棉杆皮纤维的提取和疏水改性

文摘

棉杆皮纤维(CSBF)提取在高温和高压下,碱含量的条件下11 wt %。实验结果证明,CSBF为27.3 wt %的提取率,残碱浓度为2.1 wt %。然后五种修饰符包括甲基丙烯酸甲酯(MMA)、MMA加引发剂,环氧丙烷,铜乙醇胺和硅烷偶联剂选择修改CSBF的表面。发现通过测量保水值(WRV)这五种修饰符都是有效和硅烷偶联剂的最佳改性剂在所有。硅烷偶联剂的最佳改性条件得到:改性剂浓度为5%,混合温度是20°C,混合时间1 h,真空干燥时间1 h。在最优条件下,修改的WRV CSBF是89%。预计这些修改CSBF可能与加强填料在木塑复合材料(WPC)领域的影响。

1。介绍

塑料的替代品已经收到更多的关注由于其应用在解决白色污染问题1,2]。塑料的替代品,可再生生物质材料从农业副产品如棉花茎是相当大的候选人之一(2]。据报道,将木质纤维添加到塑料生产木塑复合材料(WPC)可以改善塑料的力学性能,如抗拉强度、降低塑料材料的用量,降低成本(3]。

棉花是一种重要的人类生活和工业原料。新疆是中国最大的省商业种植棉花。2013年,新疆的棉花产量达到340万吨,占据超过58 wt %的在中国。Akdeniz et al。4)报道,棉花秸秆相当于棉纤维的重量的三倍。如今,棉花秸秆收获后主要是采取回农田或直接作为燃料燃烧的低利用率的值。当棉花秸秆粉碎和分散到土壤的同一领域好几年了,它是容易诱导棉花疾病在这个领域,这是一个大问题影响棉花生长。因此,发展高附加值的生物材料的简单和低成本的方法生产的棉花秸秆是很重要的对于扩大和改善其应用程序(5]。据报道,26日wt %棉杆的树皮(6),这是由41 wt %的纤维素,21 wt %的半纤维素,木质素18 wt %, 5 wt %的果胶,10 wt %的水溶性物质,和4 wt %的蜡7]。董et al。8)报道,从棉杆皮中提取的纤维(CSB)显示拉伸性能接近棉纤维。纤维素的晶体状态报告的杨氏模量250 Gpa,当时的三倍;(9]。总之,从棉花茎中提取的纤维素纤维显示潜在的应用在结构材料。

通常,棉杆皮纤维(CSBF)是通过脱胶条件下碱性液在正常压力5- - - - - -7]。此外,蒸汽爆炸也报道提取CSBF [8,10,11]。CSBF有很强的吸水性财产由于纤维素的羟基,导致短寿命的女警官在自然环境。近年来,快速进展等植物纤维的改性硅烷处理(12),碱性治疗(6)、铜胺(13],乙酰化作用[14[],马来耦合15),和酶处理(16]。例如,公园等。17)发现,黄麻纤维被硅烷表面一致性的纤维和聚丙烯紧。伊斯兰教等。18)报道,弹性模量(MOE)和抗压模量木材治疗后明显提高了MMA(甲基丙烯酸甲酯)/ PVA(聚乙烯醇),表明改进木材样品的力学性能。在纤维素和木质素中愈创木酚羟基可以与环氧丙烷反应形成醚(19),这降低了纤维素或木质素的亲水性。江和Kamdem13)增加到大约45%无切口冲击强度使用0.2 wt %铜amine-treated在60 wt % WF PVC加载水平,而未经处理的木粉。总之,五个修饰符包括MMA、MMA加引发剂,环氧丙烷,铜乙醇胺和硅烷偶联剂是有效和低成本。然而,据我们所知,使用5修改器修改CSBF MMA, MMA加引发剂,环氧丙烷,铜乙醇胺和硅烷偶联剂尚未报道。比较研究的效度这五个修饰符将有助于理解CSBF修改机制。

,CSBF提取使用高温高压下的碱的方法。五个修饰符包括MMA, MMA加引发剂,环氧丙烷,铜乙醇胺和硅烷偶联剂CSBF选择过程,分别。此外,修改条件的影响也详细调查。相信这些修改CSBF可能是在木塑复合材料领域的应用前景。

2。材料和方法

2.1。材料

棉花秸秆被从314年老爷,石河子,2014年10月。氢氧化钠、无水乙醇、乙醇胺、碱式碳酸铜,过硫酸钾,甲基丙烯酸甲酯、环氧丙烷、和硅烷偶联剂都是分析纯,用作化学试剂购自国药控股有限公司有限公司

2.2。提取CSBF

在一个典型的实验中,棉杆皮(CSB)剥落。然后CSB放到一个水壶在140°C 1.5 h和氢氧化钠在剧烈搅拌(图1)。氢氧化钠是11%的重量相比台网。产品与解决方案,离心分离,干空气在50°C,打碎了进一步修改的过程。

残碱含量测定用黑色液体。10毫升的黑色液体和10毫升6 wt %氯化钡用移液器吸取100毫升容量瓶然后木质素完全沉淀。解决方案是用蒸馏水稀释到刻度线,动摇,让站。上清液在容量瓶用移液器吸取到锥形瓶。用酚酞作为指示剂和盐酸标准溶液、滴定完成,直到溶液颜色变化从淡黄色到红色的终点。碱性残留物是根据盐酸的用量来计算解决方案。

2.3。修改CSBF

在一个典型的程序,0.5 g干CSBF和1 g修饰符(MMA, MMA加引发剂、环氧丙烷、铜乙醇胺和硅烷偶联剂)被添加到混合乙醇8.5克和0.5克水。混合物在室温下搅拌1.5 h。之后,产品是过滤和转移到真空烘箱2 h的105°C。在这一过程中,冷凝脱水,嫁接,发生聚合反应。最后,修改CSBF洗了5次与乙醇和水的混合物和干风烘箱至恒重。

2.4。保水值

分析了保水值(WRV)之前报道的Raj et al。20.]。在一个典型的过程,2 g吸水纸被底部的离心管(3毫升),及100目铜网放在吸水纸。同时,滤纸被切断,折叠成锥形状和充满了大约0.15 g CSBF,一直到去离子水浸泡2小时。随后,锥形纸放在铜网。最后,离心管是WRV关闭,确定组成部分准备好了。离心后,湿CSBF决心的重量。后来,湿CSBF干空气流通的烤箱和确定它的重量。WRV由下面的公式计算:

2.5。傅里叶变换红外(ir)光谱

傅里叶变换红外(ir)光谱进行了傅立叶变换红外分光光度计(EQUINOX55)使用KBr磁盘的方法。在测试之前,CSBF干在105°C 24 h和测试样本准备CSBF之间的质量比和KBr干1:300。32扫描被为每个样本和数据记录的范围4000 - 400厘米⁻¹4厘米的决议⁻¹在传输模式。

3所示。结果和讨论

3.1。收益率CSBF提取

考虑

CSBF占26 wt % CSB的质量(6]。在这部作品中,CSBF的提取率为27.3%,这意味着大约完成去除木质素,半纤维素、果胶、和其他杂质。

CSB熟是在高温高压下,和碱质量是11%与台网(碱性水溶液为3.1 g / L)。烹饪后,残碱(2.1%水溶液的浓度为0.61 g / L)。碱浓度大幅下降。之间的反应更充分地实现碱木质素、半纤维素、果胶、等等。以前的文学需要氢氧化钠溶液的浓度大约30 g / L在正常温度(21]。在这部作品中,相似的结果得到了在高温下与氢氧化钠溶液的浓度仅为3.1 g / L。这些结果表明,氢氧化钠用量的数量大大减少,减少了碱的废物排放和处置。

3.2。保水值

一个简单的方法来研究纤维素纤维表面的亲水性是测量保水值(WRV)。相同的纤维细度的前提下,WRV可以反映纤维亲水性财产;即高价值的纤维WRV显示更亲水。各种纤维的WRV表所示1。CSB的WRV是127%。至于CSBF,其WRV大大增加到322%。在这部作品中,木质素和其他弱亲水物质棉花茎几乎被碱做饭。残渣纤维素,这显示强烈的亲水性。

CSBF时修改五个修饰符包括MMA、MMA加引发剂,环氧丙烷,铜乙醇胺和硅烷偶联剂,WRV是175%,148%,126%,125%,和122%,分别。这些值明显降低,而CSBF。CSBF的疏水性是大大提高了修改后的五种试剂。疏水性的增强可以通过添加引发剂MMA(样品C和D),因为发起者可以提高MMA接枝效率CSBF表面。所有这三个修饰词表1包括环氧丙烷、铜乙醇胺和硅烷偶联剂显示良好的疏水性的影响。在前面的文献[12,13,19),机制这三个修饰符被解释道。我们试图解释硅烷和天然纤维之间的相互作用机制12]。首先,硅烷单体水解在水的存在。然后,在水解过程中,伴随的硅醇缩合(老化)也发生。之后,活性硅醇单体或低聚物物理吸附羟基的天然纤维。最后,在加热条件下,硅醇、羟基之间的氢键的纤维可以转化成共价键和自由水。

3.3。傅立叶变换红外光谱

CSB的傅立叶变换红外光谱图所示2(一)乐队在3424厘米⁻¹是地伸缩振动峰。乐队在2927厘米⁻¹碳氢键峰。乐队在1739厘米⁻¹羰基的吸收是拉伸纤维素酯或羧基组。乐队在1633厘米⁻¹是水的弯曲振动峰。乐队在1515厘米⁻¹在木质素芳香族骨架振动的吸收。乐队在1250厘米⁻¹的伸展振动吸收羰基化合物在半纤维素。乐队在1047厘米⁻¹强烈的峰值切断伸缩振动与羟基有关。至于CSBF的傅立叶变换红外光谱(图2(b)),大多数的山峰在图类似2(a)。然而,峰值为1739厘米⁻¹,1515厘米⁻¹,1250厘米⁻¹较弱的比图吗2(a),表示后半纤维素和木质素的去除提取过程。乐队强度为891厘米⁻¹很明显增加,表明纤维素含量的增加。乐队在891厘米⁻¹被分配到β1,4糖苷键特征吸收纤维素(单糖之间的7,8,22]。

图3CSBF显示原始的傅立叶变换红外光谱和修改。乐队在3427厘米⁻¹是地伸缩振动峰。乐队在2974厘米⁻¹和2927厘米⁻¹碳氢键的山峰。乐队在2372厘米⁻¹三键或累积双键的伸缩振动峰。乐队在1627厘米⁻¹是水的弯曲振动峰。乐队在1400厘米⁻¹是一个强大的高峰。乐队在1049厘米⁻¹强烈的峰值切断伸缩振动与羟基有关。乐队在600厘米⁻¹是指纹hexatomic环碳水化合物的吸收。发现其中傅立叶变换红外光谱几乎没有区别,就是官能团的小改变的结果引起的表面改性(23]。

3.4。优化实验条件

经过理论分析,可以确定所有的搅拌温度、搅拌时间、真空干燥时间、改性剂的浓度有重要影响CSBF的修改。因此,这四个因素的影响被标记为,,,,每一个因素是研究在三个水平标记为1,2,3,如表所示2。例如,搅拌温度设置为0,20和40°C为不同的测试,和这三个层次被标记为1,2和3,分别。

实验结果和分析如表所示3和4,分别。影响的四个因素之后。因为两者的影响和因素非常小,它们可能是微不足道的因素,这两个因素的水平确定如下:搅拌温度是室温和真空干燥时间1 h。最优水平和因素都是2级;混合时间是1 h,和改性剂浓度为5%。最后,确定了最佳条件,,,。在最佳实验条件下,修改的WRV CSBF是89%。这个结果证实上述组合最优条件:搅拌温度是20°C,搅拌时间1 h,真空干燥时间1 h和改性剂浓度为5%。

4所示。结论

总之,CSBF提取的低浓度下环保碱的提取方法使用高温高压反应釜。五个修饰符包括MMA、MMA加引发剂,环氧丙烷,铜乙醇胺和硅烷偶联剂是用来修改CSBF。发现所有的五个修饰符可以提高CSBF的疏水性。通过硅烷偶联剂的改造CSBF显示优异的疏水性之间的五种修饰符。硅烷偶联剂的最适条件CSBF详细研究。发现修改的WRV CSBF 89% 20°C的搅拌时间1 h和真空干燥时间1 h使用改性剂浓度为5%。相信这些修改CSBF可能是在材料领域的应用前景。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢新疆农业大学金融支持Prophase-Sustentation基金会的项目(批准号XJAU201414)。

引用

1. 范z,黄,j .阴f . Xu和y,“生物降解塑料薄膜的制备和表征醋酸醋酸纤维素和淀粉组成,”聚合物和环境杂志》上,23卷,不。3、383 - 391年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. f . Razza f . d . Innocenti a . Dobon c·阿里c·桑切斯和m . Hortal”环境的生物和生物降解泡沫包装原型与当前基准相比,“《清洁生产卷,102年,第500 - 493页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. o .镇上a . k . Bledzki H.-P。芬克和m .祈神保佑”Biocomposites与天然纤维增强:2000 - 2010,”高分子科学的进展,37卷,不。11日,第1596 - 1552页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. r·c·Akdeniz m . Acaroglu, a . Hepbasli“棉杆作为一个潜在的能源,”能源,26卷,不。1,第75 - 65页,2004。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. n Reddy和y杨天然纤维素纤维的性质和潜在的应用棉花秸秆、树皮的”生物资源技术,卷100,不。14日,第3569 - 3563页,2009年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. 李l . j .太阳,g .贾”属性下的天然棉杆皮纤维碱治疗,”应用聚合物科学杂志》上,卷125,不。2,E534-E539, 2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. l .周J.-Z。邵,x。冯,J.-Y。陈,“高温脱胶对棉杆皮纤维的成分和结构,”应用聚合物科学杂志》上,卷125,不。2,E573-E579, 2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. z, x l .侯f . f .太阳,l . Zhang和y .问:杨,“纺织年级长天然纤维素纤维使用蒸汽爆炸从树皮的棉花秸秆预处理,”纤维素21卷,第3860 - 3851页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. a . k . Bledzki和j . Gassan”与基于纤维素纤维复合材料加固,”高分子科学的进展,24卷,不。2、221 - 274年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. ibsen Pinheiro f·m·v·奥利维拉i o, a . m . Souto-Maior c . Martin a . r . Goncalves和g . j . m .罗查”工业规模的蒸汽爆炸的甘蔗秸秆预处理纤维素的酶法水解生产第二代燃料乙醇和增值产品,”生物资源技术卷,130年,第173 - 168页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. 张x侯,f .太阳,l . j .罗,d . Lu和y,“不含化学物的提取棉杆皮纤维的蒸汽爆炸闪光,“生物资源,9卷,不。4、6950 - 6967年,2014页。视图:谷歌学术搜索
12. y谢,c . a . s .希尔,z, h . Militz和c·梅,“硅烷偶联剂用于天然纤维/聚合物复合材料:复习一下,”复合材料:应用科学和制造业第41卷。。7,806 - 819年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. h .江和d . p . Kamdem”描述的表面和界面PVC-copper amine-treated木材复合材料,”应用表面科学,卷256,不。14日,第4563 - 4559页,2010年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. a . k . Bledzki a . a .马蒙m . Lucka-Gabor古托斯基v . s .,“乙酰化作用的影响亚麻纤维和聚丙烯复合材料的性质,“表达聚合物字母,卷2,不。6,413 - 422年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. 铃木k . a .佐藤h .时候,t .桥本,a . n . Nakagaito h .矢野,“新颖的高强度,微有原纤维的cellulose-reinforced聚丙烯复合材料使用一种阳离子聚合物作为增容剂,”纤维素,21卷,不。1,第518 - 507页,2014。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. a . k . Bledzki a . a .马蒙a . Jaszkiewicz和k . Erdmann”与酶改性马尼拉麻纤维,聚丙烯复合材料”复合材料科学与技术,卷70,不。5,854 - 860年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. 人类。公园,P.-G。金,黄永发。张成泽,z, s。黄,k . l . DeVries”界面评价和耐久性修改黄麻纤维/聚丙烯(PP)复合材料使用微机械测试、声发射”复合材料B部分:工程,39卷,不。6,1042 - 1061年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. m . s .伊斯兰教,s .哈姆丹·m·b·艾哈迈德et al .,”效应PVA-co-MMA共聚物的物理、机械和热性能的热带木材材料,”材料科学与工程的发展ID 626850条,卷。2014年,8页,2014。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. k . k . Pandey, t . Vuorinen研究木质素模型化合物与环氧丙烷的反应动力学,”Holzforschung,卷62,不。2、169 - 175年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. r . g . Raj b . v . Kokta f . Dembele和b . Sanschagrain”与聚丙烯复合纤维素纤维:治疗纤维分散在聚合物基质中,“应用聚合物科学杂志》上,38卷,不。11日,第1996 - 1987页,1989年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. l·李和l·h·赵”,从棉花茎天然纤维素纤维的制备及其结构和形态,”纺织研究期刊》的研究,34卷,不。2 - 17,2013页。视图:谷歌学术搜索
22. a . Kaushik m·辛格,g . Verma“绿色纳米复合材料基于热塑性淀粉和蒸汽爆炸从小麦秸秆纤维素纺锤,”碳水化合物聚合物,卷82,不。2、337 - 345年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. m . Abdelmouleh s Boufi a . b .沙拉m . n . Belgacem和a·甘迪尼”相互作用的硅烷偶联剂与纤维素、”朗缪尔,18卷,不。8,3203 - 3208年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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