植物纤维细胞壁半纤维素组分对微纤丝分离的影响

摘要

近年来，微纤化纤维素作为一种新型的纳米级功能材料，吸引了众多科研工作者和企业的广泛关注，由于其具有可再生、环境友好、良好的生物相容性、优异的机械性能等诸多优点，在造纸、日化品、生物医药、复合材料等领域具有广泛的应用前景。因此，寻求一种高效、低廉、低能耗的制备方法成为所有关注者们亟待解决的一个首要问题。目前，有研究者们开发出了一系列预处理结合机械处理的制备方法可以有效降低能耗，但其企业的产业化发展仍然没有解决。本研究的主要目的是探讨半纤维素对微纤丝解离制备微纤化纤维素的影响，为微纤化纤维素的产业化制备提供理论基础。 本研究以木素含量较少的阔叶木漂白硫酸盐浆(HBKP)为原料，采用不同浓度的碱处理制备出不同半纤维素含量的纤维原料样品，并分析了碱处理前后纤维样品细胞壁微观结构的变化情况，包括结晶度、晶型及其相对含量，以及原纤尺寸的变化等;然后将不同半纤维素含量的纤维样品经高压均质机的机械化处理制备出微纤化纤维素(MFC)，同时检测其等效粒径、表观粘度等，分析半纤维素含量对微纤丝解离的具体影响效果;最后，将制备出的MFC以浆内添加和表面涂布的方式应用到针叶木漂白硫酸盐浆(SBKP)中，分析MFC在两种方式下对纸页的增强效果。 研究结果表明，随着碱处理时间的增加，纤维样品中半纤维素的含量逐渐减少，从碱未处理的31.81％下降到碱处理12小时后的10.12％。同时，XRD表明在本实验的碱处理条件下，抽出半纤维素过程中纤维素的晶型没有发生改变，特征衍射峰依然呈典型的纤维素Ⅰ型衍射曲线;同时随着半纤维素含量的减小，结晶度呈先增大后减小的趋势，从67.70％上升到77.69％，最后下降到74.11％;晶胞尺寸在4.7nm到4.9nm之间相对稳定。CP/MAS13C NMR进一步得出了碱处理前后纤维素晶型含量变化，当半纤维素含量从31.81％下降到10.12％时，结晶纤维素相对含量（即纤维素Ⅰα、纤维素Ⅰβ和纤维素Ⅰα+β相对强度之和）从33.31％增加到36.79％，上升了10.45％，可及纤维表面从12.76％下降到11.39％，下降了12.03％，不可及纤维表面从25.49％上升到29.99％，上升了17.65％。 单根纤维在高压均质机的高速剪切力作用下被剥离，撕裂成直径为纳米级的微细纤维(MFC)。通过激光粒度仪测定悬浮液粒径显示，当半纤维素的含量从31.81％下降到10.12％，MFC的等效粒径从38.63μm下降到21.68μm，半纤维素含量的减小可以有效促进纤丝的解离。并且随着半纤维素含量的下降，悬浮液表观黏度上升，从240mPa·s上升至390mPa·s;MFC表面电荷密度呈现上升趋势，从0.704meq/g上升到1.814meq/g，上升了157.67％。这是因为随着填充在纤维之间的半纤维素的脱出，纤维内部微纤丝之间结合程度下降，同等均质化处理条件下，纤维悬浮液中的微细纤丝数量逐渐增多，比表面积增大，暴露出更多的负电荷。 将MFC以浆内添加和表面涂布两种方式作用于纸页结构，研究不同浆种MFC对纸页的增强效果。实验表明，MFC在两种不同添加方式下对纸页的抗张指数、耐破指数和撕裂指数均有不同程度的增强作用，同时纸页的松厚度和透气度明显下降。此外，不同浆种MFC产品在用量较小时，针叶木MFC比阔叶木MFC对纸页的增强效果明显，但当用量较大时，两者的增强效果相当，同时，对于不同的MFC应用方式，MFC表面涂布的效果比浆内添加更好。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1生物质资源

1．2纤维细胞壁结构

1．3纤维素简介

1．4半纤维素

1．4．1半纤维素的种类及化学结构

1．4．2半纤维素在细胞壁中与其它组分间的连接

1．5半纤维素的主要提取方法

1．5．1酸水解

1．5．2碱水解

1．5．3有机溶剂提取法

1．5．4高温水热法

1．5．5机械辅助提取法

1．5．6高温辖射及微波处理

1．5．7超声辅助提取法

1．5．8蒸汽爆破预处理提取法

1．5．9生物法

1．6微纤化纤维素(MFC)

1．6．1 MFC简介

1．6．2 MFC的制备

1．6．3 MFC的应用前景

1．7．1研究内容

1．7．2研究目的及意义

2材料与方法

2．1实验材料

2．1．1原料

2．1．2主要实验药品及试剂

2．1．3实验仪器与设备

2．2实验流程

2．3实验方法

2．3．1碱处理脱出半纤维素

2．3．2原料半纤维素含量测定

2．3．3碱处理前后纤维细胞壁结构表征

2．3．4 MFC性能表征

2．3．5 MFC应用

3结果与讨论

3．1碱处理对HBKP纤维细胞壁结构的影响

3．1．1不同碱处理时间半纤维素含量的变化

3．1．2碱处理对纤维素结晶度的影响

3．1．3碱处理对纤维素晶型及含量的影响

3．1．4碱处理对纤维原纤尺寸和聚集尺寸的影响

3．1．5碱处理对纤维细胞壁表面形貌的影响

3．2细胞壁半纤维素组分对其产品MFC性能的影响

3．2．1半纤维素含量对MFC表观黏度的影响

3．2．2半纤维素含量对MFC等效粒径的影响

3．2．3半纤维素含量对MFC表面电荷密度的影响

3．2．4 MFC表面形貌分析

3．3不同原料类型MFC制备工艺与应用性能比较

3．3．1不同原料MFC制备工艺比较

3．3．2不同原料MFC产品性状对比

3．3．3 MFC产品应用性能

3．3．4本章小结

4结论

4．1本论文的主要结论

4．2本论文的创新点

5 展望

参考文献

文发表情况

致谢