Utvinning av Rami Fiber i Alkali väteperoxid System stöds av kontrollerad frisättning Alkali källa
Summary
Presenteras här är ett protokoll för utvinning av Rami fiber i alkali väteperoxid system stöds av kontrollerad frisättning alkali källa.
Abstract
Detta protokoll visar en metod för Rami fiber extraktion genom skrubbning raw Rami i ett alkali väteperoxid system stöds av en kontrollerad frisättning alkali källa. Fibern utvinns ur Rami är en typ av textilmaterial av stor betydelse. I tidigare studier extraherades Rami fiber i ett alkali väteperoxid system stöds endast av natriumhydroxid. Men på grund av stark alkalitet natriumhydroxid, oxidation reaktionstiden av väteperoxid var svåra att kontrollera och därmed medförde stora skador till behandlade fibern. I detta protokoll används en kontrollerad frisättning alkali källa, som består av natriumhydroxid och magnesiumhydroxid, att ge ett alkali-villkor och buffra pH av den alkali väte peroxidesystem. Substitution av magnesiumhydroxid kan justera pH av väteperoxid systemet och har stort inflytande på fiber egenskaper. PH värdet och oxidation-reduktion potentiella (ORP) värde, som representerar alkali väteperoxid systemets oxidation förmåga, övervakades med hjälp av en pH-mätare och ORP mätare, respektive. Kvarstående väteperoxid innehållet i systemet alkali väteperoxid under extraheringen och avloppsvatten efter fiber utvinning kemisk syreförbrukning (COD) värde testas av KMnO4 titrermetoden. Avkastningen av fiber mäts med en precision elektroniska balans och kvarstående tandkött av fiber testas av en kemisk analysmetod. På Polymerisationsgrad (PD värde) av fiber är testad av en inneboende viskositet metod med Ubbelohde viskometer. Egenskapen drag av fiber, inklusive uthållighet, töjning och bristning, mäts med en fiber styrka instrument. Fourier transform infraröd spektroskopi och röntgendiffraktion används för att karakterisera funktionella grupper och crystal boendet av fiber. Detta protokoll bevisar att kontrollerad frisättning alkali källan kan förbättra egenskaperna för fibern utvinns i ett alkali väteperoxid system.
Introduction
Rami, allmänt känd som ‘Kina gräset’ är en perenn ört vars fiber kan användas som ett utmärkt material för textil industrin1,2. Det är en av de viktigaste ekonomiska grödorna som är infödda till Kina; produktionen av Rami i Kina har stått för mer än 90% av den totala avkastningen i världen1,2. Rami fiber är en av de starkaste och längsta växt fibrerna, glänsande med ett nästan silkeslen utseende3,4. Den långa längden av Rami fiber gör den lämplig för enda fiber spinning, som är sällan i bast fiber. Textil från Rami fiber besitter många goda egenskaper, såsom kyla, antibakteriell, utmärkt termisk ledningsförmåga, ventilation, etc.3,4
Cellulosa är den viktigaste komponenten i Rami fibrer och andra komponenter i Rami, till exempel pektin, lignin, vatten lösliga material, definieras som tandkött5,6. Rami fiber kan utvinnas genom att lösa upp tandköttet lösning innehållande kemiska reagenser, i en process som definieras som avslemning5,6. Främst två metoder av Rami fiber extraktion finns: kemiska avslemning och bio-avslemning. Den energiförbrukning, tidsförbrukning och COD värdet av avslemning avloppsvatten i traditionella kemiska avslemning är ganska hög, som cellulosa fiber utvinns genom skrubbning raw Rami i koncentrerad NaOH under högtryck för 6 till 8 h7,8 . Alternativt, bio-avslemning är ett miljövänligt alternativ för Rami fiber extraktion. Dock hämma hårda reaktion skick och sofistikerad utrustning dess ytterligare industriell tillämpning9,10. Därför oxidation avslemning med alkali väteperoxid presenterar ett värdefullt och alternativ för att fokusera på, för det kräver kortare avslemning tid och lägre avslemning temperatur11,12. Men på grund av stark oxidation förmåga peroxiderna, kan betydande cellulosa nedbrytning uppstå under den degumming processen, vilket kan orsaka stora skador på fiber boenden13,14. Detta är den största nackdelen med alkali peroxid oxidation avslemning av Rami.
I tidigare studier extraherades Rami fiber i ett alkali väteperoxid system stöds endast av natriumhydroxid15. Men på grund av stark alkalitet natriumhydroxid, oxidation reaktionstiden av väteperoxid var svåra att kontrollera och därmed medförde stora skador till behandlade fiber7. För att förbättra egenskaperna hos Rami fiber, används en kontrollerad frisättning alkali källa, som består av natriumhydroxid och magnesiumhydroxid, i denna studie att erbjuda ett alkali-villkor och buffra pH av alkali väteperoxid systemet16 , 17.
Logiken bakom denna teknik kan beskrivas enligt följande. Magnesiumhydroxid är något lösligt i destillerat vatten, och det kan lösa upp gradvis till den degumming lösningen med konsumtion av OH– och hålla pH-värdet och därmed oxidation förmåga avslemning lösning i en lämplig intervall18. Ersättning (SR) av magnesiumhydroxid definieras som mullvad andelen NaOH ersättas av magnesiumhydroxid under totalt alkali doseringen av 10% och andelen substitution kan beräknas med följande ekvation. Dessutom kan Mg2 + förhindra cellulosa nedbrytning, orsakad av över oxidation19,20.
Här, M2 (g) är vikten av Mg(OH)2, M1 (g) är vikten av NaOH, 40 är molekylvikten för NaOH, 58 är molekylvikten för Mg(OH)2, 2 är antalet OHs i Mg(OH)2och SR är andelen substitution.
Tekniken för detta protokoll kan utvidgas till de extrahering, blekning och modifiering av växtmaterial i ett alkali väteperoxid system. Det måste dock noteras att valet av pH värde och reaktion temperatur alkali väteperoxid är nyckeln till denna teknik21. PH av alkali väteperoxid systemet kan justeras genom att ändra substitution kurs17. PH värdet och därmed oxidation alkali väteperoxid systemets förmåga minska med den ökande av substitution. När den reaktion temperaturen ställs vid 85 ° C, fri radikal reaktionen spelar huvudrollen i systemet och stark oxidation av systemet är lämplig för upplösning material; När den reaktion temperaturen är inställd på 125 ° C, fri radikal reaktionen hämmas och en stor mängd HOO finns i systemet, vilket gör systemet passar blekning19.
Protocol
Representative Results
Discussion
Inställningen av Mg(OH)2 substitution ränta och reaktion temperatur var den centrala punkten i detta protokoll. Mg(OH) kurs2 ersätta kan påverka pH-värde och därmed oxidation förmåga avslemning lösning. Den bästa Mg(OH)2 substitution för Rami avslemning var 20%, eftersom cellulosa kan inte får tillräckligt skydd under en kurs ska ersätta under 20%, och en överdriven mängd kvarvarande tandkött (låga DP värde och kristallinitet) skulle behållas i fiber under en ersättni…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av de öronmärkta finansiera för Kina jordbruk forskningssystem för Bast och Leaf Fiber grödor (licensnummer bilar-19), The Kina Akademi av jordbruksvetenskap och teknik innovationsprojekt (licensnummer ASTIP-IBFC07), innovation fund för doktorander i Donghua University (bevilja nummer 16D 310107), ”Xiaoping vetenskap och teknik innovation team’ (industrialisering integrerad R & D-gruppen av bast fiber biologiska avslemning), 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).
