離子液體對植物纖維潤脹溶解性能的研究.pdf

1、目前，植物纖維原料作為一種廉價、豐富、易生物降解的的環(huán)保型天然高分子材料，愈來愈受到人們的重視。但天然植物纖維結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)晶度高，分子間及分子內(nèi)存在大量氫鍵，使其很難溶解于大多數(shù)溶劑，從而很大程度上限制了其在工業(yè)上的有效利用。因此，尋找一種高效環(huán)保的溶劑介質(zhì)，無論是對植物纖維中單組分的加工、轉(zhuǎn)化還是全組分的綜合利用都有重要意義。離子液體作為一種新興綠色溶劑，在纖維改性、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。本文主要研究了離子液體對植物纖維單一

2、組分及全組分的潤脹溶解性能，為植物纖維的高效利用提供理論基礎(chǔ)。
　　首先，研究了離子液體1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽（BmimCl）和1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽（EmimAC）對植物纖維的潤脹性能，分析了離子液體處理前后纖維質(zhì)量、形態(tài)、官能團和結(jié)晶度的變化，并對離子液體預(yù)處理對紙漿酶漂性能的影響進行了探討。離子液體預(yù)處理后，纖維平均長度可增加3.76％，細小纖維含量最大可降低10.94%，同時紙漿的濾水性能得到顯著改善。SEM對纖

3、維的微觀結(jié)構(gòu)進行觀察，發(fā)現(xiàn)除發(fā)生明顯潤脹外，纖維表面凹凸不平，有明顯分絲帚化，細胞壁有所破損，這可增加對藥液的浸透能力。XRD分析發(fā)現(xiàn)，離子液體不僅會影響于纖維素的無定形區(qū)，而且作用于纖維素的結(jié)晶區(qū)域，經(jīng)BmimCl和EmimAC處理后其結(jié)晶度分別降低了7.30%和14.58%，纖維的可及性顯著增加。探討了處理后紙漿的酶漂性能，預(yù)處理后成紙的光學性能和物理強度明顯改善，且EmimAC的處理效果優(yōu)于BmimCl。經(jīng)BmimCl和EmimA

4、C處理后，白度分別提高了2.54%ISO和4.27%ISO，不透明度增加了1.44%和1.99%；EmimAC處理后紙的抗張指數(shù)、耐破指數(shù)、環(huán)壓指數(shù)、撕裂指數(shù)及耐折度分別可增加14.08%、29.80%、22.45%、44.82%和52.50%。
　　纖維素是植物纖維原料的重要組分之一，其結(jié)構(gòu)高度有序，并且分子間及分子內(nèi)存在大量氫鍵等，這不僅影響纖維原料的溶解，也大大限制了其本身的加工、轉(zhuǎn)化和利用。研究對比了BmimCl、Emim

5、Cl、EmimAC三種離子液體對纖維素的溶解能力，并通過黏度法、SEM、FT-IR、XRD等檢測方法對EmimAC溶解前后的纖維素特性進行表征。所選三種離子液體對纖維素溶解能力大小依次為為：EmimAC>EmimCl>BmimCl，F(xiàn)T-IR分析表明EmimAC對纖維素沒有發(fā)生化學改性，是纖維素的直接溶劑。纖維素在離子液體中的溶解度受離子液體種類、纖維素原料、溶解溫度等因素的影響。在溶解過程當中纖維素會產(chǎn)生不同程度的降解，溫度越高，纖維

6、素的降解程度越明顯。發(fā)現(xiàn)當溶解溫度升至120℃時，纖維素的聚合度由1900降至1427；同時延長溶解時間也會造成纖維素降解程度的增大，但溫度的影響更顯著。XRD結(jié)果表明，溶解后再生纖維素的結(jié)晶度降低，纖維素的晶型由纖維素I變?yōu)槔w維素Ⅱ，100℃時結(jié)晶度由59.58%降至40.15%。因此，為減少纖維素的降解，在以離子液體為溶劑對纖維素進行加工和轉(zhuǎn)化時溫度在100℃以下，時間約為4h。
　　同樣研究了BmimCl和EmimAC溶解木

7、質(zhì)素的性能，EmimAC對木質(zhì)素具有很強的溶解能力，在溫度85℃，時間120 min，木質(zhì)素含水量5%時，可達到最佳溶解度（399 g/L）。以水為反溶劑對溶解的木質(zhì)素進行回收再生，采用 FTIR、NMR、激光光散射儀等檢測手段對再生木質(zhì)素進行表征，說明EmimAC是木質(zhì)素的直接性溶劑。另外，再生木質(zhì)素的數(shù)均分子量和質(zhì)均分子量均有所下降，且顆粒更加均勻，暴露出更多的羥基，脂肪族羥基、紫丁香基酚羥基及總酚羥基含量分別提高了27%，20%和

8、20%，這為木質(zhì)素的進一步轉(zhuǎn)化及高附加值利用奠定了堅實的基礎(chǔ)。
　　基于EmimAC對纖維素和木質(zhì)素均有較強的溶解能力，且不會顯著破壞其化學結(jié)構(gòu)，采用1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽(EmimAc)溶解植物纖維原料，研究了EmimAC對楊木粉的溶解性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，EmimAC可破壞植物纖維的頑抗結(jié)構(gòu)，溶解楊木粉原料，固定固液比為1:10，EmimAC離子液體溶解楊木粉的最佳條件溫度160℃，溶解時間16h，木粉水分含量7.5%，超聲波

9、預(yù)處理時間10min。最佳工藝條件下，得出楊木粉的溶解率為48.30%。在最佳溶解條件下，酸不溶木質(zhì)素與總木質(zhì)素含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，溶解時間為6h時，二者分別由原來的22.47%和26.28%增加至最大值24.77%和29.43%，隨后二者均不斷降低，當溶解時間為16h時，二者含量分別降低為18.15%和21.89%。借助SEM、XRD、FT-IR等分析了溶解前后木粉的結(jié)構(gòu)，溶解過程中EmimAC對楊木粉結(jié)構(gòu)造成很大程度的破壞。