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          浙江理工大學唐艷軍教授團隊: 毛竹半纖維素的提取及其羧甲基化改性研究

          閱讀次數:     發布時間:2024-01-26 16:24:33

                  本研究以毛竹為原料,首先通過堿性過氧化氫法制備半纖維素,再采用超聲輔助法對半纖維素進行羧甲基化改性。結果表明,液固比20∶1時半纖維素得率最高,達18.00%。半纖維素羧甲基化改性的最佳工藝條件為:NaOH物質的量濃度1.2 mol/L,氯乙酸物質的量濃度0.6 mol/L,堿化時間及溫度分別為40 min、30 ℃,醚化時間及溫度分別為150 min、70 ℃。隨著羧甲基半纖維素取代度的提高,改性前后的半纖維素最大降解溫度由257 ℃提升至300 ℃,說明羧甲基化改性有助于提升半纖維素的熱穩定性;Zeta 電位的絕對值由9.98 mV提升至38.00 mV(取代度=0.59),且改性后半纖維素的分散性有了明顯提升。

                  隨著工業的不斷發展,能源緊缺問題逐漸加重,因此可持續發展資源的充分利用極其必要。竹材作為一種有著廣闊發展前景的生物質資源,生長迅速,是十分優良的木材替代品,其種植面積可達641.16萬hm2,其中毛竹林面積約467.78萬hm2,占比約72.96%。與木材原料相比,毛竹生長周期短且數量最多。半纖維素是毛竹中含量較高的碳水化合物,僅次于纖維素,可以廣泛應用于多種行業,如食品、造紙、醫藥、能源等。

                  常見的半纖維素提取方法可分為物理法與化學法。物理法具有環境友好、效率高的優點,但同時存在能耗大、對設備要求高、提取的半纖維素質量較差等問題?;瘜W提取法包含有機溶劑萃取、酸法提取、堿法提取等方法。利用有機溶劑提取半纖維素效果好,但工藝復雜,污染性大;酸法提取操作簡單且效率高,但腐蝕性強,易損壞設備;堿法提取半纖維素的工藝相對簡單,污染程度較小,然而所提取的半纖維素中有相對含量較高的木質素。有研究表明,堿性過氧化氫法提取半纖維素可以氧化木質素結構,降低木質素含量,同時可減少對半纖維素結構的破壞,該方法提取得到的半纖維素具有分子質量大、熱穩定性高等優點。

                  半纖維素的結構復雜,大分子結構分枝較多,且在水中溶解度較低,其功能化應用具有局限性。通過對半纖維素進行改性,可以提高半纖維素的利用率,擴大其應用范圍。常見的對半纖維素的改性方法有甲基化、季銨化、羧甲基化改性等。Schwikal等人對樺木的木聚糖進行季銨化改性,發現木聚糖在水中的溶解性隨著取代度的提高而增強。Fang等人對麥草半纖維素進行甲基化改性,有效地改善了半纖維素的熱穩定性與水溶性。半纖維素分子鏈上的羥基發生羧甲基化反應后,可以較為有效地改善半纖維素的理化性質、提高其生物活性。Alekhina等人從工業漂白樺木硫酸鹽漿中提取了高純度半纖維素,對其進行羧甲基化改性后制備膜材料,隨著取代度的提高,薄膜的親水性與熱穩定性均有所提高。此外,半纖維素改性過程中輔助其他物理手段可進一步提高改性效果。研究表明,超聲輔助法可通過聲震動傳熱傳質,有效縮短改性時間,提高改性速率。
           
                  本研究以毛竹為原料,通過堿性過氧化氫法提取半纖維素。利用超聲輔助法對半纖維素進行羧甲基化改性,研究了各反應條件對羧甲基半纖維素取代度的影響,利用場發射掃描電子顯微鏡(FESEM)、傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)、凝膠滲透色譜儀(GPC)、熱重分析儀(TGA)、Zeta電位分析儀等對不同取代度的羧甲基半纖維素進行表征,對比了改性前后半纖維素結構及性能的變化,以期為半纖維素在不同領域的功能化應用奠定理論基礎。

                  實驗結論

                  本研究以堿性過氧化氫法制備的毛竹半纖維素為原料,通過超聲輔助法對其進行羧甲基化改性。探討了NaOH濃度、氯乙酸濃度、反應時間及溫度對羧甲基半纖維素取代度的影響,并通過多種分析方法對不同取代度的羧甲基半纖維素進行表征。

                  3.1 毛竹半纖維素堿性過氧化氫法提取的適宜條件為:液固比20∶1(KOH溶液質量分數為3.0%、H2O2溶液質量分數為1.8%)、反應溫度60 ℃、反應時間6 h。

                  3.2 在本研究的實驗條件設置下,半纖維素羧甲基化改性的最佳反應條件是:NaOH物質的量濃度為1.2 mol/L,氯乙酸物質的量濃度為0.6 mol/L,堿化時間及溫度分別為為40 min、30 ℃,醚化時間及溫度分別為150 min、70 ℃。

                  3.3 熱穩定性分析結果顯示,隨著羧甲基半纖維素取代度的提高,改性前后的半纖維素最大降解溫度由257 ℃提升至300 ℃,說明羧甲基化改性有助于提升半纖維素的熱穩定性。

                  3.4 溶解性分析結果顯示,毛竹中提取的半纖維素在水中的溶解性較低,隨著羧甲基化改性程度的提高,羧甲基半纖維素在水中的溶解性有了較為明顯的改善。

                  3.5 Zeta電位分析結果表明,隨著羧甲基半纖維素取代度的提高,Zeta電位的絕對值越高,由9.98 mV提升至38.00 mV(DS=0.59)。



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