竹屑制备羧甲基纤维素钠及其改性研究

摘要

随着能源危机时代的到来，利用可再生的生物质资源来替代化石资源越发受到人们的关注。本研究围绕竹屑的利用，经过预处理工序，提取得到竹纤维素，然后利用竹纤维素制备羧甲基纤维素钠(Sodium carboxymethyl cellulose，简称CMC)，采用中心组合法优化了制备条件。研究竹羧甲基纤维素钠的性能，以及竹羧甲基纤维素钠的改性。
　　(1)竹屑中提取竹纤维素。采用NaOH-H2O2的分离提取工艺:稀碱浸泡→二次高温碱煮→双段漂白→干燥，提取的纤维素含量为87.29％。XRD图谱分析结果表明，在纤维素提取工艺过程中，半纤维素和木质素等非结晶区被水解掉。光学显微镜与FT-IR的分析结果也证实了提取过程中，半纤维素与木质素被脱除。
　　(2)利用竹纤维素制备羧甲基纤维素钠。采用Plackett-Burman(PB)设计与中心组合法，对影响CMC取代度的6个相关因素进行了研究，结果表明，显著影响CMC取代度的关键因子依次为氢氧化钠与纤维素的质量比、氯乙酸钠与纤维素的质量比和醚化时间;建立此三因素对CMC取代度影响的二次回归模型，优化得到CMC最高取代度的制备条件是:氢氧化钠与纤维素的质量比为0.8、氯乙酸钠与纤维素的质量比为1.2，醚化时间为2h，制得的CMC取代度达0.93，粘度为136 mPa·s，取代度比优化前的0.61提高约52.5％。经测定，CMC的理化指标符合行业标准。FT-IR谱图表明，纤维素分子上的羟基氢被羧甲基取代。XRD分析结果表明，经醚化后，CMC的晶体结构变化了。TGA曲线分析结果表明，经醚化后的CMC的热分解温度为290℃左右，显示出良好的热稳定性。
　　(3)研究了竹CMC的溶液性质。结果表明，CMC水溶液的粘度随其浓度的升高而增大，且取代度越高，粘度越大;CMC水溶液的粘度随其体系pH的升高而呈现出先升高后降低的趋势，当体系的pH值为8左右时，溶液的粘度达到最大。且取代度越大，在同样pH值环境下，其溶液粘度也相对较大;CMC水溶液的粘度随NaCl浓度的升高而呈现出不断降低的趋势。
　　(4)研究了竹CMC的改性。结果表明，在纤维素碱化阶段加入硅酸钠，当添加量为6 wt％时，溶液的粘度达到最大，相对添加前提高了18.8％;在纤维素醚化阶段加入四硼酸钠，CMC水溶液的粘度随四硼酸钠的添加量呈现先增大后减小的现象，当添加量为8 wt％左右时粘度最大;CMC可以与N，N-亚甲基双丙烯酰胺发生交联反应，交联后的产物具有吸水性能，添加量为5 wt％左右时，产物的吸水倍率最大，达到30.4 g·g-1。相对竹纤维素原料的吸水倍率提高了316％;CMC与环氧氯丙烷发生微交联反应后，在同样温度条件下，溶液的粘度较高。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 竹材资源

1．1．1 竹材化学资源的研究现状

1．1．2 竹纤维素提取技术研究现状

1．1．3 纤维素化学与改性

1．2 羧甲基纤维素钠

1．2．1 CMC简介

1．2．2 CMC的特性

1．2．3 CMC的主要用途

1．2．4 CMC的制备原理

1．2．5 CMC的制备工艺发展

1．2．6 以非棉原料制备CMC研究进展

1．2．7 CMC的改性研究进展

1．3 本文研究的意义与内容

第二章 竹纤维素的提取

2．1 材料与仪器

2．1．1 原料

2．1．2 主要试剂与仪器

2．2 实验方法

2．2．1 原材料水分的测定

2．2．2 原材料灰分的测定

2．2．3 化学组分测定

2．2．4 竹纤维素的提取

2．2．5 木聚糖酶处理竹纤维素

2．2．6 预处理过程中竹纤维素结晶度的变化

2．2．7 竹纤维素的结构表征

2．3 实验结果

2．3．1 木聚糖酶处理竹纤维素结果

2．3．2 竹屑与预处理竹纤维的成分分析

2．3．3 提取工艺对竹纤维素的结晶度的影响

2．3．4 竹纤维提取过程中的纤维形态观察

2．3．5 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)

2．3．6 X射线衍射(XRD)

2．3．7 热重分析(TGA)

2．4 本章小结

第三章 竹羧甲基纤维素钠的制备

3．1 实验材料

3．2 实验方法

3．2．1 羧甲基纤维素钠的制备

3．2．2 竹CMC的理化指标检测

3．2．3 CMC的结构表征

3．2．4 制备实验的优化设计

3．3 结果与分析

3．3．1 CMC的理化指标

3．3．2 单因素实验

3．3．3 Plackett-Burman实验

3．3．4 最陡爬坡实验结果

3．3．5 响应面实验结果

3．3．6 竹CMC的结构表征与分析

3．4 本章小结

第四章 羧甲基纤维素钠溶液性质研究

4．1 材料与仪器

4．2 实验方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 浓度对竹CMC水溶液j阽度的影响

4．3．2 溶液pH对竹CMC水溶液粘度的影响

4．3．3 离子浓度对竹CMC水溶液粘度的影响

4．4 本章小结

第五章 竹羧甲基纤维素钠的改性研究

5．1 材料与仪器

5．1．1 实验原料

5．1．2 试剂与仪器

5．2 实验方法

5．2．1 四硼酸钠改性

5．2．2 硅酸钠改性

5．2．3 微交联反应改性

5．3 结果与讨论

5．3．1 四硼酸钠改性

5．3．2 硅酸钠改性

5．3．3 与N，N-亚甲基双丙烯酰胺的交联

5．3．4 与环氧氯丙烷的交联

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢