植物细胞壁中纤维素结构及纤维素的提取和功能材料制备

摘要

纤维素是植物细胞壁的重要组成部分。植物每年通过光合作用生产出亿万吨的纤维素，是自然界中取之不尽，用之不竭的可再生资源。以纤维素为原材料合成的化学品具有良好的生物降解性，在自然环境中可以被微生物降解为水、二氧化碳和其他小分子，属于环境友好型材料。
　　在能源危机和环境污染日益严重的大背景下，作为一种大量存在、可再生、可自然降解的天然资源，纤维素具有广阔的应用前景。在纤维素的应用中，存在着以下三个研究热点:一是植物细胞壁中纤维素的绿色洁净分离提取;二是纤维素的绿色溶剂体系;三是清洁高效地制备纤维素基功能材料以替代传统化工材料。本论文的工作围绕这三个研究热点展开。
　　在利用植物资源时，首先遇到的困难是如何清洁高效地将纤维素从植物细胞壁中分离出来。植物细胞壁的结构十分复杂，外层覆盖有蜡质、无机盐等保护层，内部纤维素又与半纤维素，木质素等化学成分紧密相联。纤维素微原纤中结晶区和非结晶区（无定形区）共存，结晶区存在有多种结晶形态，这些都给纤维素的分离提取带来阻碍。近年来大力推行生物技术分离提取植物中的纤维素，但只有在充分了解细胞壁各个组成成分间的空间关系和纤维素晶体结构的前提下，才能有效地利用酶或微生物破坏胞间层中纤维素与其它组分的联结，实现纤维素的清洁、高效提取。
　　在本论文的第二章中，首先提出了一种新的植物细胞壁样品预处理方法。处理条件温和，操作简便，能保留各组分的天然结构。采用液相原子力显微镜(AFM in fluid)对处理后的样品进行观察分析，得到了清晰的分子尺度上的图片。这些图片验证了细胞壁各组分的关联关系，揭示了天然纤维素的结晶区结构。通过与晶胞模型比对，结晶区内不同晶相的分布以及堆砌形式得以鉴别。这部分工作为了解纤维素在细胞壁中的聚集形态提供了直观信息，有利于推进生物和化学方法提取纤维素的技术发展，实现秸秆废弃物的有效利用。
　　不断拓展纤维素在各个领域的应用是纤维素工作者的目标。为实现这个目标有两种方法:一是改进传统工艺，提高产品性能，降低生产成本、能耗，减少制备过程造成的污染，使之更符合绿色化学的要求。二是紧跟科技发展，设计开发新型纤维素基功能材料，满足各个领域不断发展的需求。
　　本论文第二章第二节、第三章和第四章的工作尝试从海藻和秸秆中提取纤维素，并利用提取的纤维素以及微晶纤维素制备多种纤维素功能材料。包括采用自组装的方法制备聚电解质复合膜;在LiCl/尿素溶剂里溶解并交联纤维素，之后再生以制备透光薄膜和大孔树脂;对纤维素膜进行改性以制备疏水膜和pH敏感膜等。对合成的材料进行透光率、力学模量、吸水性或疏水性、强碱性环境下pH值的测量以及偶氮类染料吸附等方面的性能测试，得到了丰富的实验数据和结论，为进一步开发成熟的生产工艺提供了第一手资料。
　　纤维素分子内和分子间复杂的氢键和结晶结构使纤维素很难溶于普通溶剂。一直以来，纤维素的溶解问题都严重制约着纤维素的推广和应用。寻求纤维素的良溶剂，开发纤维素的均相化学反应体系，是纤维素科学的重要研究内容。
　　作为一种有效的纤维素溶胀和溶解介质，熔融无机盐水合物受到广泛的关注和研究。本论文第五章尝试采用熔融ZnCl2水合物溶解纤维素，详细探讨了各种影响因素，包括适宜的温度和时间，纤维素的溶解范围，ZnCl2与H2O的摩尔比等。并在该体系中进行了纤维素的再生及醋酸纤维素的均相合成，对产物的提取、体系中无机盐的回收再利用做了探索尝试。
　　通过对以上纤维素热点问题的研究，本论文的工作将对天然可再生资源一纤维素的推广应用提供实验依据和帮助。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 纤维素研究是绿色化学的重要组成部分

1．2 植物细胞壁的基本结构和化学成分

1．3 纤维素的分子结构与反应性

1．4 纤维素的溶剂体系

1．5 纤维素基功能材料简介

1．6 当前纤维素科学的研究热点和本论文的工作

参考文献

第2章 生物质中纤维素的结构与分离

2．1 秸秆细胞壁中天然结晶纤维素的AFM研究

2．1．1 引言

2．1．2 实验部分

2．1．3 实验结果

2．1．4 结论

2．2 绿藻中纤维素的提取及溶解性能研究

2．2．1 不同来源的天然纤维素介绍

2．2．2 实验部分

2．2．3 结果与讨论

2．2．4 结论

参考文献

第3章 纤维素基薄膜材料的制备与性能

3．1 纤维素硫酸盐与壳聚糖自组装超薄膜的制备和AFM研究

3．1．1 静电自组装法制备高分子超薄膜

3．1．2 实验部分

3．1．3 结果与讨论

3．1．4 结论

3．2 再生纤维素透明薄膜的制备与陛能表征

3．2．1 引言

3．2．2 实验部分

3．2．3 从秸秆中提取纤维素的制膜性能与表征

3．2．4 微晶纤维素交联薄膜制备方法的对比研究

3．2．5 反应条件对微晶纤维素交联薄膜的性能影响

3．2．6 结论

3．3 再生纤维素透明薄膜的疏水改性与表征

3．3．1 引言

3．3．2 实验部分

3．3．3 结果与讨论

3．3．4 结论

3．4 pH值敏感纤维素膜的制备和性能表征

3．4．1 引言

3．4．2 实验部分

3．4．3 结果与讨论

3．4．4 结论

参考文献

第4章 纤维素基大孔树脂的合成及其染料吸附性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．3 结果与讨论

4．4 结论

参考文献

第5章 熔融ZnCl2水合物中纤维素的溶解与加工

5．1 引言

5．2 纤维素在熔融ZnCl2水合物中的溶解行为研究

5．2．1 实验部分

5．2．2 结果与讨论

5．2．3 熔融ZnCl2水合物的溶解机理探讨

5．3 纤维素-ZnCl2体系中纤维素的再生及ZnCl2的回收

5．3．1 实验部分

5．3．2 结果与讨论

5．4 熔融ZnCl2水合物中醋酸纤维素的制备

5．4．1 制备实验

5．4．2 结果及讨论

5．4．3 ZnCl2催化机理假设

5．5 结论

参考文献

总结与展望

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢