玉米秸秆皮、髓纤维素提取及表征
黑龙江省每年玉米秸秆产量约9万
本研究主要以玉米秸秆皮、髓为研究对象,通过对玉米秸秆皮、髓化学组分及纤维形态分析比较,并提取其纤维素,采用多种手段对玉米秸秆皮、髓纤维素结构性能进行表征,分析二者之间的相似性。该研究将有利于提升玉米秸秆用作造纸原料的实际价值,为开发玉米秸秆髓的资源化利用提供一定的理论依据。
1 实 验
1.1 材料与仪器
玉米秸秆,产自黑龙江省肇东市,秸秆经风干后去叶,人工剥离成皮和髓两部分;苯、乙醇(体积分数为95%)、无水乙醇、冰乙酸、亚氯酸钠、氢氧化钾、盐酸、过氧化氢(质量分数为30%)等,均为分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司。
植物粉碎机(JFSD-100),上海嘉定粮油仪器有限公司;标准检验筛(40~60目),上虞市华丰五金仪器有限公司;恒温水浴锅(DK-98-ⅡA),天津市泰斯特仪器有限公司;冷冻干燥机(SCIENTZ-12N),宁波新芝生物科技股份有限公司;扫描电子显微镜(QUANTA200),美国FEI公司。
1.2 纯化纤维素的制备
纯化纤维素的制备方法参考已有的研究进
1.3 分析与表征
1.3.1 化学组分分析
玉米秸秆皮、髓主体组分为纤维素、半纤维素和木质素,是一种良好的植物纤维原料,将处理好的CSB、CSP进行化学组分分析,对比秸秆皮、髓的化学组分含量差异。并对BPC、PPC中的α-纤维素、多戊糖和木质素含量进行测定。α-纤维素含量的测定方法为:配制一定量的硝酸(体积分数为20%)和乙醇(体积分数为80%)混合液待用,称取2 g试样置于锥形瓶中,加入25 mL硝酸乙醇混合液,加热回流反应1 h,滤渣回收至锥形瓶,再用25 mL的硝酸乙醇混合液加热回流处理,反复多次处理至试样变白,最后用热蒸馏水反复洗涤至中性,并用乙醇洗涤2次,残渣在105℃下干燥至质量恒定。
(1) |
式中,X为α-纤维素的质量分数,%;m为残渣质量,g;m1为称取的玉米秸秆质量,g;W'为玉米秸秆的水分含量,%。
根据GB/T 2677.4—1993对冷水抽出物含量进行测定;根据GB/T 2677.4—1993对水抽出物含量进行测定;根据GB/T 742—2008对灰分含量进行测定;根据GB/T 2677.5—1993对1%NaOH抽出物含量进行测定;根据GB/T 10741—2008对苯-醇抽出物含量进行测定;根据GB/T 747—2003对酸不溶木素含量进行测定;根据GB/T 745—2003对多戊糖含量进行测定;根据GB/T 10337—2008对酸溶木素含量进行测定。
(2) |
式中,M1为处理前秸秆绝干质量,g;M2为处理后秸秆绝干质量,g。
1.3.2 微观结构分析
取一定量的CSB、CSP粉末(40~60目)及BPC、PPC粉末,用镊子轻轻涂抹于导电胶上。喷金处理后,利用扫描电子显微镜(SEM)在12 kV下对其微观结构进行表征。
1.3.3 聚合度分析
分别取40 mg的BPC、PPC,置于10 mL 的铜乙二胺溶液(1 mmol/L)
1.3.4 红外光谱分析
采用MAGNA-IR 560型傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)对CSB、CSP和BPC、PPC进行扫描。扫描条件为:波数400~4000 c
1.3.5 结晶度分析
取CSB、CSP和BPC、PPC,通过D/max-2200型X射线衍射仪(XRD)测定其结晶度。测试采用铜靶,运行电压为40 kV、电流30 mA、扫描速度5º/min。相对结晶度按照
(3) |
式中,I002为扫描曲线2θ=22.6º 处衍射峰强度;Iam为2θ = 18º处衍射峰强度。
1.3.6 热性能分析
采用美国 Perkin-Elmer 公司的 Pyris6 型热重分析仪(TG,氮气气氛)对CSB、CSP和BPC、PPC的热稳定性进行测试,温度范围 30~600℃,升温速率为10℃/min。
2 结果与讨论
2.1 化学组分分析
为提升玉米秸秆的利用价值,首先对CSB、CSP进行化学组分分析,
注 木质素含量为酸不溶和酸溶木质素含量总和。
2.2 微观结构
为观察CSB、CSP和BPC、PPC的微观形貌,对其进行了SEM扫描,结果如
图1 玉米秸秆皮、髓的SEM图
Fig. 1 SEM images of corn straw bark and pith
2.3 聚合度
纤维素是纤维细胞最基本的组分,是由D-葡萄糖基聚合而成的直链状高分子化合物,是制浆过程中尽可能保留的成分,因此对BPC、PPC的聚合度分析将更有利于充分利用好秸秆资源。聚合度(DP)的测定结果见
2.4 化学官能团
红外光谱是表征秸秆皮、髓化学官能团的重要手段,检测结果如
图2 玉米秸秆皮、髓红外光谱图
Fig. 2 FT-IR spectra of corn straw bark and pith
2.5 相对结晶度
CSB、CSP和BPC、PPC的X射线衍射谱图如
图3 玉米秸秆皮、髓的X射线衍射图
Fig. 3 X-ray diffractograms of corn straw bark and pith
2.6 热稳定性
图4 玉米秸秆皮、髓的TG与DTG曲线
Fig. 4 TG and DTG curves of corn straw bark and pith
3 结 论
以玉米秸秆皮、髓(CSB、CSP)为原料,经苯-醇抽提、亚氯酸钠漂白和碱处理的方法得到秸秆皮纯化纤维素(BPC)和秸秆髓纯化纤维素(PPC),研究玉米秸秆皮、髓纤维素结构和性能,为秸秆应用于造纸行业提供一定的理论依据。
3.1 以CSB、CSP为原料,化学组分结果显示CSP中多戊糖含量较多,木质素含量较少,CSB、CSP中纤维素含量相近;微观结构表征显示,CSB中纤维束排列较CSP更整齐紧密,经纯化处理后BPC、PPC纤维表面变光滑。
3.2 BPC和PPC聚合度相近,官能团构成基本一致,为天然纤维素Ι型结构。通过纯化处理提取的BPC、PPC得率为38.9%和38.2%,α-纤维素含量为87.5%和82.4%。BPC、PPC结晶度相对于CSB、CSP分别由51.2%和30.4%提高至67.7%和42.1%,且BPC、PPC热稳定性提高。
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