羧甲基半纤维素纸页增强及其荧光复合膜性能

发布时间：2020-08-21 22:59

【摘要】：生物质资源具有储量丰富、环境友好、可再生等优点,近年来在生物、医药、食品、化学品等领域受到极大的关注。其中,半纤维素是第二丰富的植物生物质类多糖化合物,其结构复杂、种类繁多。半纤维素中官能团丰富、反应活性强,在食品包装、废水处理、纸页增强、药物缓释等方面显示了广阔的应用前景。虽然羧甲基半纤维素已经被证明在纸页增强剂方面具良好的效果,但半纤维素组分复杂,不同半纤维素组分羧甲基化对纸页力学性能的影响仍然是不清楚。因此,揭示半纤维素组分对纸页的增强效果有助于更好地利用半纤维素。同时,羧甲基半纤维素较低的分子量也限制了其在功能膜材料中的应用。本论文针对半纤维素组分差异性及影响问题,系统研究了不同组分对羧甲基化学改性及对二次纤维纸页增强效果的影响与机制;在此基础上,研究了半纤维素碳量子点的制备与理化性能,并探讨了碳量子点对羧甲基半纤维素膜的增强性能。研究内容如下:1.通过碱-乙醇分级沉淀方法从玉米芯中分离出四种半纤维素组分,分别研究了四种组分的理化结构对羧甲基化学改性的影响和对二次纤维纸页的增强效果。实验结果表明,支链更少的半纤维素组分在乙醇溶液中溶解性更低。15%乙醇沉淀的半纤维素组分HC_(15%)的支链结构少,很难进行羧甲基化改性;而高浓度75%乙醇沉淀的半纤维素组分HC_(75%)由于支链结构较多,更易发生羧甲基化。30%乙醇沉淀出的半纤维素组分具有较少的支链,且分子量最大,当被羧甲基改性后,对纸页强度的增强效果最明显,仅1%含量即可使纸页的抗张指数、耐破指数和抗张能量吸收指数分别提高27.8%、29.5%和40.6%。2.以半纤维素为原材料,提出一种简单、高效的荧光碳量子点的制备方法(水热焦碱性氧化分解法)。与目前从生物质水热悬浮液得到碳量子点的低得率方法不同,该方法可将大量的水热焦高效、高得率转变为碳量子点,得率可达42.5%(基于生物质)和99.0%(基于水热焦)。碳量子点的理化性能可通过反应温度来调节,其中荧光量子效率高达16.6%。研究表明量子效率与碳量子点表面官能团和碳核中共轭π域有关。此外,所制备的碳量子点溶液荧光够被Cu~(2+)特异性猝灭,且在0-30μmol L~(-1)成线性关系,检测限为85 nmol L~(-1)。因此,碳量子点能够做为Cu~(2+)的纳米荧光探针。3.以羧甲基化半纤维素为基体、聚乙烯醇和半纤维素碳量子点为添加剂,通过溶液浇铸成膜法制备了具有优异紫外光屏蔽功能的绿色、可降解复合膜,并探讨了碳量子点对复合膜的紫外光屏蔽效果以及机械性能的影响。结果表明,碳量子点在复合膜中均匀分散,与半纤维素发生化学反应形成稳定的化学键,有效提高了半纤维素/聚乙烯醇复合膜的机械性能。当碳量子点含量为1.92%时,抗张强度和弹性模量分别提高了114.3%和90.7%,而断裂伸长率则没有明显的变化。此外,碳量子点在复合膜中仍然具有明显的荧光特性,具有典型的激发与发射光谱,能够有效吸收紫外光,并转化成蓝绿光,且随着碳量子点含量增加,转化效果增强。此外,制备的复合膜具有良好的透明性好。因此,该复合膜有望用于农业与食品领域中。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q77
【图文】：

糖醛酸,半纤维素,单糖,结构式

部分半纤维素还含有糖醛酸如半乳糖醛酸和葡糖醛酸等，部分糖及糖醛酸结构如图1-1 所示。按照含有的主要单糖不同，半纤维素被分为四种类型，分别是木聚糖、甘露聚糖、β -葡聚糖和木糖葡聚糖[10]。图 1-1 半纤维素中主要单糖及糖醛酸结构式Fig.1-1 The structure of mainly monosaccharide in hemicellulose.1.2.1.1 木聚糖类半纤维素木聚糖是最常见的半纤维素。根据不同植物中提取的结构不同，木聚糖可分为均聚木聚糖和杂化木聚糖。藻类植物的木聚糖是一种均聚高分子，它是木糖通过β -（1-3）糖甘键或β -（1-3,1-4）糖甘键按一定顺序连接而成的高分子[11]。而从双子叶植物（如黄麻、树皮等）提取的葡萄糖醛酸木聚糖是在主链木糖单元的二号位上接枝了 4-O-甲基-α -D-葡萄糖醛酸，形成的带有支链的高分子，称为杂聚木聚糖。杂聚木聚糖如（阿拉伯）葡糖醛酸木聚糖（AGX）是甲基葡萄糖醛酸和α -L-阿拉伯糖连接在β -（1-4）-D-吡喃木糖骨架 2 号位 C 上而形成的聚糖，它是草类和谷物类细胞壁中半纤维素的主要成分。另外一些由几种单糖连接的木聚糖类型的结构则更为复杂。木聚糖在双子叶植物中（硬木和草本植物）占生物质的 20-30%，在一些禾本植物和谷物中含量甚至高达 50%。木聚糖丰富的含量使其在制备可持续的绿色的生物高分子材料的研究中受到广泛关注。木聚糖的结构特点不同，其功能与应用也不一样。如小麦粉中提取的木聚糖可用于食品领域，作为面包的添加剂；还可以用来制作食品中的可食性复合膜[12]，?

分子量分布,半乳聚糖,速溶咖啡,阿拉伯

第一章绪论Ⅱ型阿拉伯半乳聚糖的结构，α -呋喃阿拉伯糖作为中间取代基团以单糖、二糖或三糖形式分别连接或者同时连接在 O2、O3 位上，如图 1-2 所示[23]。由于 AGs 具有分子量小、分子量分布窄以及溶液粘度低等特点，使其在蛋白质分离、药物载体等方面具有很大应用潜力。

示意图,半纤维素,组分,示意图

另外，碱性过氧化氢体系不会影响半纤维素的整体结构。Sun 等人氧化氢从稻草秸秆中高效分离出了半纤维素。研究认为，碱性溶液中的过氧，产生氧根离子（HOO-）或者羟基自由基（HO），使木质素结构发生氧化，导致木质素与半纤维素之间的化学键断裂。这种方法提取的半纤维素组成复杂，不利于其精细化利用[29]。Xu 等人[30]利用不同浓度 NaOH 和 KO淀出水溶性和碱溶性半纤维素组分。结果表明这些组分中单糖的组成和连量等各不相同。Bian 等人[31]通过 KOH 抽提、梯度乙醇沉淀从柠条中获得半纤维素，低浓度乙醇沉淀得到的半纤维素支链少，分子量高。Guan 等同浓度硫酸铵溶液从竹子中分级提取出多种组半纤维素，流程如图 1-3 所法目前仍然是半纤维素提取的主流方法，并且随着研究的深入，方法和体性，半纤维素的提取效率也越来越高。

【参考文献】