林燕萍

(江西服裝學(xué)院，江西 南昌 330201)

硫酸水解對(duì)棉纖維性能影響

林燕萍

(江西服裝學(xué)院，江西 南昌 330201)

利用硫酸對(duì)棉纖維進(jìn)行水解，分析硫酸質(zhì)量濃度及水解時(shí)間對(duì)棉纖維分子結(jié)構(gòu)的影響。研究表明，硫酸水解前后棉纖維晶型結(jié)構(gòu)保持纖維素Ⅰ不變，棉纖維水解程度在硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～30%，水解時(shí)間30～150 min范圍，隨著硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，水解時(shí)間的延長(zhǎng)而加大，而棉纖維結(jié)晶度隨著水解程度的增加而降低。

硫酸；水解；棉纖維；分子結(jié)構(gòu)

隨著不可再生資源的日益枯竭，如何找到清潔、熱值高的代替能源成為一個(gè)具有現(xiàn)實(shí)需求的研究熱點(diǎn)。而以生物原料制備的燃料乙醇不僅具有較高的熱值，而且對(duì)環(huán)境的污染較小，具有較為廣闊的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)前景[1～2]。目前，作為制備燃料乙醇的生物質(zhì)主要有麥稈、玉米秸稈和木屑及其他韌皮纖維素的作物及林木，而對(duì)作為紡織原料主要材料的棉纖維的研究較少，而對(duì)棉纖維自身性能而言，棉纖維的主要結(jié)構(gòu)是纖維素Ⅰ結(jié)構(gòu)構(gòu)成，纖維素含量較高，經(jīng)過(guò)水解纖維素會(huì)被還原為聚合度較低的葡萄糖混合物，同時(shí)，大量紡織棉纖維下腳料的廢棄又為生物質(zhì)乙醇的制備提供了豐富的廉價(jià)原料。因此，對(duì)棉纖維的水解性能研究尤為必要。本文利用稀硫酸對(duì)棉纖維進(jìn)行水解實(shí)驗(yàn)，分析研究稀硫酸水解對(duì)棉纖維的性能影響，為以棉纖維為原料的生物乙醇的開(kāi)發(fā)提供一定的參考依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)材料

棉纖維(棉纖維平均細(xì)度為1.87 dtex；主體長(zhǎng)度為32 mm),3,5-二硝基水楊酸，酒石硝酸鉀，氫氧化鈉，苯酚，亞硫酸鈉，溴化鉀，以上化學(xué)實(shí)驗(yàn)試劑均為分析純。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器

ZY-60熱風(fēng)干燥箱，KB-TH-S-120Z 恒溫恒濕試驗(yàn)箱，Alpha-1506型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，IRsolution傅立葉變換紅外光譜儀，PTX-FA210萬(wàn)分之一電子天平，MiniFlex 600 臺(tái)式X射線(xiàn)衍射儀，BDW1-HH-2A電熱恒溫水浴鍋。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1稀硫酸水解棉纖維

有趙永亮等[3]研究表明，在常溫常壓下，纖維素的水解程度與酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)正相關(guān)性，纖維素的水解程度隨著酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而不斷增加，但當(dāng)酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)30%時(shí)，纖維素的水解程度達(dá)到最大值，當(dāng)酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)再升高時(shí)，纖維素的水解程度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。據(jù)此，本次實(shí)驗(yàn)方案，將酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定為5%、10%、15%、20%、25%和30%。有陳亞寧等[4]人研究表明，當(dāng)棉纖維與酸的浴比為1∶25時(shí)，棉纖維水解的效率最佳，因此本次方案所有實(shí)驗(yàn)的棉纖維與酸的浴比均設(shè)置為1∶25，水解溫度設(shè)置為室溫，水解時(shí)間依次設(shè)置為30 min，60 min，90 min，120 min和150 min。使用PTX-FA210萬(wàn)分之一電子天平稱(chēng)取在溫度為105℃的ZY-60熱風(fēng)干燥箱中干燥至恒重的棉纖維10 g，共稱(chēng)取25份。在室溫條件下，將其中5份分別投入到5只裝有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硫酸溶液中，再取5份分別投入到5只裝有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的硫酸溶液中，依次類(lèi)推，再取5份分別投入到5只裝有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%、20%、25%及30%的硫酸溶液中，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間點(diǎn)為30 min，60 min，90 min，120 min和150 min分別各取出各質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫酸處理的1份棉纖維，將取出的棉纖維使用蒸餾水沖洗干凈后，將不同酸濃度下處理不同時(shí)間的棉纖維連同未經(jīng)任何處理的棉纖維在溫度為105℃的ZY-60熱風(fēng)干燥箱中干燥至恒重放置密閉玻璃瓶中待用，同時(shí)，將水解棉纖維后的硫酸溶液收集起來(lái)待用。

1.3.2DNS法測(cè)定棉纖維還原糖

配置摩爾濃度為2 mol/L的氫氧化鈉溶液，待氫氧化鈉完全溶解后，量取262 mL與含有182 g的500 mL酒石酸鉀鈉溶液在溫度為80℃的恒溫水浴鍋中混合均勻。使用PTX-FA210萬(wàn)分之一電子天平稱(chēng)取3,5-二硝基水楊酸6.3 g，加入到上述混合溶液中，在不停攪拌條件下，使得3,5-二硝基水楊酸完全溶解。得上述混合溶液溶解混合均勻后，往混合溶液中加入5 g苯酚與5 g亞硫酸鈉，使其在溶解混合均勻后，將燒杯從水浴鍋中取出，在室溫條件下冷卻。將冷卻后的溶液加入蒸餾水直至1000 mL，此時(shí)的混合溶液即為3,5-二硝基水楊酸試劑，將配置好的3,5-二硝基水楊酸試劑儲(chǔ)存在棕色玻璃瓶中待用。

分別量取標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液(標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖濃度為1 mg/mL)0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL于15 mL的玻璃試管中，在玻璃試管中加入蒸餾水直至1.0 mL，分別加入2.0 mlDSN試劑中，在溫度為100℃的恒溫水浴鍋中沸煮2 min后，流水冷卻，再次加入蒸餾水直至15 mL，Alpha-1506型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在波長(zhǎng)分辨率為0.1 nm的條件下在540 nm的波長(zhǎng)條件下測(cè)定混合溶液的吸光度，此時(shí)測(cè)定的曲線(xiàn)為葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液曲線(xiàn)。將上述棉纖維水解后收集的硫酸溶液均稀釋到0.1～1.0 mg/mL，將稀釋后的溶液加入蒸餾水直至1.0 mL后，利用移液管將其移至15 mL的玻璃試管中，加入2.0 mL的DNS試劑，在恒溫水浴鍋中沸煮2 min，冷卻后加入蒸餾水直至15 mL，使用Alpha-1506型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在波長(zhǎng)分辨率為0.1 nm的條件下測(cè)試試樣在540 nm的吸光度。測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)照上述標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖曲線(xiàn)找出測(cè)試數(shù)據(jù)的mg/mL，從而計(jì)算硫酸水解棉纖維的生成還原糖質(zhì)量濃度。

1.3.3紅外光譜測(cè)試

將未經(jīng)水解處理的棉纖維與經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的硫酸處理150 min的棉纖維剪成纖維碎末后與溴化鉀混合均勻，制成溴化鉀壓片，利用IRsolution傅立葉變換紅外光譜儀對(duì)制成的溴化鉀壓片進(jìn)行掃描測(cè)試。IRsolution傅立葉變換紅外光譜儀測(cè)試參數(shù)設(shè)置：掃描波長(zhǎng)范圍為4000～400 cm-1，掃描分辨率為0.5 cm-1，掃描方式采取連續(xù)掃描，每個(gè)溴化鉀壓片試樣掃描的次數(shù)均為42次。

1.3.4X衍射

將未經(jīng)水解處理的棉纖維棉纖維與經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的硫酸處理150 min的棉纖維剪成纖維碎末后制成棉纖維碎末壓片，使用MiniFlex 600 臺(tái)式X射線(xiàn)衍射儀對(duì)棉纖維試樣壓片進(jìn)行X衍射掃描測(cè)試。MiniFlex 600 臺(tái)式X射線(xiàn)衍射儀掃描參數(shù)設(shè)置：光管電流為60 mA，光管電壓為60 kV，光管功率為2.2 kW，陶瓷X光管；Cu靶；Ni濾波；掃描范圍為5°～45°；Kα射線(xiàn)波長(zhǎng)為0.154 nm；掃描速度為2 °/min。

2　結(jié)果與討論

2.1棉纖維還原糖質(zhì)量濃度測(cè)定

棉纖維在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度的硫酸條件下處理不同時(shí)間的還原糖質(zhì)量濃度測(cè)定結(jié)果如表1所示。從表1的棉纖維還原糖質(zhì)量濃度測(cè)定結(jié)果可以看出，在相同的水解時(shí)間條件下，棉纖維還原糖質(zhì)量濃度隨著硫酸質(zhì)量濃度的增加而不斷增加。在相同的硫酸質(zhì)量濃度條件下，棉纖維還原糖質(zhì)量濃度隨著時(shí)間的增加而不斷增加。因此，可以得出結(jié)論，在硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～30%，水解時(shí)間30 min～150 min，棉纖維的水解程度與硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和水解時(shí)間呈現(xiàn)正相關(guān)性。

表1　棉纖維還原糖質(zhì)量濃度測(cè)定結(jié)果

注：表中的5%，10%，15%，20%，25%，30%分別代表在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，10%，15%，20%，25%，30%的硫酸處理?xiàng)l件下棉纖維還原糖質(zhì)量濃度(/g/L)

2.2紅外光譜

棉纖維紅外光譜曲線(xiàn)如圖1所示。從圖1可以明顯看出，水解前后紅外光譜曲線(xiàn)的吸收峰的峰的位置大致相同。在3380 cm-1附近的吸收峰是由于—NH2與—OH的伸縮振動(dòng)引起，相比未經(jīng)水解處理的棉纖維，經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%硫酸水解150 min的棉纖維的峰寬增大，這是由于經(jīng)過(guò)水解處理后，纖維素大分子被還原為葡萄糖，親水基團(tuán)增多，造成基團(tuán)之間氫鍵結(jié)合力增加而引起的。在2900 cm-1附近的吸收峰是由于C—H的伸縮振動(dòng)引起的，而在1640 cm-1附近的吸收峰是由于酰胺基團(tuán)的振動(dòng)引起的，而在1430 cm-1與1370 cm-1附近的吸收峰是由于C—H的彎曲振動(dòng)引起的，而在1160～1060 cm-1的吸收峰是由于C—O—C的伸縮振動(dòng)引起的。由此可知，經(jīng)過(guò)硫酸水解處理并未改變棉纖維纖維素Ⅰ的晶型結(jié)構(gòu)。

注：曲線(xiàn)a—未經(jīng)水解處理的棉纖維；曲線(xiàn)b—經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%硫酸水解150min的棉纖維

2.3X衍射

注：曲線(xiàn)a—未經(jīng)水解處理的棉纖維；曲線(xiàn)b—經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%硫酸水解150 min的棉纖維

3　結(jié)論

通過(guò)利用硫酸對(duì)棉纖維進(jìn)行水解表明，硫酸水解前后棉纖維晶型結(jié)構(gòu)保持纖維素Ⅰ不變，水解程度在硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～30%，水解時(shí)間在30～150 min范圍，隨著硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，水解時(shí)間的延長(zhǎng)，水解程度加大，但棉纖維結(jié)晶度隨著水解程度的增加而降低。

[1]莊新姝,王樹(shù)榮,袁振宏,等.纖維素超低酸水解產(chǎn)物的分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(2):177—182.

[2]李嘉喆,林鹿,孫勇,等.混酸水解纖維素的工藝研究[J].纖維素科學(xué)與技術(shù),2008,16(2):48—52.

[3]趙永亮,王衛(wèi)國(guó).正交試驗(yàn)法探討單酸降解纖維素的最佳條件[J].生物技術(shù), 2001,11(6):30—32.

[4]陳亞寧，陳昀.稀鹽酸水解棉纖維反應(yīng)過(guò)程的綜合研究[J].北京服裝學(xué)院學(xué)報(bào)，2010,30(2):23—28.

Hydrolysis with Sulfuric Acid Effected on the Performance of Cotton Fiber

LinYanping

(Jiangxi Institute of Fashion Technology, Nanchang 330201, China)

Sulfuric acid was used to hydrolyze cotton fiber to research molecular structure of cotton fiber impacted by sulfuric acid hydrolysis. Studies showed that crystal structure of cotton fiber remains the same before and after acid hydrolysis, hydrolysis degree of cotton fiber increased in 5% ～ 30% of mass fraction of sulfuric acid and 30 min ～ 150 min of hydrolysis time. However, the crystallinity of cotton fiber decreased with the hydrolysis degree increasing .

sulfuric acid;hydrolysis;cotton fiber;molecular structure

2015-07-29

江西省高等學(xué)校教學(xué)改革研究課題(項(xiàng)目編號(hào)：JXJG-13-26-7)

林燕萍(1982— )，女，四川瀘州人，講師。

TQ353

A

1009-3028(2015)06-0053-04