酶法纳米纤维素及其荧光复合膜的研究
发布时间：2020-07-13 12:07
【摘要】：本研究针对目前研究中机械处理或酸水解结合制备纳米纤维素(cellulose nanofibrils,CNF),存在产率低、制备时间长、耗能大以及环境污染大等问题,采用酶处理法与超声空化技术相结合,先通过酶预处理,使纤维素分子链发生部分断裂,进一步在超声波空化作用下解离出纳米尺度的纤维素,实现了纳米纤维素的绿色、高效制备。再将酶法纳米纤维素通过高碘酸钠的高度特异性氧化,制备2,3-二醛基纳米纤维素(dialdehyde-based cellulose nanofibrils,DNF),为后续接枝氨基提供了活性位点。另外一方面,采用碳基材料作为发光源制备发光膜,以壳聚糖为碳源通过水热法制备碳点(carbondots,CDs),鉴于双醛基纳米纤微素的醛基与明胶的氨基交联构筑基于席夫碱键的高强度荧光复合膜。论文的主要内容与结果如下:(1)采用纤维素酶预处理辅助超声空化作用方法,在温和条件下,制备得到以纤维素纳米纤维(CNF)为主的纳米纤维素。通过探究酶用量、酶解温度、酶解时间、超声时间等因素,得到纳米纤维素的最佳制备条件:在酶用量8%(纤维素酶与竹浆纤维的质量比)、酶解温度50℃、酶解时间10h、超声时间6h的条件下制备的纳米纤维素得率高达62.6%。(2)制备得到的CNF直径约为2-24nm,长度约为50-450nm。由XRD结果可知制备的纳米纤维素仍属于纤维素Ⅰ型,CNF结晶度为73%,说明纤维素酶预处理辅助超声空化作用下,纤维素的酶解过程在温和条件下进行,对结晶区的破坏力度低。热重分析表明,纳米纤维素在700℃后仍有高达15.3%的残余率,其对耐热性要求较高的生物复合材料领域具有潜在应用。(3)通过高碘酸钠的高度特异性氧化制备双醛基纳米纤维素(DNF),在m高碘酸钠:m纳米纤维素=2:1、反应时间12h、氧化温度45℃的条件下,DNF的醛基含量5.326mmol/g,即氧化度42.6%。(4)水热法合成壳聚糖碳点,在水热温度200℃、水热时间9h、壳聚糖溶解浓度2%的条件下,碳点的量子产率为32.86%。对金属离子的选择性研究表明,碳点对Fe3+感应最灵敏。(5)对基于席夫碱键的DNF/明胶/CDs荧光复合膜进行研究,结果表明:当DNF添加量为1%时(DNF与明胶的质量比),拉伸强度高达70.5MPa,较未添加DNF的荧光膜(拉伸强度为35.1MPa)提升2倍。且荧光复合膜表现出良好的荧光稳定性,并对一定浓度范围内的Fe3+(0-150μM)的荧光猝灭效率呈线性响应。
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O636.11;TB383.2
【图文】：
１．１．１酶解法制备纳米纤维素逡逑纤维素酶法水解是利用纤维素酶的反应专一性，选择性酶解纤维素的非晶区逡逑以及有缺陷的结晶区，最终获得纳米纤维素［２１］，酶解处理过程如图１－１所示。在逡逑此过程中，可能发生表面腐蚀、剥离、纤维化和切割［２２］，从而降低纤维素分子的逡逑聚合度。酶解法为低能耗的绿色过程，不仅可以提高产品的质量及纯度，还可以逡逑减少化学品用量，通过设计合理的酶解制备纳米纤维素工艺，可以实现环境零污逡逑染或低污染，再加上酶解反应在温和条件下进行，可获得性能良好的纤维素纳米逡逑纤产物。而且酶本身为可再生物质，这对于高效利用可再生资源及保护环境具有逡逑重要意义。逡逑Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ邋ｆｉｂｅｒ邋ｉｎ邋ｅｎｚ）Ｔｎｃ邋ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ逡逑Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ邋ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑图１－１酶预处理过程的示意图以及ＣＮＦ通过酶预处理和研磨制备的ＴＥＭ图像，？纤维素纤维逡逑在酶解液中的形态和结构馍式［２３］逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｅｎｚｙｍａｔｉｃ邋ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ邋ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ＴＥＭ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ逡逑ＣＮＦ邋ｂｙ邋ｅｎｚｙｍａｔｉｃ邋ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ邋ａｎｄ邋ｇｒｉｎｄｉｎｇ．邋Ｔｈｅ邋ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ邋ａｎｄ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｓｃｈｅｍａｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ逡逑ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ邋ｆｉｂｅｒｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｅｎｚｙｍａｔｉｃ邋ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ邋［２３］逡逑Ｈａｙａｓｈｉ等用纤维素酶水解两种晶型的纤维素ｌａ和Ｉｐ，发现纤维素ｌａ纤逡逑维素优先被木霉纤维素酶水解
１．１．２机械法制备纳米纤维素逡逑纳米纤维素可以通过机械方法从木质纤维素中分解纤维素而获得［２８］，通过逡逑不同机械方法分离的纳米纤维素的扫描电镜图如图１－２所示［２９］。陈文帅等［３（）１利用逡逑超声波植物细胞粉碎机的高强度超声波空化作用（超声功率１２００Ｗ），制备得到了逡逑尺寸分布均匀的高长径比、网状缠结的杨木木粉纤维素纳米纤丝，证明高强度超逡逑声波处理有利于促进纤维素纤丝化。Ｔａｎｇ等［３１］和Ｌｕ等［３２］均采取催化剂结合超逡逑声处理，分别选取离子交换树脂和氯化铁作为催化剂，获得的棒状纳米纤维素逡逑和巨菌草纳米纤维素，产物均表现出较好的稳定性，进一步说明超声波活化作用逡逑在纳米纤维素的制备过程中发挥较大的作用。超声波对由２，２，６，６－四甲基哌啶－１－逡逑氧基（ＴＥＭＰＯ）氧化的漂白硬木牛皮纸浆制备的纳米纤维素性质具有显著影响，超逡逑＿＿逡逑ｗ：ｔ－逡逑图１－２纤维素的ＳＥＭ图：（Ａ）微晶纤维素（ＭＣＣ）；邋（Ｂ）在８０ＭＰａ下通过２０次均化的ＭＦＣ；邋（Ｃ）逡逑在ｌＯＯＯＭＰａ下通过５次微流化的ＭＦＣ；邋（Ｄ）通过９次微研磨的ＭＦＣ；邋（Ｅ）在ＰＦＩ研磨机中进行低逡逑温冲洗和处理后的漂白纸浆；（Ｆ）超声波衍生的纳米纤}赝义希疲椋纾澹保插澹樱牛湾澹恚椋悖颍铮纾颍幔穑瑁箦澹铮驽澹ǎ粒╁澹恚椋悖颍铮悖颍螅簦幔欤欤椋睿邋澹悖澹欤欤酰欤铮螅邋澹ǎ停茫茫澹ǎ拢╁澹停疲缅澹猓澹瑁铮恚铮纾澹睿椋幔簦椋铮铄义希簦瑁颍铮酰纾桢澹玻板澹穑幔螅螅澹箦澹幔翦澹福板澹停校
本文编号：2753448
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O636.11;TB383.2
【图文】：
１．１．１酶解法制备纳米纤维素逡逑纤维素酶法水解是利用纤维素酶的反应专一性，选择性酶解纤维素的非晶区逡逑以及有缺陷的结晶区，最终获得纳米纤维素［２１］，酶解处理过程如图１－１所示。在逡逑此过程中，可能发生表面腐蚀、剥离、纤维化和切割［２２］，从而降低纤维素分子的逡逑聚合度。酶解法为低能耗的绿色过程，不仅可以提高产品的质量及纯度，还可以逡逑减少化学品用量，通过设计合理的酶解制备纳米纤维素工艺，可以实现环境零污逡逑染或低污染，再加上酶解反应在温和条件下进行，可获得性能良好的纤维素纳米逡逑纤产物。而且酶本身为可再生物质，这对于高效利用可再生资源及保护环境具有逡逑重要意义。逡逑Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ邋ｆｉｂｅｒ邋ｉｎ邋ｅｎｚ）Ｔｎｃ邋ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ逡逑Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ邋ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑图１－１酶预处理过程的示意图以及ＣＮＦ通过酶预处理和研磨制备的ＴＥＭ图像，？纤维素纤维逡逑在酶解液中的形态和结构馍式［２３］逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｅｎｚｙｍａｔｉｃ邋ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ邋ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ＴＥＭ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ逡逑ＣＮＦ邋ｂｙ邋ｅｎｚｙｍａｔｉｃ邋ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ邋ａｎｄ邋ｇｒｉｎｄｉｎｇ．邋Ｔｈｅ邋ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ邋ａｎｄ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｓｃｈｅｍａｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ逡逑ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ邋ｆｉｂｅｒｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｅｎｚｙｍａｔｉｃ邋ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ邋［２３］逡逑Ｈａｙａｓｈｉ等用纤维素酶水解两种晶型的纤维素ｌａ和Ｉｐ，发现纤维素ｌａ纤逡逑维素优先被木霉纤维素酶水解
１．１．２机械法制备纳米纤维素逡逑纳米纤维素可以通过机械方法从木质纤维素中分解纤维素而获得［２８］，通过逡逑不同机械方法分离的纳米纤维素的扫描电镜图如图１－２所示［２９］。陈文帅等［３（）１利用逡逑超声波植物细胞粉碎机的高强度超声波空化作用（超声功率１２００Ｗ），制备得到了逡逑尺寸分布均匀的高长径比、网状缠结的杨木木粉纤维素纳米纤丝，证明高强度超逡逑声波处理有利于促进纤维素纤丝化。Ｔａｎｇ等［３１］和Ｌｕ等［３２］均采取催化剂结合超逡逑声处理，分别选取离子交换树脂和氯化铁作为催化剂，获得的棒状纳米纤维素逡逑和巨菌草纳米纤维素，产物均表现出较好的稳定性，进一步说明超声波活化作用逡逑在纳米纤维素的制备过程中发挥较大的作用。超声波对由２，２，６，６－四甲基哌啶－１－逡逑氧基（ＴＥＭＰＯ）氧化的漂白硬木牛皮纸浆制备的纳米纤维素性质具有显著影响，超逡逑＿＿逡逑ｗ：ｔ－逡逑图１－２纤维素的ＳＥＭ图：（Ａ）微晶纤维素（ＭＣＣ）；邋（Ｂ）在８０ＭＰａ下通过２０次均化的ＭＦＣ；邋（Ｃ）逡逑在ｌＯＯＯＭＰａ下通过５次微流化的ＭＦＣ；邋（Ｄ）通过９次微研磨的ＭＦＣ；邋（Ｅ）在ＰＦＩ研磨机中进行低逡逑温冲洗和处理后的漂白纸浆；（Ｆ）超声波衍生的纳米纤}赝义希疲椋纾澹保插澹樱牛湾澹恚椋悖颍铮纾颍幔穑瑁箦澹铮驽澹ǎ粒╁澹恚椋悖颍铮悖颍螅簦幔欤欤椋睿邋澹悖澹欤欤酰欤铮螅邋澹ǎ停茫茫澹ǎ拢╁澹停疲缅澹猓澹瑁铮恚铮纾澹睿椋幔簦椋铮铄义希簦瑁颍铮酰纾桢澹玻板澹穑幔螅螅澹箦澹幔翦澹福板澹停校
本文编号：2753448
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