Extraction of Ramie Fiber in Alkali Hydrogen Peroxide System Supported by Controlled-release Alkali Source

Chaoran Meng; Zhaoling Li; Chaoyun Wang; Chongwen Yu; Xuerong Bi; Siyi Wang

doi:10.3791/56461

JoVE Journal > Chemistry

Chemistry

Udvinding af Ramie Fiber i alkaliske hydrogenperoxid System understøttes af kontrolleret frigivelse Alkali kilde

Published: February 06, 2018

doi:

10.3791/56461

Chaoran Meng, Zhaoling Li, Chaoyun Wang, Chongwen Yu², Xuerong Bi, Siyi Wang

¹College of Textiles,Donghua University, ²Institute of Bast Fiber Crops,Chinese Academy of Agricultural Sciences

Summary

Præsenteres her er en protokol til udvinding af ramie fiber i alkaliske hydrogenperoxid system understøttes af kontrolleret frigivelse alkali kilde.

Abstract

Denne protokol demonstrerer en metode for ramie fiber ekstraktion ved vaskning rå ramie i en alkali hydrogenperoxid system understøttes af en kontrolleret frigivelse alkali kilde. Fiber udvundet af ramie er en type af tekstilmateriale af stor betydning. I tidligere undersøgelser, blev ramie fiber udvundet i en alkali hydrogenperoxid system understøttes kun af natriumhydroxid. Men på grund af den stærke alkalinitet af natriumhydroxid, oxidation reaktionshastighed hydrogenperoxid var svære at styre og dermed resulterede i store skader at det behandlede fiber. I denne protokol, der en kontrolleret frigivelse alkali kilde, som er sammensat af natriumhydroxid og magnesiumhydroxid, bruges til at give en alkaliske tilstand og buffer pH-værdi af alkali brint peroxidesystem. Substitution sats af magnesiumhydroxid kan justere pH-værdien af hydrogenperoxid system og har stor indflydelse på fiber egenskaber. PH-værdi og thermodynamikken potentielle (ORP) værdi, der repræsenterer muligheden for oxidation af alkali hydrogenperoxid system, var overvåges ved hjælp af et pH-meter og ORP meter, henholdsvis. Resterende hydrogenperoxid indhold i alkaliske hydrogenperoxid system under udpakningen og den kemiske iltforbrug (COD) værdien af spildevand efter fiber ekstraktion er testet af KMnO₄ titrering metode. Udbyttet af fiber er målt ved hjælp af en præcision elektronisk balance, og resterende tandkødet af fiber er testet af en kemisk analysemetode. Polymerisering grad (PD værdi) af fiber er testet af en iboende viskositet metode ved hjælp af Ubbelohde viskosimeter. Egenskaben trækstyrke af fiber, herunder stædighed, strækforlængelse og brud, måles ved hjælp af en fiber styrke instrument. Fourier transform infrarød spektroskopi og røntgen diffraktion er brugt til at karakterisere funktionelle grupper og crystal ejendom af fiber. Denne protokol beviser at kontrolleret frigivelse alkali kilde kan forbedre egenskaberne af fiber udvundet i en alkali hydrogenperoxid system.

Introduction

Ramie, almindeligvis kendt som ‘Kina græs’ er en flerårig urt, hvis fiber kan bruges som en glimrende materiale til tekstil industri¹^,². Det er en af de vigtigste økonomiske afgrøder indfødte til Kina; produktionen af ramie i Kina har tegnede sig for mere end 90% af det samlede udbytte i verden¹^,². Ramie fiber er en af de stærkeste og længste plantefibre, skinnende med en næsten silkeagtige udseende³^,⁴. Den lange længde af ramie fiber gør det velegnet til enkelt fiber spinning, som sjældent ses i bast fibre. Tekstil lavet af ramie fiber besidder mange fremragende egenskaber, såsom kølighed, antibakterielle, fremragende termisk ledningsevne, ventilation, etc.³^,⁴

Cellulose er hovedbestanddelen af ramie fibre, og de øvrige komponenter i ramie, pektin, lignin, vand opløselige materialer, er defineret som tandkød,⁵^,⁶. Ramie fiber kan udtrækkes ved at opløse gummerne i oploesning indeholdende kemiske reagenser, i en proces, der er defineret som degumming⁵^,⁶. Hovedsageligt to tilgange af ramie fiber udvinding findes: kemiske degumming og bio-degumming. Energiforbrug, tidsforbrug og torsk værdi af degumming spildevand i traditionelle kemiske degumming er forholdsvis høj, som cellulose fiber er udvundet ved vaskning rå ramie i koncentreret NaOH under højtryk for 6 til 8 h⁷^,⁸. Alternativt, bio-degumming er en miljøvenlig løsning for ramie fiber udvinding. Ikke desto mindre hæmme barske reaktion tilstand og avanceret udstyr dets yderligere industrielt⁹^,¹⁰. Derfor, oxidation degumming med alkali hydrogenperoxid præsenterer en værdifuld og alternative program til at fokusere på, for det kræver kortere degumming tid og lavere degumming temperatur¹¹^,¹². Men på grund af den stærke oxidation evne af peroxider, betydelige cellulose nedbrydning kan forekomme under den degumming proces, som kan forårsage stor skade på fiber egenskaber¹³^,¹⁴. Dette er den største ulempe af alkali peroxid oxidation degumming af ramie.

I tidligere undersøgelser, blev ramie fiber udvundet i en alkali hydrogenperoxid system understøttes kun af natriumhydroxid¹⁵. Men på grund af den stærke alkalinitet af natriumhydroxid, oxidation reaktionshastighed hydrogenperoxid var vanskeligt at kontrollere og dermed medført stor skade for behandlede fiber⁷. For at forbedre egenskaberne af ramie fiber, bruges en kontrolleret frigivelse alkali kilde, som er sammensat af natriumhydroxid og magnesiumhydroxid, i denne undersøgelse til at tilbyde en alkaliske tilstand og buffer pH-værdi af alkali hydrogenperoxid system¹⁶ ^, ¹⁷.

Rationalet bag denne teknologi kan være beskrevet som følger. Magnesiumhydroxid er svagt opløseligt i destilleret vand, og det kan opløses gradvist ind i den degumming løsning med forbrug af OH^– og holde pH-værdi og dermed oxidation evne til degumming løsning i en passende vifte¹⁸. Substitution sats (SR) af magnesiumhydroxid defineres som muldvarp andelen af NaOH erstattet af magnesiumhydroxid under den samlede alkali dosis på 10%, og substitution sats kan beregnes ved følgende ligning. Derudover kan Mg^{2 +} forhindre cellulose forringelse forårsaget af over oxidation¹⁹^,²⁰.

Her, M₂ (g) er vægten af Mg(OH)₂M₁(g) er vægten af NaOH, 40 er molvægten af NaOH, 58 er molvægten af Mg(OH)₂, 2 er antallet af OHs i Mg(OH)₂og SR er substitution sats.

Teknologien af denne protokol kan udvides til udvinding, blegning og ændring af plantematerialer i en alkali hydrogenperoxid system. Det skal dog bemærkes, at udvælgelsen af pH værdi og reaktion temperatur af alkali hydrogenperoxid system er nøglen til denne teknologi²¹. PH-værdien af alkali hydrogenperoxid system kan justeres ved at ændre substitution sats¹⁷. PH-værdi og dermed oxidation evne af alkali hydrogenperoxid system falder med stigende substitution sats. Når reaktion temperatur ligger på 85 ° C, frie radikaler reaktion spiller den vigtigste rolle i systemet og stærk oxidation af systemet er velegnet til opløse materialer; Når reaktion temperatur ligger ved 125 ° C, frie radikaler reaktion er hæmmet og en stor mængde af HOO findes i systemet, hvilket gør systemet velegnet til blegning¹⁹.

Protocol

1. oxidation Degumming af Ramie Forberede oxidation degumming løsning Opløs 2 g H2O2, 1 g alkali (en blanding af Mg(OH)2 og NaOH), 0,4 g Na5P3O10, 0,1 g anthraquinone og 0,2 g HEDP i 100 mL destilleret vand til at gøre den degumming løsning. Oxidation degumming af ramie Fordyb 10 g rå ramie i den degumming løsning og gennemsøge det under 85 ° C i 60 min. …

Representative Results

Opløseligheden af Mg(OH)2 i destilleret vand og degumming løsning blev studeret (figur 1). Effekten af Mg(OH)2 substitution sats på pH og ORP værdi (figur 2) i den degumming løsning blev testet. Degumming udbytte og resterende tandkødet af fiber degummed under forskellige Mg(OH)2 substitution sats var beregnet (figur 3). DP værdi, crystallinity, trækstyrke ege…

Discussion

Indstilling af Mg(OH)₂ substitution sats og reaktion temperatur var det centrale punkt i denne protokol. Mg(Oh)₂ substitution sats kan påvirke pH-værdi og dermed oxidation evne til degumming løsning. De bedste Mg(OH)₂substitution sats for ramie degumming var 20%, fordi cellulose kan ikke modtage tilstrækkelig beskyttelse under en substitution sats under 20%, og en stor mængde af resterende tandkød (lav DP værdi og crystallinity) ville være bevaret i fiber under en substitution sa…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af den øremærkede fonden for Kina landbrug forskningssystem til Bast og blad Fiber afgrøder (tilskud antal biler-19), The Kina akademi for Jordbrugsvidenskab og teknologi Innovation Project (grant nummer ASTIP-IBFC07), innovationsfond for kandidatstuderende på Donghua University (Giv nummer 16D 310107), ‘Xiaoping videnskab og teknologi innovation teamet’ (industrialisering integreret R & D-Gruppen af bast fiber biologiske degumming), Kina stipendium Rådet.

Materials

Hydrogen peroxide, 30%	Fisher Scientific	H325-100	Chemical for degumming
Magnesium hydroxide, 99%	Fisher Scientific	AA1236722	Chemical for degumming
Sodium hydroxide	Fisher Scientific	S318-1	Chemical for degumming
Sodium bisulfite	Fisher Scientific	S654-500	Chemical for degumming
Sodium tripolyphosphate	Fisher Scientific	AC218675000	Chemical for degumming
Anthraquinone, >98%	Fisher Scientific	AC104930500	Chemical for degumming
1-Hydroxy Ethylidene-1,1-Diphosphonic Acid	Fisher Scientific	50-901-10243	Chemical for degumming
Degumming oil	Minglong auxiliaries limited liability company, Yiyang, Hunan,China	——	Chemical for degumming
Ethyl alcohol	Fisher Scientific	A962-4	Chemical for testing
Benzene	Fisher Scientific	AA43817AE	Chemical for testing
Copper wire,0.5mm (0.02in) dia	Fisher Scientific	AA10783H4	Chemical for testing
Cupriethylenediamine solution 1mol/L	Fisher Scientific	24991	Chemical for testing, caution toxic
Nitric acid (65% ~68% )	Fisher Scientific	A200-612GAL	Chemical for testing, caution
Ethylenediamine	Fisher Scientific	AC118420100	Chemical for testing
Potassium permanganate	Fisher Scientific	P279-500	Chemical for testing
Sulphuric acid	Fisher Scientific	A300C-212	Chemical for testing
Silver sulfate	Fisher Scientific	S190-25	Chemical for testing
Raw ramie	Guangyuan limited liability company, Changde, Hunan,China	——	Raw materials
Electric-heated thermostatic water bath	Senxin Experiment equipment limited liability company,Shanghai,China	DK-S28	Equipments for degumming
High temperature lbaorator dyeing machine	Shanghai Longda chemcials Crop.	RY-1261	Equipments for degumming
Thermometer	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	100 °C	Equipments for degumming
Vacuum suction machine	Yukang KNET ,Shanghai,China	SHB-IIIA	Equipments for testing Mg(OH)2 solublity
Suction flask	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	1000mL	Equipments for testing Mg(OH)2 solublity
Sand-core funnels	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	35mL	Equipments for testing Mg(OH)2 solublity
Oxidation reduction potential meter	Dapu instrument, Shanghai, China	MODEL 421	Equipments for testing ORP value
pH meter	Hanna instruments,Beijing,China	HI 98129	Equipments for testing pH value
Acid burette	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	50mL	Equipments for testing H2O2 content
Flask	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	250mL/500mL	Equipments for testing H2O2 content; residual gums content
Electric furnace	Jiangyi Experiment instruments limited liability company,Shanghai,China	800-2000W	Equipments for testing residual gums content
Reflux condensing tube	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	250mL	Equipments for testing residual gums content; COD value
Fiber cutter (40mm)	Changzhou No.2 Textile Machine Co.,Ltd	Y171A	Equipments for testing fiber density
Ostwald viscometer	Taizhou, jiaojiang, glass instruments company	0.6mm	Equipments for testing fiber PD value
Spherical fat extractor	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	250mL	Equipments for testing fiber PD value
Soxhlet extractor	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	250mL	Equipments for testing fiber PD value
Torsion balance	Liangping instrucments Co.,Ltd,Shanghai, China	JN-B	Equipments for testing fiber density
Fiber strength instrument	Xinxian instruments, shanghai,China	XQ-2	Equipments for testing fiber tensile property
Tension clamp	Depu textile technology Co.,Ltd, Changzhou, jiangsu, China	0.3cN/dtex	Equipments for testing fiber tensile property
COD thermostatic heater	Qiangdao Xuyu environment protection technology Lit company	DL-801A	Equipments for testing COD value
FTIR	Thermo Fisher, America	Nicolet	FTIR analysis
XRD	Rigaku, Japan	D/max-2550 PC	XRD analysis
Electronic balance	Shanghai jingtian Electronic instrument Co.,Ltd	FA2004A	Generral equipments
Drying oven	Tonglixinda instruments, Tianjin,China	101-2AS	Generral equipments
Weighing bottle	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	50×30	Generral equipments
Beaker	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	500mL	Generral equipments
Sample sieve	Xiaojin hardware instruments Co.,Ltd, Shangyu, Zhejiang	120 mesh	Generral equipments
Glass rod	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	——	Generral equipments
Cylinder	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	250mL, 50mL	Generral equipments
Pipette	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	5mL, 10mL	Generral equipments
Rubber suction bulb	Sichuan Shubo (group)Co.,Ltd	——	Generral equipments
Orign	OriginLab	8.0	Software for figure drawing

References

Yuan, J. G., Yu, Y. Y., Wang, Q., Fan, X. R., Chen, S. Y., Wang, P. Modification of ramie with 1-butyl-3-methylimidazolium chloride ionic liquid. Fiber Polym. 14, 1254-1260 (2013).
Kipriotis, E., Heping, X., Vafeiadakis, T. Ramie and kenaf as feed crops. Ind Crop Prod. 68, 126-130 (2015).
Rebenfeld, L. Fiber: the old and the new. J Text Inst. 92, 1-9 (2001).
Ramamoorthy, S. K., Skrifvars, M., Persson, A. A review of natural fiber used in biocomposites: plant, animal and regenerated cellulose fiber. Polym Rev. 55, 107-162 (2015).
Yu, H. Q., Yu, C. W. Influence of various retting methods on properties of kenaf fiber. J Text Inst. 101 (5), 452-456 (2010).
Fan, X. S., Liu, Z. W., Liu, Z. T., Lu, J. A novel chemical degumming process for ramie bast fiber. Text Res J. 80, 2046-2051 (2010).
Liu, G. L. . Research on the application of sodium percarbonate the degumming of ramie. , (2013).
Meng, C. R., Yu, C. W. Study on oxidation degumming of ramie fiber. Adv Mater Res. , 881-883 (2014).
Liu, Z. C., Duan, S. W., Sun, Q. X., Zhang, Y. X. A rapid process of ramie biodegumming by Pectobacterium sp. CXJZU-120. Text Res J. 82 (15), 1553-1559 (2012).
Guo, F. F., Zou, M. Y., Li, X. Z., Zhao, J., Qu, Y. B. An effective degumming enzyme from Bacillus sp. Y1 and synergistic action of hydrogen peroxide and protease on enzymatic degumming of ramie fiber. BioMed Res Int. , (2013).
Li, Z. L., Yu, C. W. Effect of peroxide and softness modification on properties of ramie fiber. Fiber Polym. 15, 2105-2111 (2014).
Li, Z. L., Meng, C. R., Yu, C. W. Analysis of oxidized cellulose introduced into ramie fiber by oxidation degumming. Text Res J. 85 (20), 2125-2135 (2015).
Xueren, Q. . Green bleaching technologies of pulp. , (2008).
Erkselius, S., Karlssom, O. J. Free radical degradation of hydroxyethy cellulose. Carbohydr Polym. 62, 344-356 (2005).
Meng, C. R., Liu, F. M., Li, Z. L., Yu, C. W. The cellulose protection agent used in the oxidation degumming of ramie. Textile Research Journal. 86 (10), 1109-1118 (2016).
Long, X., Xu, C., Du, J., Fu, S. The TAED/H2O2/NaHCO3 system as an approach to low-temperature and near-neutral pH bleaching of cotton. Carbohydr Polym. 95, 107-113 (2013).
Yun, N. . Studies on magnesium-based hydrogen peroxide bleaching and mechanisms of deinked pulp. , (2014).
Zhang, W., Kong, F. Replacement of sodium peroxide bleaching by magnesium-based peroxide bleaching for pulp. Paper Sci Technol. 29, 25-28 (2010).
Meng, C. R., Li, Z. L., Wang, C. Y., Yu, C. W. Alkali Source Used in the Oxidation Degumming of Ramie. Text Res J. 87 (10), 1155-1164 (2017).
Gorski, D., Engstrand, P., Hill, J., Axelsson, P., Johansson, L. Mg(OH)2-based hydrogen peroxide refiner bleaching: influence of extractives content in dilution water on pulp properties and energy efficiency. Appita Journal. 63 (3), 218-225 (2010).
Leduc, C., Martel, J., Danea, C. Efficiency and effluent characteristic from Mg(OH)2-based hydrogen peroxide bleaching of high-yield pulps and deinked pulp. Cellulose Chemistry & Technology. 44 (7-8), 271-276 (2010).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Meng, C., Li, Z., Wang, C., Yu, C., Bi, X., Wang, S. Extraction of Ramie Fiber in Alkali Hydrogen Peroxide System Supported by Controlled-release Alkali Source. J. Vis. Exp. (132), e56461, doi:10.3791/56461 (2018).