半纤维素论文..

半纤维素材料制备、表征及材料化的应用

摘要：

随着石油煤炭的日渐枯竭和环境的日益恶化，全球面临着经济可持续发展的压力。生物质是地球上最重要、最广泛的可再生资源，生物质资源俨然成为了国家和地区可持续发展的重要战略资源，以农作物秸秆（半纤维素）为代表的一类原料成为大家研究和开发的热点。本实验通过绝干玉米芯和菜籽秆粉状物与碱溶液kOH（80g/L）进行提取，提取时间为2h，收集温度75度。收集上清液后用乙酸-乙醇进行沉淀得到半纤维素沉淀物。沉淀物经大量的乙醇-水清洗得到纯净半纤维素然后进行半纤维素XRD、红外、GPC表征。通过表征现象可分析出半纤维素的基团、包含的单糖以及单糖的含量。

半纤维素材料化应用是通过传统凝胶方法在试管中与水和乙醇等溶剂在高温下进行物理作用形成温度敏感水凝胶。

关键词:半纤维素、表征、水凝胶

Abstrzact：As oil coal draining and worsening environment, the world faces the dual pressure of economic sustainable development and environmental protection. Biomass resources has become the important strategic resources for the sustainable development of countries and regions, with crop stalks (hemicellulose) as the representative of the raw material become the hotspot of research and development。

Key words：hemicellulose、Characterization、Hydrogel

第一章前言

1.1半纤维素的背景研究

近年来，由于环境污染、石化资源的枯竭问题，全世界已经面临着保护环境和经济可持续发展的双重压力。生物质资源是世界上丰富的可再生资源，也是人类生存和发展的物质保障。生物质是指水、空气土地和植物通过光合作用而产生的各种各样有机体，即所有可以生长有生命的有机物质统称为生物质。广义定义：所有的植物、微生物以及植物、微生物为食物的动植物及其生产的废弃物。农作物、农作物废弃物、木材废弃物以及动物的粪便等等。狭义定义：主要说的是除了果实和粮食以外的树木、秸秆木质纤维素以及畜牧业中禽畜粪便和废弃物等物质。生物质的优点是：较低污染性、再生性以及广泛的分布性。农林废弃生物质中主要组分是半纤维素、木质素、纤维素，生物质中三者的含量占总量的90%以上。据科学统计农林废弃物每年产量就有15亿吨，其中秸秆的年产量就为7亿吨，其中包括2.3亿吨稻草、1.2亿吨小麦秸秆、4.2亿吨其他类秸秆。但是以上的资源均未得到合理利用，其中包括直接焚烧，造成环境污染的同时更严重增加了PM2.5的排放。充分有效合理的利用生物质资源尤其是农林废弃物资源已经成为解决全世界环境与资源压力的迫切问题。

1.1.1半纤维素的定义与结构特性

半纤维素是由不同类型的几种单糖构成的异质多聚体，这些糖是五碳糖和六碳糖，其中包括葡萄糖、木糖、阿拉伯糖等。植物细胞壁中的木素与纤维素是通过聚糖混合物作为介质紧密贯穿在一起的，而这种聚糖被称为半纤维素，主要分布在纤维细胞的的次生壁。植物细胞壁中的半纤维素与纤维素有很大的不同，半纤维素是非均一聚糖，是由不同的单糖基通过不同方式连接形成各不相同结构的聚糖。糖单元其中包括L-阿拉伯糖、D-葡萄糖、D-木糖、D-半乳糖等。由于结构十分复杂，很受得到充分的利用，造成很大的浪费。半纤维素是标准的无定形区结构且聚合度较低一般为150-200，易吸水膨胀。容易发生酸性溶解、碱性降解、氧化降解等。分离得到的半纤维素溶解度一般比天然状态的半纤维素要高的多。准确的说，植物中得到的半纤维素，主要以木聚糖为主链，重复单元上糖苷键及两个反应活性较高的羟基为半纤维素的化学改性提供了可能的途径，例如半纤维素的醚化、酯化改性等。到目前为止半纤维素的研究，如分离、改性受到国内外学者的密切青睐。本实验主要通过碱处理方法从菜籽秆和玉米芯中提取半纤维素。

1.1.2半纤维素的分布与分类

半纤维素广泛存在植物中，乔本科草类和阔叶材含有15%-35%的半纤维素，针叶材植物中包含15%-20%的半纤维素，但是由于植物种属、早晚材、成熟程度、细胞形态学部位的不同其分布有很大的差异。例如针叶材植物中主要半纤维素类型是聚半乳糖葡萄甘露糖类，而阔叶材植物中半纤维素的类型却是聚木糖类。半纤维素是生物质组成之

一，存在所有的植物细胞壁中，其含量占植物中30%左右。据有关资料表明每年植物本身制造的半纤维素有35亿吨以上，是地球上最廉价，最丰富的可再生之源之一。半纤维素一般情况下分为三类，即聚木糖类、聚半乳糖葡萄甘露糖类以及聚葡萄甘露糖类。

聚木糖类：以1,4-β-D－吡喃型木糖构成主链，以4－氧甲基－吡喃型葡萄糖醛酸为支链的多糖, 结构分子式如下：分子式中Xβ为β-D-吡喃型木糖基；(H3CO)4GA为4-氧甲基-吡喃型葡萄糖醛酸基。

聚葡萄甘露糖类：分子式是由吡喃型甘露糖基和D－吡喃型葡萄糖基以1,4-β型连接成主链的，然而另一种聚半乳糖葡萄甘露糖类则往往不同于聚葡萄甘露糖类，不同之处在于还有 D－吡喃型半乳糖基作为支链的形式以1,6-α型连接到此主链上的若干D-吡喃型甘露糖基和D－吡喃型葡萄糖基上形成的，两种糖类分子式如图所示：

1.2半纤维素的提取

半纤维素来源的途径主要是从木质纤维类材料中分离得到制备半纤维素的方法有很多种，例如高温液态水、烯酸、碱液提取等等这三种提取方法有利有弊，例如烯酸、高温液态水提取方法成本很低，而且对纤维素结构的破坏较小，由于这种优点因此成为学者研究较多的提取方法，但是高温液态水、烯酸提取反应温度条件很高，得到的半纤维素水解后的产物大部分是寡糖，不利于进一步的研究。碱性提取