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玉米芯中半纤维素的水热法预提取及农林生物质半纤维素制备膜材料的研究

于庆雪  
【摘要】:半纤维素是一种含量丰富、用途广泛的可再生生物高分子聚合物,广泛存在于各种农林生物质资源中,平均含量可达到一年生及多年生植物生物质资源的50%。迄今为止,虽然植物资源中的纤维素和木质素产品大都实现了规模化生产,但作为主要成分的半纤维素却没有得到充分利用,所以提取不同农林生物质中的半纤维素,并依据其特性生产高值化产品,对于提高生物质资源的利用效率具有重要意义。 论文首先对半纤维素含量丰富的农林废弃物玉米芯中半纤维素的提取方法进行了研究,通过对半纤维素水热法提取工艺的单因素及响应面法分析,确定玉米芯中半纤维素的水热法最佳提取工艺为:最高加热温度170.04℃、保温时间31.40min、液固比14.19:1,在此条件下,实际半纤维素得率为50.03%。 在半纤维素的高值化利用方面,主要研究其在膜材料领域的应用。主要分为两部分: (1)通过添加增强剂来改善半纤维素膜材料的性能。以溶解浆厂阔叶木预水解液半纤维素为原料,系统地研究了阔叶木预水解液添加玉米淀粉、羧甲基纤维素钠(CMC)、聚乙烯醇(PVA)等助剂时对膜性能的影响。研究发现,添加PVA的膜材料比添加CMC和玉米淀粉的具有明显的力学性能优势,确定PVA为优选的半纤维素膜材料的添加剂;进一步研究了PVA的添加量对半纤维素膜的力学性能影响,当PVA添加量在20%(相对于溶液中所含半纤维素的质量比)以下时,形成的膜很软,弹性模量低,而随着PVA添加量的继续增加,弹性模量增加,半纤维素膜表现出较好的强度性能,所以从成本及实用性考虑,确定最佳的PVA添加量为30%;最后对在最佳条件下制得的膜材料进行了扫描电镜SEM形态表征,结果表明膜材料表面结构光滑、均一且连续,整个断面结构均匀致密,并没有相的分离。红外光谱FT-IR分析结果表明膜材料各组成成份没有发生变化,是以物理结合的形式交联在一起,且彼此间有良好的兼容性。以玉米芯半纤维素为原料,当添加30%的PVA时,亦能制备出表面光滑、结构致密的半纤维素膜材料,色泽棕黄且半透明,拉伸强度为4.6MPa,断裂伸长率为6.4%。 (2)通过半纤维素的改性,即羧甲基化来改善半纤维素的成膜性能。以胶粘厂碱溶解半纤维素废液为原料,研究了羧甲基化改性对半纤维素膜性能的影响。借鉴羧甲基纤维素钠的制备工艺首先对半纤维素进行羧甲基化改性,然后将改性后的半纤维素添加一定量的增塑剂山梨醇,考察其对半纤维素膜性能的影响。研究表明,当山梨醇的添加浓度为3.4%时,制备的半纤维素膜材料的性能最佳。在该条件下,制备的半纤维素膜的拉伸强度可达到9.36MPa,断裂伸长率为9.24%。扫描电镜SEM观察显示,膜材料表面整体较平整均匀,断面结构致密,没有相的分离。热稳定性TG测试表明,羧甲基半纤维素膜比外增强半纤维素膜有更高的稳定性,这说明改性的半纤维素大分子链与山梨醇之间具有强烈的相互作用,二者通过氢键结合构成三维的网络状结构,所以在宏观上表现为膜材料具有优良的成膜性能。


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