甘蔗渣制备纳米纤维素南京林业大学毕业设计.docx

甘蔗渣制备纳米纤维素南京林业大学毕业设计.docx

《甘蔗渣制备纳米纤维素南京林业大学毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《甘蔗渣制备纳米纤维素南京林业大学毕业设计.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

甘蔗渣制备纳米纤维素南京林业大学毕业设计

南京林业大学

本科毕业设计（论文）

题目：

纳米纤维素的制备和应用

学院：

南方学院

专业：

高分子材料与工程

学号：

n070804223

学生姓名：

叶征涛

指导教师：

龙剑英

职称：

讲师

二0一一年六月三日

纳米纤维素的制备和应用

摘要：

通过碱处理、漂白、硫酸水解、超声波分散甘蔗渣制备纳米纤维素,分析溶液浓度、反应温度和水解时间对纳米纤维素得率的影响,优化了实验参数。

用粒度分析仪和红外分析仪进行了分析。

结果表明,当使用4%NaOH，80℃反应4h做碱解条件,选用用1%H2O280℃反应40min做漂白条件；选用50%浓硫酸降解温度在40℃，反应时间为4h，所得产品性能最好，产率最高，分子分布粒度最细。

在试验过程中选用不同的实验过程和方案，根据实验数据得到最佳实验方案，增加其工业生产效率。

阐述纳米纤维素是一种新型的高分子功能材料，具有独特的结构和优良的性能，并介绍了纳米纤维素在医学、药学、增强剂、造纸工业等方面的应用。

关键词：

甘蔗渣；纳米纤维素；酸解；制备、尺寸分布、超声波分散。

Abstract

Byalkalitreatment,bleaching,acidhydrolysis,ultrasonicdispersionbagassecellulosenanoanalysissolutionconcentration,reactiontemperatureandhydrolysistimeontheyieldofnano-fiber,optimizingtheexperimentalparameters.Withaparticlesizeanalyzerandinfraredanalyzerswereanalyzed.Theresultsshowedthatwhenusing4%NaOH,80℃4hmakealkalinehydrolysisreactionconditions,thechoiceofreactionwith1%H2O280℃40mintodobleachingconditions;50%concentratedsulfuricacidusedinthedegradationtemperatureof40℃,reactiontimewas4h,thebestperformancefromWell,thehighestyield,molecularsizedistributionofthemostdetailed.Inthetest,choosedifferentexperimentalprocessandplan,accordingtoexperimentaldatareceivedthebestexperimentscheme,increaseitsindustrialproductionproductionefficiency.Papernanocelluloseisakindofnewfunctionalpolymericmaterials,hasauniquestructureandgoodperformance,andintroducedthenanocelluloseinmedicalandpharmaceutical,strengtheningagent,papermakingindustryareintroduced.

keyword：

Bagasse、NNC、acidsolution、preparation、sizedistribution、Ultrasonicdispersion

目录

第一章前言1

1.1原料简介1

1.1.1甘蔗渣1

1.1.2纤维素1

1.1.3用甘蔗渣制备NCC的意义2

1.1.4NCC的特性2

1.2NCC的制备方法3

1.2.1水解法制备【9】3

1.2.2机械法制备4

1.2.3生物法制备5

1.3NCC的应用5

1.3.1生物应用5

1.3.2医学应用6

1.3.3增强剂7

1.3.4造纸工业7

1.3.5无机物复合8

1.4课题研究的内容、目的及意义8

1.4.1研究目的8

1.4.2研究意义8

1.5纳米纤维素晶体应用的发展趋势及展望9

第二章甘蔗渣制备纳米纤维素11

2.1实验部分11

2.1.1原料11

2.1.2实验器材11

2.2实验流程图11

2.3实验试剂选择11

2.4实验方法12

2.4.1除木质素12

2.4.2木质素含量测定12

2.4.3结果讨论：

14

2.5漂白15

2.5.1结果讨论15

2.6降解16

2.6.1持水力测定方法16

2.6.2膨胀力测定方法16

2.6.3结果讨论17

2.7超声波分散18

2.8使用纳米粒度分析仪测试各产品的粒度大小19

2.9红外光谱图分析19

第三章结论21

致谢22

参考文献23

第一章前言

1.1原料简介

1.1.1甘蔗渣

　　蔗渣是甘蔗糖业的副产物,其纤维素含量一般都在46%以上,是一种丰富的天然纤维素资源。

在我国,蔗渣资源十分丰富,据统计,我国每年产出蔗渣约1000多万吨,其中仅广西区年产蔗渣就有600多万吨【1-2】，长期以来,这么大数量的宝贵财富,目前有20%用于制作纸浆,还有80%只能作为锅炉燃料,尚未得到充分利用，非常可惜。

甘蔗渣的结构复杂，但其主要成分是纤维素，半纤维素，木质素。

其中半纤维素大约20.6%，木质素18.6%，纤维素的甘蔗渣里含量大约为35.6%【3】。

甘蔗渣里的木质素主要分布在表皮组织部分，它与半纤维素结合形成牢固的保护层，阻碍酶与纤维素的接触，使的甘蔗渣酶水解比较困难。

随着工业化的进展，大量煤和石油被消耗，造成了这些不可循环资源逐渐枯竭，也给环境带来严重污染，因此有必要寻找一种新的可再生能源代替化石类能源。

生物质是指以木质素、纤维素、半纤维素以及其他有机质为主的陆生植物和水生植物等，是一种可再生能源资源，它的利用前景非常可观。

甘蔗是人类迄今栽培量最高的一种作物。

甘蔗被提取甘蔗汁后会留下大量的甘蔗渣，据统计，我国每年甘蔗的种植面积约130M2,每年生产的甘蔗渣约900万t，但在国内，目前这些甘蔗渣还未得到充分利用，不仅造成了环境污染，还造成资源的浪费。

目前，甘蔗渣的重复利用已经取得一定成果，但由于甘蔗渣的结构复杂性，要实现其高效重复利用还存在一定的困难，因此，国内外有关甘蔗渣降解的研究尚未取得突破性进展。

国内外利用微生物和酶降解甘蔗渣的研究有比较多的报道，现将这方面研究进行综述，以便于更好的实现甘蔗渣的重复利用。

1.1.2纤维素

纤维素主要由植物的光合作用合成，是自然界取之不尽，用之不竭的可再生天然高分子。

近年来随着石油、煤炭储量的下降、石油价格的飞速增长、各国对环境污染问题的日益关注和重视，以及可再生资源在科技、医学、技术等方面的发展,纤维素的应用正愈来愈受到重视。

纳米纤维素（nanocrystallinecellulose，NCC）也被称为纤维素纳米晶体，是一种直径为1—100nm，长度为几十到几百纳米的刚性棒状纤维素与普通的非纳米纤维素相比，由于NCC的高纯度、高结晶度、高杨氏模量、高强度等特性，其在材料合成上展示出了极高的杨氏模量和强度等性能，加之其具有生物材料的轻质、可降解、生物相容及可再生等特性，使其在高性能复合材料中显示出巨大的应用前景【4-5】。

NCC的表面含有大量的羟基，使得其表面易于化学改性从而赋予表面不同的特性,通过表面改性能够提高其在疏水性基质材料中的分散性，扩大了纳米纤维素的应用范围。

1.1.3　用甘蔗渣制备NCC的意义

将甘蔗渣经一定处理,通过化学反应,制备成附加值很高的NCC,不仅经济效益十分显著,而且具有社会效益和环境效益。

尤其在广西这样的糖业大区,更具有特殊的意义。

纤维素粉是一种具有较高的持水力、膨胀力的高活性膳食纤维,它作为一种功能性食品基料对人体具有保健作用。

在肠道内,非水溶性纤维素粉可以迅速吸水膨胀,能够明显地改善肠胃功能,促进肠胃的蠕动,预防便秘,并像吸水海绵一样,吸附脂肪和胆固醇,将其中一部分裹携,随粪便排出体外,从而减少脂肪和胆固醇的吸收。

这一作用对于肥胖、高血脂症、高胆固醇血症、糖尿病、高血压、心脑血管疾病和胆结石者十分有益。

另一方面,纤维素粉可以作为非营养性原料,用于制造低脂肪或无脂肪食物,同时还可以作为组织改进剂、分散剂、稳定剂改善食品的品质、性能及口味,是一种具有广泛用途的食品添加剂。

1.1.4NCC的特性

纳米纤维素是生物高聚物增强相,具有其他增强相无可比拟的特点:

第一,源于光合作用,可安全返回到自然界的碳循环中；第二,具有非常高的强度,杨式模数和张应力比纤维素有指数级的增加,与无机纤维相近,碳纳米管是迄今能生产的强度最高的纤维,而纳米纤维的强度约为碳纳米管强度的25%,纤维素纳米纤维有取代陶瓷和金属的潜质；第三,比表面积巨大,表面能和活性的增大产生了小尺寸、表面或界面、量子尺寸、宏观量子隧道等效应,在化学、物理（热、光、电磁等）性质方面表现出特异性,会明显改变材料的电学、光学、磁力学、绝缘性甚至超导性。

天然纤维素纤维中可以分离得到两种纳米纤维素【6-7】:

网状的纤维素微纤丝和棒状的纤维素晶须（CNW）。

微纤丝被认为是植物纤维中最小的结构单元,它由成束的高强度和高杨氏弹性模量的纤维素分子链通过氢键组成。

一个微纤丝由多个基元原纤丝聚集而成。

基元原纤丝由于来源不同直径在2～20nm,其中分布着结晶的纤维素晶体和无定型的纤维素高分子。

CNW即基元原纤丝中的结晶区经分离后得到的纳米级晶体,晶体结构高度有序,为天然或合成高分子的最高等级,其机械强度接近于原子的键合力,它所具有的机械性能远远超出现在使用的绝大多数增强材料。

CNW作为增强相加入有机高聚物基体中复合形成的材料属于分子复合材料,分子复合材料所选择的增强相分子必须是刚性棒状结构,其最重要的特征是硬段分子在柔性基体中的分散横向尺寸一般应小于5nm,其性能要有明显的协同增强效果,相应具有高长径比、高强度高模量等特点,CNW的特性完全附合分子复合材料增强相的要求。

分子复合材料的界面是超微观的可达到分子水平,消除了增强相与基体的界面粘结热膨胀系数的不匹配等问题,充分发挥刚棒状分子增强相内在的力学及高温环境稳定等特性【8】。

1.2NCC的制备方法

1.2.1水解法制备【9】

酸水解可将纤维素的无定形区除去，在减小了微晶纤维素尺寸的同时，制备出具有高结晶度的纤维素，纤维素的超分子结构是由结晶区和无定形区交错结合的体系，将天然纤维素对强度贡献大的100—200nm范围的结晶区通过化学法分离出来NCC通过化学水解法制备NCC，可以在制备的同时对纤维素进行表面改性同时，通过改变水解浓度、水解温度、水解时间等条件对NCC的尺寸大小和结晶度等指标进行可控的制备，由于化学酸水解过程需要强酸水解，因此对反应设备要求，而且反应后的残留物较难回收。

1.2.2机械法制备

机械法制备NCC通常是对纤维素进行高压的机械处理，使得纤维发生切断和细纤维化