本文關(guān)鍵詞：甘蔗渣均相化學(xué)改性及其材料制備

  更多相關(guān)文章： 甘蔗渣 化學(xué)改性 離子液體 生物質(zhì)材料 生物質(zhì)轉(zhuǎn)化

【摘要】：以植物纖維形式存在的木質(zhì)纖維生物質(zhì)資源是世界上最豐富的綠色可再生資源,可用于替代傳統(tǒng)的化石資源作為未來(lái)工業(yè)原材料。在過(guò)去的幾十年里,已有大量的研究將木質(zhì)纖維生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)液體燃料、生物質(zhì)平臺(tái)化合物等。盡管生物質(zhì)精煉的研究已取得了一系列的進(jìn)展,然而目前木質(zhì)纖維生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的研究主要集中于生物質(zhì)化學(xué)品以及生物質(zhì)能源,鮮有報(bào)道將木質(zhì)纖維生物質(zhì)直接作為材料替代合成聚合物在材料工業(yè)的應(yīng)用。生物質(zhì)材料研究的主要障礙在于生物質(zhì)復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及極小的加工窗口。近年來(lái),研究人員開(kāi)發(fā)了幾類木質(zhì)纖維生物質(zhì)全組分的溶劑系統(tǒng),包括離子液體、二甲基亞砜/氯化鋰、二甲基亞砜/N-甲基咪唑等,這些新型溶劑系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)為木質(zhì)纖維生物質(zhì)資源的利用提供全新的途徑。本論文研究了甘蔗渣的均相化學(xué)改性以及采用溶液加工的方法制備了甘蔗渣新型材料。研究了在離子液體1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽中、無(wú)催化劑條件下馬來(lái)酸酐對(duì)甘蔗渣的均相化學(xué)改性,成功的把羧基基團(tuán)引入到甘蔗渣中。優(yōu)化了馬來(lái)酸酐用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等反應(yīng)條件,以達(dá)到最佳反應(yīng)效果。采用產(chǎn)物重量增加百分比(WPG)表示馬來(lái)酸酐對(duì)甘蔗渣的改性程度。研究發(fā)現(xiàn),增加馬來(lái)酸酐的用量可以有效地提高WPG。把反應(yīng)溫度由50 oC提高到110 oC,WPG由7.0%提高到25.8%,但進(jìn)一步將溫度提高反應(yīng)溫度到130 oC會(huì)導(dǎo)致WPG降低。在110 oC下,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為60 min時(shí),WPG達(dá)到最大值44.1%。FT-IR以及固體CP/MAS 13C NMR分析表明,甘蔗渣中木素、纖維素和半纖維素三大組分同時(shí)參與了與馬來(lái)酸酐的酯化反應(yīng)。XRD研究表明,均相化學(xué)改性后,甘蔗渣的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞,結(jié)晶度下降。甘蔗渣纖維素結(jié)晶變體形態(tài)沒(méi)有發(fā)生改變。TGA/DTG研究結(jié)果表明,在300 oC以下,改性甘蔗渣的熱穩(wěn)定性下降;在300 oC以上,改性甘蔗渣的熱穩(wěn)定性則增加。研究了甘蔗渣在離子液體1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽中與環(huán)狀酸酐的均相酯化反應(yīng)。甘蔗渣酯化改性程度可以通過(guò)調(diào)整環(huán)狀酸酐的用量控制。采用馬來(lái)酸酐、丁二酸酐和鄰苯二甲酸酐在1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽中對(duì)甘蔗渣改性,最高WPG分別可以達(dá)到184%、98.1%和147%。FT-IR和固體CP/MAS 13C NMR光譜研究結(jié)果表明,甘蔗渣的均相酯化改性順利的進(jìn)行并生成相應(yīng)的酯。采用TGA/DTG方法研究了均相酯化改性對(duì)甘蔗渣熱穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明,在1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽中采用環(huán)狀酸酐對(duì)甘蔗渣進(jìn)行均相化學(xué)改性會(huì)降低甘蔗渣的熱穩(wěn)定性。研究了離子液體1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽中甘蔗渣與丙烯酸酯的均相接枝共聚反應(yīng),合成了甘蔗渣接枝聚丙烯酸酯吸油材料。通過(guò)調(diào)整丙烯酸酯的用量在1 m L/g~4 m L/g控制甘蔗渣均相接枝共聚改性的程度。接枝共聚改性后,甘蔗渣的吸油率明顯提高。其中,甘蔗渣接枝聚丙烯酸甲酯共聚物具有最高的吸油效率,對(duì)機(jī)械油、花生油和柴油的最高吸油率分別達(dá)到采用11.2 g/g、10.6 g/g和5.96 g/g。采用FT-IR光譜對(duì)甘蔗渣接枝共聚物的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。在1735 cm-1處出現(xiàn)了C=O鍵的吸收峰,說(shuō)明甘蔗渣接枝共聚反應(yīng)的順利進(jìn)行。采用TGA/DTG的方法研究了接枝共聚改性對(duì)甘蔗渣熱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,均相接枝共聚改性會(huì)導(dǎo)致甘蔗渣的熱穩(wěn)定性降低。以二甲基亞砜/氯化鋰作為甘蔗渣全組分溶劑體系,在不添加任何助劑的情況,采用以下兩種途徑制備了甘蔗渣生物質(zhì)薄膜材料:1、以丙酮/水(體積比為9:1)作為凝固浴,室溫干燥得到甘蔗渣薄膜;2、甘蔗渣/二甲基亞砜/氯化鋰制膜液先采用冷凍預(yù)處理,以水作為凝固浴,室溫干燥得到甘蔗渣薄膜。采用FT-IR、紫外-可見(jiàn)光光譜、SEM、XRD以及拉伸測(cè)試的方法研究了甘蔗渣薄膜的物理化學(xué)性能。由于木素的存在,甘蔗渣薄膜是具有很強(qiáng)的紫外阻隔能力的淺黃色半透明材料。與纖維素/淀粉/木素復(fù)合薄膜材料相比,甘蔗渣薄膜材料具有較強(qiáng)的的機(jī)械力學(xué)性能。甘蔗渣薄膜的拉伸強(qiáng)度最高達(dá)到38.3MPa,楊氏模量最高達(dá)到2.32 Gpa。冷凍預(yù)處理過(guò)程中產(chǎn)生的物理交聯(lián)作用以及形成的微孔可以有效的增強(qiáng)材料的力學(xué)性能。這種方便快捷、環(huán)境友好的甘蔗渣加工方式為木質(zhì)纖維的高值化利用提供了全新的途徑。直接把木質(zhì)纖維生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高附加值材料的主要障礙有以下兩方面:1、木質(zhì)纖維生物質(zhì)資源的結(jié)構(gòu)復(fù)雜;2、木質(zhì)纖維生物質(zhì)資源的加工窗口窄。為了解決全甘蔗渣材料構(gòu)建的困難,本研究以二甲基亞砜/氯化鋰作為溶劑,對(duì)甘蔗渣進(jìn)行均相鄰苯二甲酸酯化改性處理,再采用溶液延流成膜的方法制備了甘蔗渣鄰苯二甲酸酯薄膜材料。采用FT-IR以及NMR光譜對(duì)甘蔗渣鄰苯二甲酸酯化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了確認(rèn)。HSQC研究結(jié)果表明,甘蔗渣中碳水化學(xué)物的C2、C3和C6位上的羥基均參與了化學(xué)反應(yīng)。采用拉伸測(cè)試和SEM研究了甘蔗渣鄰苯二甲酸酯薄膜的力學(xué)性能以及表面形貌。結(jié)果表明,隨著甘蔗渣鄰苯二甲酸酯的WPG從32.9%增加至126%,甘蔗渣鄰苯二甲酸酯薄膜的拉伸強(qiáng)度從30.6 MPa降低至3.55 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率從2.35%增加至21.7%。鄰苯二甲酸酐改性的甘蔗渣可以有效地溶解在有機(jī)溶劑中,提高了甘蔗渣材料的可加工性以及軟韌性,為甘蔗渣的利用提供了全新的途徑。以甘蔗渣為原料,直接制備了具有高比表面積和微孔體積的木質(zhì)纖維生物質(zhì)氣凝膠材料。其工藝流程如下:把甘蔗渣溶解在二甲基亞砜/氯化鋰中-把甘蔗渣溶液倒入模具中-進(jìn)行循環(huán)凍融處理-用水浸泡去除溶劑-溶劑交換(把水交換為乙醇)-溶劑交換(把乙醇交換為叔丁醇)-冷凍干燥-甘蔗渣氣凝膠。采用FT-IR、氮?dú)馕健EM和XRD研究了氣凝膠的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)以及表面形貌。結(jié)果表明,甘蔗渣氣凝膠是由片層結(jié)構(gòu)組成的三維孔狀網(wǎng)絡(luò)。其比表面積和總微孔體積最高分別可以達(dá)到185 m2/g和0.46 cm3/g。通過(guò)控制甘蔗渣在二甲基亞砜/氯化鋰溶液中的濃度,可以有效地控制甘蔗渣氣凝膠的結(jié)構(gòu)。
【關(guān)鍵詞】：甘蔗渣 化學(xué)改性 離子液體 生物質(zhì)材料 生物質(zhì)轉(zhuǎn)化
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：X712;TQ914.3
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-19
• 第一章 緒論19-46
• 1.1 引言19-20
• 1.2 木質(zhì)纖維生物質(zhì)結(jié)構(gòu)20-29
• 1.2.1 細(xì)胞壁微細(xì)結(jié)構(gòu)20
• 1.2.2 木素20-23
• 1.2.3 纖維素23-27
• 1.2.4 半纖維素27-29
• 1.3 木質(zhì)纖維生物質(zhì)化學(xué)改性29-37
• 1.3.1 酯化反應(yīng)29-34
• 1.3.2 醚化反應(yīng)34-36
• 1.3.3 接枝共聚改性36-37
• 1.4 木質(zhì)纖維生物質(zhì)的溶劑系統(tǒng)37-39
• 1.4.1 二甲基亞砜體系37-38
• 1.4.2 離子液體38
• 1.4.3 其它溶劑38-39
• 1.5 木質(zhì)纖維生物質(zhì)在離子液體中溶解及其應(yīng)用39-43
• 1.5.1 離子液體39
• 1.5.2 木質(zhì)纖維生物質(zhì)溶解及其機(jī)理39-41
• 1.5.3 離子液體在木質(zhì)纖維生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的應(yīng)用41-43
• 1.6 選題的目的、意義和研究?jī)?nèi)容43-46
• 1.6.1 選題的目的、意義43-44
• 1.6.2 研究?jī)?nèi)容44-45
• 1.6.3 技術(shù)路線45-46
• 第二章 離子液體中環(huán)狀酸酐對(duì)甘蔗渣的均相化學(xué)改性46-65
• 2.1 引言46-47
• 2.2 實(shí)驗(yàn)原料與方法47-48
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)原料47
• 2.2.2 甘蔗渣在BMIMCl中均相馬來(lái)酸酐改性47
• 2.2.3 甘蔗渣在AMIMCl中均相化學(xué)改性47-48
• 2.2.4 改性甘蔗渣表征方法48
• 2.3 結(jié)果與討論48-63
• 2.3.1 BMIMCl中馬來(lái)酸酐對(duì)甘蔗渣的均相改性48-55
• 2.3.2 AMIMCl中環(huán)狀酸酐對(duì)甘蔗渣的均相改性55-63
• 2.4 小結(jié)63-65
• 第三章 離子液體中甘蔗渣接枝丙烯酸酯吸油材料的制備65-72
• 3.1 引言65
• 3.2 實(shí)驗(yàn)原料與方法65-67
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)原料65-66
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)方法66
• 3.2.3 表征方法66-67
• 3.3 結(jié)果與討論67-71
• 3.3.1 甘蔗渣接枝聚丙烯酸酯及其吸油率研究68
• 3.3.2 FT-IR研究68-70
• 3.3.3 熱穩(wěn)定性研究70-71
• 3.4 小結(jié)71-72
• 第四章 全甘蔗渣薄膜材料的制備72-82
• 4.1 引言72-73
• 4.2 實(shí)驗(yàn)原料與方法73-74
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)原料73
• 4.2.2 薄膜制備73
• 4.2.3 表征方法73-74
• 4.3 結(jié)果與討論74-81
• 4.3.1 甘蔗渣薄膜制備74-76
• 4.3.2 甘蔗渣薄膜物化結(jié)構(gòu)研究76-78
• 4.3.3 甘蔗渣薄膜的力學(xué)與光學(xué)性能78-80
• 4.3.4 甘蔗渣薄膜的熱穩(wěn)定性80-81
• 4.4 小結(jié)81-82
• 第五章 鄰苯二甲酸酐化學(xué)改性甘蔗渣薄膜材料制備及表征82-92
• 5.1 引言82-83
• 5.2 實(shí)驗(yàn)原料與實(shí)驗(yàn)方法83-85
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)原料83
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)方法83-84
• 5.2.3 表征方法84-85
• 5.3 結(jié)果與討論85-91
• 5.3.1 甘蔗渣化學(xué)改性85-86
• 5.3.2 甘蔗渣鄰苯二甲酸酯的FT-IR研究86-87
• 5.3.3 甘蔗渣鄰苯二甲酸酯的NMR研究87-89
• 5.3.4 甘蔗渣鄰苯二甲酸酯薄膜制備89-90
• 5.3.5 薄膜力學(xué)性能研究90
• 5.3.6 薄膜表面形貌研究90-91
• 5.4 小結(jié)91-92
• 第六章 全甘蔗渣氣凝膠材料的制備及表征92-100
• 6.1 引言92-93
• 6.2 實(shí)驗(yàn)材料與方法93-94
• 6.2.1 實(shí)驗(yàn)材料93
• 6.2.2 實(shí)驗(yàn)方法93
• 6.2.3 表征方法93-94
• 6.3 結(jié)果與討論94-99
• 6.3.1 氮?dú)馕?脫吸結(jié)果分析94-96
• 6.3.2 甘蔗渣氣凝膠表面形貌研究96-98
• 6.3.3 甘蔗渣氣凝膠的FT-IR研究98
• 6.3.4 XRD分析98-99
• 6.4 小結(jié)99-100
• 結(jié)論與展望100-102
• 參考文獻(xiàn)102-114
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果114-117
• 致謝117-119
• 附件119

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 翟蔚;陳洪章;馬潤(rùn)宇;;離子液體中纖維素的溶解及再生特性[J];北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2007年02期

2 趙文榜,金永安,徐光華,沈春龍;苧麻纖維的部分氰乙基化改性[J];紡織學(xué)報(bào);1993年06期

3 樓宏銘,邱學(xué)青,楊卓如;木素系水處理劑的研究進(jìn)展[J];工業(yè)水處理;1999年03期

4 曲保雪;朱立紅;;酯化、醚化木材及其應(yīng)用[J];河北林果研究;2008年02期

5 許鳳;鐘新春;孫潤(rùn)倉(cāng);詹懷宇;;秸桿中半纖維素的結(jié)構(gòu)及分離新方法綜述[J];林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè);2005年S1期

6 萬(wàn)東北,羅序中,黃桂萍,曾國(guó)林;甘蔗渣苯甲基化改性研究[J];林業(yè)科技;2005年03期

7 李建章;周文瑞;屈永軍;古野毅;;國(guó)外木材乙�；芯考皯�(yīng)用進(jìn)展[J];國(guó)際木業(yè);2002年04期

8 王婉華,尹思慈,宋姣璋;木材液相乙�；难芯縖J];南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1981年04期

9 尹思慈,王婉華,何淑英,宋姣璋;木材氣相乙�；难芯縖J];南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1982年01期

10 李汝雄;離子液體——走向工業(yè)化的綠色溶劑[J];現(xiàn)代化工;2003年10期

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 岳鳳霞;木質(zhì)素新型模型物的合成及其在木質(zhì)素結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用[D];華南理工大學(xué);2012年

，

本文編號(hào)：1119436