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

Utvinning av Rami Fiber i lut hydrogenperoksid systemet støttes av kontrollert-release 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

Presenteres her er en protokoll for utvinning av Rami fiber i lut hydrogenperoksid systemet støttes av kontrollert-release lut kilde.

Abstract

Denne protokollen viser en metode for Rami fiber utvinning av utvasking rå Rami i en alkali hydrogenperoksid systemet støttes av en kontrollert-release lut kilde. Fiber Hentet fra Rami er en type tekstil materiale av stor betydning. I tidligere studier Rami fiber ble pakket ut i en alkali hydrogenperoksid systemet støttes bare av natriumhydroksid. Men på grunn av sterk alkaliteten i natriumhydroksid, oksidasjon reaksjonshastighet hydrogenperoksid var vanskelig å kontrollere og dermed resulterte i stor skade på behandlet fiber. I denne protokollen brukes en kontrollert-release lut kilde, som består av natriumhydroksid og magnesium hydroksid, å gi en alkali tilstand og buffer pH verdien av lut hydrogen peroxidesystem. Substitusjon magnesium hydroksid kan justere pH verdien av Hydrogenperoksid systemet og har stor innflytelse på egenskapene fiber. PH verdien og oksidasjon-reduksjon potensielle (ORP) verdi, som representerer oksidasjon evne til alkaliske hydrogenperoksid systemet, ble overvåket med en pH-meter og ORP måler, henholdsvis. Gjenværende hydrogenperoksid innholdet i lut hydrogenperoksid systemet under utpakkingen og kjemiske oksygenforbruk (COD) verdien av avløpsvann etter fiber utvinning er testet av KMnO₄ titrering metoden. Avkastningen av fiber måles med en presisjon elektronisk balanse, og gjenværende tannkjøttet fiber er testet av en kjemisk analysemetode. Polymerisasjon graden (PD verdi) av fiber er testet med en iboende viskositet metode med Ubbelohde viscometer. Egenskapen strekk av fiber, inkludert fasthet, forlengelse og brudd, måles med en fiber styrke instrument. Fourier transformere infrarød spektroskopi og X-ray Diffraksjon brukes til å karakterisere den funksjonelle grupper og krystall-egenskapen for fiber. Denne protokollen beviser at kontrollert-release lut kilden kan forbedre egenskapene til fiber pakket ut i en alkali hydrogenperoksid system.

Introduction

Rami, kjent som ‘Kina grass’ er en flerårig urt som fiber kan brukes som et utmerket materiale for tekstil industri¹^,². Det er en av de viktigste økonomiske avlingene native til Kina; produksjon av Rami i Kina har stått for mer enn 90% av den totale avkastningen i verden¹^,². Rami fiber er en av de sterkeste og lengste plante fibrene, skinnende med en nesten silkeaktig utseende³^,⁴. Hvor lenge Rami fiber gjør det egnet for enkelt fiber spinning, som er sjelden sett i bast fiber. Tekstil laget av Rami fiber har mange gode egenskaper, for eksempel kulde, antibakterielle, utmerket varmeledningsevne, ventilasjon, etc.³^,⁴

Cellulose er hovedkomponenten i Rami fiber, og andre komponenter i Rami, for eksempel pektin, lignin, vann løselig materialer, er definert som tannkjøtt⁵^,⁶. Rami fiber kan hentes ved å løse opp tannkjøttet i løsning som inneholder kjemiske reagenser, i en prosess som er definert som degumming⁵^,⁶. Hovedsakelig to tilnærminger Rami fiber utvinning finnes: kjemiske degumming og bio-degumming. Energiforbruk, tidsforbruk og COD verdien av degumming avløpsvann i tradisjonelle kjemiske degumming er ganske høy, som cellulose fiber er hentet av utvasking rå Rami i konsentrert NaOH under høyt trykk for 6-8 h⁷^,⁸. Alternativt, bio-degumming er et miljøvennlig alternativ for Rami fiber utvinning. Likevel hemmer harde reaksjon tilstanden og avansert utstyr dens videre industriell anvendelse⁹^,¹⁰. Derfor oksidasjon degumming med alkaliske hydrogenperoksid presenterer en verdifull og alternative program å fokusere på, for det krever kortere degumming tid og lavere degumming temperatur¹¹^,¹². Men på grunn av sterk oksidering evne til peroksider, kan betydelig cellulose forringelsen skje under degumming prosessen, som kan forårsake stor skade på fiber egenskaper¹³^,¹⁴. Dette er den største ulempen av lut peroxide oksidasjon degumming av Rami.

I tidligere studier Rami fiber ble pakket ut i en alkali hydrogenperoksid systemet støttes bare av natriumhydroksid¹⁵. Men på grunn av sterk alkaliteten i natriumhydroksid, oksidasjon reaksjonshastighet hydrogenperoksid var vanskelig å kontrollere og dermed resulterte i stor skade til behandlet fiber⁷. For å forbedre egenskapene til Rami fiber, brukt en kontrollert-release alkali, som består av natriumhydroksid og magnesium hydroksid, i denne studien å tilby en alkali tilstand og buffer pH verdien av lut hydrogenperoksid system¹⁶ ^, ¹⁷.

Begrunnelsen bak denne teknologien kan beskrives som følger. Magnesium hydroksid er delvis oppløselig i destillert vann, og det kan oppløses gradvis i degumming løsningen med forbruk av OH^– og holde pH-verdi og dermed oksidasjon evnen til degumming løsning i en passende utvalg¹⁸. Substitusjon frekvensen (SR) av magnesium hydroksid defineres som mole andelen NaOH erstattet av magnesium hydroksid under totalt lut dosering av 10%, og substitusjonsbehandling hastigheten kan beregnes med denne formelen. Videre kan Mg^{2 +} hindre cellulose fornedrelse skyldes over oksidasjon¹⁹^,²⁰.

Her M₂ (g) er vekten av Mg(OH)₂M₁(g) er vekten av NaOH, 40 er molekylvekt av NaOH, 58 er molekylvekt av Mg(OH)₂, 2 er antall OHs i Mg(OH)₂og SR er substitusjonsbehandling.

Teknologien i denne protokollen kan utvides til utpakking, bleking og endring av plantemateriale i en alkali hydrogenperoksid system. Men må det bemerkes at valg av pH verdien og reaksjon temperatur av lut Hydrogenperoksid er nøkkel for denne teknologien²¹. PH verdien av lut hydrogenperoksid systemet kan justeres ved å endre de substitusjon rate¹⁷. PH verdien og dermed oksidasjon evne til alkaliske hydrogenperoksid systemet redusere med økende substitusjon rate. Når reaksjon temperaturen er satt til 85 ° C, frie radikaler reaksjonen spiller hovedrollen i systemet og sterk oksidasjon av systemet er egnet for oppløsning materialer; Når reaksjon temperaturen er satt til 125 ° C, frie radikaler reaksjonen er hemmet og en stor mengde HOO finnes i systemet, noe som gjør systemet passer for bleking¹⁹.

Protocol

1. oksidasjon Degumming av Rami Forbereder oksidasjon degumming løsning Oppløse 2 g H2O2, 1 g alkali (en blanding av Mg(OH)2 og NaOH), 0.4 g Na5P3O10, 0.1 g anthraquinone og 0.2 g HEDP i 100 mL destillert vann å gjøre det degumming løsningen. Oksidasjon degumming av Rami Fordype 10 g rå Rami i degumming løsningen og skure det under 85 ° C for 60 min. <li…

Representative Results

Løseligheten av Mg(OH)2 i destillert vann og degumming løsning ble studert (figur 1). Effekten av Mg(OH)2 substitusjon på pH-verdi og ORP verdi (figur 2) degumming løsningen ble testet. Degumming yield og gjenværende tannkjøttet fiber degummed under ulike Mg(OH)2 substitusjon rate var beregnet (Figur 3). DP verdi, crystallinity, strekk egenskaper fiber (<strong …

Discussion

Innstillingen for Mg(OH)₂ substitusjon rate og reaksjon temperatur var hovedpoenget i denne protokollen. Mg(Oh)₂ substitusjon rate kan påvirke pH-verdi og dermed oksidasjon evnen til degumming løsning. Den beste Mg(OH)₂substitusjon hastigheten for Rami degumming var 20%, fordi cellulose kan ikke få nok beskyttelse under en substitusjon hastighet under 20%, og en overdreven mengde gjenværende tannkjøttet (lav DP verdi og crystallinity) vil bli beholdt i fiber under en substitusjon ra…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbeidet ble støttet av den øremerket finansiere for Kina landbruk forskning System for Bast og blad Fiber avlinger (gi antall biler-19), The China Academy of Agricultural Science teknologi innovasjon prosjekt (bevilgning nummer ASTIP-IBFC07), innovation fondet for hovedfagsstudenter ved Donghua universitet (gi nummer 16D 310107), det “Xiaoping naturvitenskapelige innovasjon teamet” (industrialisering integrert FoU gruppe bast fiber biologiske degumming), Kina stipend 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).