de oxidação^19,20.

Aqui, M₂ (g) é o peso do Mg(OH)₂, M₁ (g) é o peso de NaOH, 40 é o peso molecular do NaOH, 58 é o peso molecular de Mg(OH)₂, 2 é o número de SOS no Mg(OH)₂e SR é a taxa de substituição.

A tecnologia do presente protocolo pode ser estendida para a extração, branqueamento e modificação de materiais vegetais em um sistema de peróxido de hidrogênio alcalino. No entanto, deve-se notar que a seleção da temperatura de reação e o valor de pH do sistema de peróxido de hidrogênio alcalino é a chave para esta tecnologia²¹. O valor de pH do sistema de peróxido de hidrogênio alcalino pode ser ajustado alterando a taxa de substituição¹⁷. O valor de pH e, portanto, a capacidade de oxidação do sistema de peróxido de hidrogênio alcalino diminuem com o aumento da taxa de substituição. Quando a temperatura de reação é definida a 85 ° C, a reação do radical livre desempenha o papel principal no sistema e a oxidação forte do sistema é adequada para dissolver materiais; Quando a temperatura de reação é definida a 125 ° C, a reação de radicais livres é inibida e uma grande quantidade de HOO existe no sistema, o que torna o sistema adequado para branqueamento de¹⁹.

Protocolo

1. oxidação degomagem de rami

1. Preparando a oxidação degomagem solução
   1. Dissolva 2 g H₂O₂, 1G do alcaloide (uma mistura de Mg(OH)₂ e NaOH), 0,4 g at₅P₃O₁₀, antraquinona 0,1 g e 0,2 g HEDP em 100 mL de água destilada para fazer a solução decruagem.
2. Oxidação degomagem de rami
   1. Mergulhe o Rami cru de 10 g na solução decruagem e vasculhá-lo abaixo dos 85 ° C por 60 min.
   2. Elevar a temperatura de 125 ° C (com pressão de 0,6 kg) e vasculhar para outro 60 min.
      Nota: Veja a discussão para explicação sobre elevando a temperatura.
3. Reduzindo a fibra de rami
   1. Dissolva 0,4 g NaHSO₃ em 100 mL de água destilada para preparar a solução redutora. Em seguida, trate a fibra degomada na solução reduzindo a 90 ° C por 60 min.
      Nota: Os grupos carboxila e grupos aldeído em celulose gerada na reação de oxidação causam a redução de ligações de hidrogênio e, assim, danos à propriedade de fibra. Redução pode melhorar a propriedade da fibra, convertendo os grupos carboxila e grupos aldeído volta para grupos hidroxila.
4. Tratamento de acompanhamento
   1. Lave a fibra de rami degomado com água desionizada.
   2. Mergulhe a fibra em óleo degumming a 90 ° C por 15 min e depois seca a fibra em um forno (125 ° C) por 4 h.

2. teste da solução Degumming Propriedade

1. Teste de solubilidade de Mg(OH)₂
   1. Dissolva 2 g Mg(OH)₂ em 100 mL de água destilada.
   2. Separadamente, dissolva 2 g Mg(OH)₂ em 100 mL de solução com aditivos degumming completamente solúveis, incluindo 0,4 g at₅P₃O₁₀ e 0,2 g HEDP.
   3. Elevar a temperatura das soluções descritas em etapas 2.2.1 e 2.2.2 a 85 ° C.
   4. Extraia o Mg(OH) não dissolvida₂ com discos sinterizados.
   5. Calcule a solubilidade do Mg(OH)₂ pela seguinte fórmula:
      
      Nota: Aqui m (g) é o peso do Mg(OH) não dissolvida₂.
2. Efeito da taxa de substituição de₂ Mg(OH) no valor de pH, ORP valor e residual conteúdo de H₂O₂ da solução decruagem
   Nota: ORP^12,19 é um parâmetro de química importante água e fornece uma ferramenta de medição para a capacidade de oxidação ou redução da água ambiente. Soluções com propriedade de oxidação mais forte tem um maior valor ORP. A taxa de substituição de₂ Mg(OH) refere-se a proporção de toupeira de NaOH substituído por Mg(OH)₂ sob a dosagem total do alcaloide de 10% (em peso da tela).
   1. Prepare as soluções degumming com taxa de substituição de₂ Mg(OH) de 0%, 20%, 40%, 60%, 80% e 100% de acordo com a etapa 1.1, respectivamente.
   2. Mergulhe o Rami cru nas soluções degumming descrito na etapa 2.2.1.
   3. Inicie o processo de decruagem de acordo com a etapa 1.2.
   4. Lavar o eletrodo ORP combinado com água destilada e seque-o no ar. Em seguida, mergulhe o medidor de eletrodo ORP combinado nas soluções decruagem para ler o valor ORP cada 10 min. mergulhar o medidor de eletrodo de pH em soluções decruagem para ler o valor de pH cada 10 min.
   5. Teste o conteúdo de₂ H₂O das soluções degumming cada 10min pelo método de titulação KMnO₄ de acordo com o chinês GB padrão 22216-2008⁷.

3. testando a propriedade de fibra de rami

1. Rendimento de degomagem
   1. Calcule o rendimento de degomagem utilizando a seguinte equação:
      
      Nota: Aqui w (g) é peso seco da fibra depois de degomagem; W (g) é o peso seco de rami antes de degomagem.
2. Gengivas residuais da fibra
   Nota: As gengivas Residual de fibra foram testadas de acordo com o chinês padrão 5889-86.
   1. Medir o peso seco da fibra (cerca de 5 g) em um frasco de pesagem e mergulhe-a em um balão (com tubo de condensação de refluxo) contendo 150 mL de solução de NaOH (20 g/L).
   2. Elevar a temperatura de 100 ° C e manter esta temperatura por 1h.
   3. Atualize a solução de NaOH.
   4. Elevar a temperatura de 100 ° C e manter por 2 h.
   5. Lave a fibra em uma peneira de amostra.
   6. Medir o peso seco da fibra no frasco de pesagem.
   7. Calcule as gengivas residuais de fibra usando a seguinte equação:
      
      Nota: Aqui m (g) é o peso seco da fibra; M (g) é o peso seco de rami após lavagem de NaOH.
3. Teste de PD
   Nota: Teste o valor de PD de fibra de rami, de acordo com o chinês GB padrão 5888-86¹⁵.
   1. Desengordurar a fibra de rami submergindo na mistura de álcool etílico e benzeno de 2:1 (v/v).
   2. Evapore o solvente no ar à temperatura ambiente.
   3. Corte as amostras em peças curtas (1-2 mm, cerca de ~ 20-23 mg para cada amostra) com uma tesoura.
   4. Mantenha as amostras em um ambiente de umidade controlada (20 ± 2 ° C, umidade relativa = 65 ± 2%) em um recipiente de pesagem até atingir equilíbrio água conteúdo antes de retirar os materiais exigidos para fins de teste.
   5. Mergulhe um fio de cobre (0,5 mm de diâmetro) em ácido nítrico concentrado, seguido de etilenodiamina anidro 98%. Em seguida, lave o grânulo cobre completamente com água destilada.
   6. Coloca a amostra de fibra e cobre grânulo numa garrafa de plástico (com capota).
   7. Adicionar 10 mL de água destilada e 10 mL 1 mol/L cuproetilenodiamina em solução para a garrafa de plástico e misture usando uma barra de agitação magnética para preparar 0,2 g/100 mL de solução cuproetilenodiamina em fibra (aproximadamente) Rami.
   8. Transferência de 6,5 mL Rami fibra cuproetilenodiamina em solução para um viscosímetro de Ubbelohde para medir a viscosidade intrínseca. Calcule a viscosidade relativa pela seguinte equação:
      
      Nota: Aqui η_r é a viscosidade relativa, t (s) é o tempo médio do Rami fibra cuproetilenodiamina em solução fluindo através do viscosímetro de Ubbelohde e t0 (s) é o tempo médio da 0,5 mol/L cuproetilenodiamina em solução que circula o viscosímetro de Ubbelohde.
   9. Calcule o valor de PD da fibra Rami pela seguinte equação:
      
      Nota: Aqui [η]' é a viscosidade intrínseca, o valor de × C [η] pode ser obtido de uma tabela em chinês padrão GB 5888-86 e C' é a concentração de rami fibra cuproetilenodiamina em solução.
4. Densidade linear da fibra
   1. Calcule a densidade linear de fibra usando a seguinte equação:
      
      Nota: Aqui L_c é o comprimento de corte (40mm), n é o número de fibras e G (g) é o peso da fibra. Densidade linear da fibra refere-se ao peso de uma fibra longa de 1.000 m em recuperar oficial de rami (12%).
5. Teste de propriedade mecânica
   1. Equilibrar as amostras de fibras em condição atmosférica padrão (T = 20 ± 2 ° C, RH = 65% ± 2%) por 24 h.
   2. Teste a tenacidade, quebra de alongamento e trabalho de ruptura da fibra usando o instrumento de força de fibra sob a seguinte configuração de 20 ° C, RH 65% e pre-tensão de 0,3 cN/dtex. Defina a distância de fixação de 20 mm e a velocidade decrescente da pinça inferior a 20 mm/min^7,15.
6. COD valor da decruagem de águas residuais
   1. Teste o COD do wastewater degumming de acordo com a norma chinesa GB/T 15456-2008 'Industrial circulando de refrigeração água-determinação do método do permanganato de potássio-COD'^7,15.
7. Teste XRD
   1. Obter a cristalinidade da fibra usando a difração de raios x. Registro XRD padrões 2 θ = 5-60 ° com um difratômetro equipado com monocromador de grafite e radiação de Cu Kα em λ = 0.154 nm (40 kV, 200 mA).
8. Análise FTIR
   1. Obter o padrão FTIR de fibra usando o espectrômetro. Definir os tempos de varredura em 30, o intervalo de 4.000-400 cm^-1e a resolução no 8 cm^-1. Determine os grupos funcionais químicos em fibra tratada usando análise de FT-IR.

Resultados

Estudou-se a solubilidade do Mg(OH)₂ em água destilada e solução degumming (Figura 1). Foi testado o efeito da taxa de substituição de₂ Mg(OH) no valor de pH e ORP valor (Figura 2) da solução de decruagem. O rendimento degumming e gengivas residuais de fibra cru de degummed sob vários Mg(OH) taxa de substituição de₂ foram calcularam (Figura 3). Valor de DP, ...

Discussão

A configuração de Mg(OH)₂ substituição taxa e reação temperatura foi o ponto chave do presente protocolo. Taxa de substituição de₂ mg(Oh) pode influenciar o valor de pH e, portanto, a capacidade de oxidação de solução decruagem. A melhor taxa de substituição de₂ Mg(OH) para Rami degomagem foi de 20%, porque a celulose não pode receber proteção suficiente sob uma taxa de substituição abaixo de 20%, e uma quantidade excessiva de gengiva residual (baixo valor de DP e crist...

Materiais

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