本文關(guān)鍵詞：酶解預(yù)處理氧化法制備納米纖維素的研究

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【摘要】：納米纖維素具有質(zhì)量輕、大長(zhǎng)徑比、高彈性模量和低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn),可用于制造納米復(fù)合材料,具有廣闊的應(yīng)用前景。本文中采用兩種纖維素酶對(duì)毛竹漿纖維進(jìn)行預(yù)處理,包括內(nèi)切纖維素酶(endoglucanase,EG)和酸性纖維素酶(acid cellulases,AC)。經(jīng)過預(yù)處理后的竹纖維通過TEMPO氧化法制得氧化纖維素(TEMPO-oxidized cellulose fibers,TOCs)。將TOCs超聲處理后離心分離出納米纖維素微纖絲(TEMPO-oxidized cellulose nanofibrils,TOCNs),將兩種酶對(duì)應(yīng)的TOCNs命名為EG-TOCNs和AC-TOCNs。通過單因子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地研究了預(yù)處理時(shí)間、NaClO用量和酶用量對(duì)TEMPO反應(yīng)的影響。對(duì)制備的納米微纖絲EG-TOCNs和AC-TOCNs采用多種手段表征,包括原子力顯微鏡(AFM)、粒徑分析(PSA)、傅里葉紅外光譜(FT-IR)和熱重分析(TG)。酶預(yù)處理后纖維結(jié)構(gòu)變得疏松,表面出現(xiàn)斷裂剝落,微纖絲暴露程度增大,可以促進(jìn)TEMPO反應(yīng)和微纖絲的分散。經(jīng)過酶預(yù)處理,氧化纖維素EG-TOCs和AC-TOCs的羧基含量都出現(xiàn)不同程度的提高,隨著預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng),羧基含量先升高后降低,而氧化纖維素得率先降低后升高,說明預(yù)處理超過一定時(shí)間后,纖維素可及度降低,導(dǎo)致氧化程度降低和氧化纖維素得率又重新上升。提出纖維素可及度平衡移動(dòng)模型來解釋酶預(yù)處理對(duì)羧基含量的影響,在纖維素酶預(yù)處理過程中,相對(duì)于TEMPO氧化體系存在著這樣一個(gè)平衡,即:酶對(duì)纖維素的降解引起的氫鍵網(wǎng)絡(luò)的破壞、微纖絲的開裂、晶區(qū)分子鏈的重新排列等會(huì)導(dǎo)致纖維素對(duì)TEMPO體系的可及度上升;纖維素降解造成纖維表面非晶區(qū)的減少,暴露在纖維表面C6伯醇羥基減少,TEMPO反應(yīng)向纖維內(nèi)部的非晶區(qū)移動(dòng),但纖維內(nèi)部致密的晶區(qū)又會(huì)阻礙反應(yīng)的進(jìn)行,引起纖維素對(duì)TEMPO體系的可及度減少。這兩種趨勢(shì)共同作用決定纖維素酶預(yù)處理后可及度上升與否,纖維素可及度上升則會(huì)促進(jìn)TEMPO反應(yīng)的進(jìn)行,導(dǎo)致羧基含量上升。TEMPO反應(yīng)受NaClO用量影響較大,隨著NaClO用量的增加,TEMPO反應(yīng)逐漸從纖維表面向纖維內(nèi)部的非晶區(qū)移動(dòng),從而導(dǎo)致微纖絲的暴露程度增大,有利于納米微纖絲的分離。在相同的NaClO用量情況下,AC酶預(yù)處理可以將納米微纖絲得率提高10%以上。運(yùn)用可及度平衡移動(dòng)模型成功解釋了酶用量對(duì)氧化纖維素羧基含量的影響,說明了模型的合理性。酶用量為10 IU時(shí),EG-TOCs和AC-TOCs羧基含量都出現(xiàn)了較大幅度的上升,兩者的羧基含量分別為1.61 mmol/g和1.64 mmol/g。繼續(xù)增加酶用量為30 IU和50 IU時(shí),不論是酶EG或酶AC,增加酶用量并沒有引起纖維素可及度的繼續(xù)上升,此時(shí)纖維素可及度處在一種近乎平衡的狀態(tài)。酶用量為10 IU-50 IU,EG-TOCNs得率逐漸增加,而AC-TOCNs得率基本保持不變,繼續(xù)增加酶用量為70 IU,EG-TOCNs得率出現(xiàn)降低,而AC-TOCNs得率出現(xiàn)上升。對(duì)比發(fā)現(xiàn),AC-TOCNs得率明顯高于EG-TOCNs,說明了不同的酶解特性對(duì)納米微纖絲的得率的影響是不同的。制備的納米微纖絲EG-TOCNs和AC-TOCNs寬度為5-20 nm,且預(yù)處理后納米微纖絲的總體長(zhǎng)度趨于減小。納米微纖絲TOCNs、EG-TOCNs和AC-TOCNs的熱穩(wěn)定性低于纖維原料,纖維素酶預(yù)處理對(duì)納米微纖絲的熱穩(wěn)定性沒有顯著影響。
【關(guān)鍵詞】：TEMPO 納米微纖絲 纖維素酶預(yù)處理 納米纖維素
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O636.11
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-19
• 1.1 引言11
• 1.2 納米纖維素11-17
• 1.2.1 納米微晶纖維素12-13
• 1.2.1.1 酸水解法12
• 1.2.1.2 生物酶解法12-13
• 1.2.2 納米纖維素微纖絲13-17
• 1.2.2.1 高壓均質(zhì)法13-14
• 1.2.2.2 低溫破碎法14
• 1.2.2.3 TEMPO氧化法14-17
• 1.3 研究的目的、主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)17-19
• 1.3.1 研究的目的17-18
• 1.3.2 研究的主要內(nèi)容18
• 1.3.3 論文的創(chuàng)新點(diǎn)18-19
• 第二章 纖維素酶預(yù)處理制備納米纖維素微纖絲19-48
• 2.1 引言19
• 2.2 實(shí)驗(yàn)原料與試劑19-20
• 2.3 實(shí)驗(yàn)儀器20-21
• 2.4 實(shí)驗(yàn)方法21-25
• 2.4.1 纖維原料的準(zhǔn)備21
• 2.4.2 纖維素酶EG酶活的測(cè)定21-22
• 2.4.3 納米纖維素微纖絲的制備22-23
• 2.4.3.1 竹纖維酶解預(yù)處理22
• 2.4.3.2 TEMPO氧化竹纖維的制備22-23
• 2.4.3.3 納米纖維素微纖絲的制備23
• 2.4.3.4 單因子實(shí)驗(yàn)23
• 2.4.4 次氯酸鈉溶液中NaClO含量的測(cè)定23-24
• 2.4.5 氧化竹纖維羧基含量測(cè)定24
• 2.4.6 氧化纖維素和納米纖維素微纖絲得率的測(cè)定24-25
• 2.4.7 酶解竹纖維和氧化竹纖維的形貌觀察25
• 2.4.8 酶解竹纖維X-射線衍射分析25
• 2.5 結(jié)果與討論25-45
• 2.5.1 毛竹粉和毛竹漿化學(xué)成分分析25-26
• 2.5.2 纖維素酶EG酶活測(cè)定26-27
• 2.5.3 預(yù)處理時(shí)間對(duì)TEMPO氧化體系的影響27-37
• 2.5.3.1 預(yù)處理竹纖維微觀形貌27-31
• 2.5.3.2 不同預(yù)處理時(shí)間對(duì)纖維素結(jié)晶度的影響31-33
• 2.5.3.3 不同預(yù)處理時(shí)間對(duì)羧基含量的影響33-35
• 2.5.3.4 不同預(yù)處理時(shí)間對(duì)EG-TOCs和EG-TOCNs得率的影響35-36
• 2.5.3.5 不同預(yù)處理時(shí)間對(duì)AC-TOCs和AC-TOCNs得率的影響36-37
• 2.5.4 NaClO用量對(duì)TEMPO氧化反應(yīng)的影響37-43
• 2.5.4.1 氧化竹漿纖維微觀形貌38-40
• 2.5.4.2 NaClO用量對(duì)羧基含量的影響40-41
• 2.5.4.3 NaClO用量對(duì)EG-TOCs和EG-TOCNs得率的影響41-42
• 2.5.4.4 NaClO用量對(duì)AC-TOCs和AC-TOCNs得率的影響42-43
• 2.5.5 纖維素酶用量對(duì)TEMPO氧化反應(yīng)的影響43-45
• 2.5.5.1 酶用量對(duì)羧基含量的影響44
• 2.5.5.2 酶用量對(duì)EG-TOCNs和AC-TOCNs得率的影響44-45
• 2.6 小結(jié)45-48
• 第三章 納米纖維素微纖絲的表征及分析48-56
• 3.1 引言48
• 3.2 實(shí)驗(yàn)原料48
• 3.3 實(shí)驗(yàn)儀器48
• 3.4 樣品表征48-49
• 3.4.1 形貌觀察48-49
• 3.4.2 粒徑分析49
• 3.4.3 傅里葉紅外光譜分析49
• 3.4.4 熱重分析49
• 3.5 結(jié)果與討論49-55
• 3.5.1 形貌觀察49-51
• 3.5.1.1 宏觀形貌分析49-50
• 3.5.1.2 微觀形貌分析50-51
• 3.5.2 粒徑分析51-52
• 3.5.3 傅里葉紅外光譜分析52-53
• 3.5.4 熱重分析53-55
• 3.6 小結(jié)55-56
• 第四章 結(jié)論與展望56-58
• 4.1 結(jié)論56-57
• 4.2 展望57-58
• 參考文獻(xiàn)58-63
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文63-64
• 致謝64

【相似文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1120150