稻秆中纤维素在NaOH/尿素水溶液中的溶解及再生研究

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纤维素作为地球上含量最丰富的一种可再生资源,它的发展与应用愈来愈多的受到重视。作为农作物废弃物的水稻秸秆的三大主要成分为纤维素、半纤维素和木质素。其中纤维素分子排列整齐,聚集成束,构成了细胞壁的构架。木质素和半纤维素分布在纤丝构架间。由于纤维素的高度结晶性,以及纤维素与半纤维素、木质素之间的紧密结合力,使得稻秆纤维素难以溶于水和一般的有机溶剂,目前一直未能有效利用,因此“寻找纤维素的新来源,深入研究纤维素结构与性能的关系,如何进一步高效地分离出纤维素;从分子水平上研究纤维素晶体的物理化学结构,如何进一步生产出天然高分子材料”已成为整个科学界关注的焦点。本文以水稻秸秆为研究对象,采用一种纤维素的新型溶剂——NaOH/尿素水溶液溶解水稻秸秆,研究该溶剂对水稻秸秆中纤维素的溶解情况、不同溶解条件对水稻秸秆未溶物成分与结构的影响以及不同的预处理方式对再生纤维素膜的影响。  本论文的主要研究内容和结论如下:  1、稻秆在NaOH/尿素水溶液中溶解研究  以水稻秸秆粉末为研究对象,在NaOH/尿素水溶液中冷冻解冻溶解,溶解液凝固后,进行了XRD、固态13C CP/MAS NMR和FT-IR分析。通过XRD的物相分析,这种物质可能为GA-D-甘露糖。固态13C CP/MAS NMR图谱中峰形与纤维素相似,说明这种固体中很有能为甘露糖。FT-IR图谱佐证了固态13C CP/MAS NMR图谱的结论。最后,通过未溶物的SEM图,简单的分析一下原因。  2、不同溶解条件下稻秆未溶物成分与结构分析  在不同温度条件、时间条件和浓度条件下溶解水稻秸秆,通过未溶物成分分析、XRD、SEM和热重表征,分析NaOH/尿素水溶液低温溶解对水稻秸秆结构的影响。结果可得水稻秸秆未溶物中纤维的晶体结构仍为纤维素 I晶型,低温溶解不能破坏水稻秸秆中纤维的晶体结构;低温溶解中溶剂不能有效地去除水稻秸秆中的木质素和半纤维素,只能使水稻秸秆纤维在表面发生低程度的裂开。  3、预处理稻秆在NaOH/尿素水溶液中的溶解及再生研究  水稻秸秆分别经硝酸-乙醇、KOH预处理后,在NaOH/尿素水溶液中低温溶解。由溶解液制得的再生纤维素膜进行固态13C CP/MAS NMR、FT-IR和XRD表征。分析可得再生纤维素膜的成分为纤维素,不含木质素;再生纤维素膜的晶体结构为纤维素II晶型,但结晶度较低,分别为24%和31%;再生纤维素膜根据水稻秸秆预处理方法不同而表面形态不同,硝酸-乙醇预处理的再生纤维素膜呈现网络网状结构,KOH预处理的再生纤维素膜呈现介孔结构,这些膜的特殊性结构可能是由于水稻秸秆溶解液中纤维素浓度较低或者凝胶过程中不完全凝固形成的。
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