A zöld bambuszból származó cellulóz szintézise és jellemzése kémiai kezeléssel mechanikus eljárással

1 Gépészeti és Gyártástechnikai Tanszék, Mérnöki Kar, Universiti Malaysia Sarawak, 94300 Kota Samarahan, Sarawak, Malajzia

2 Universiti Teknologi MARA, Kota Samarahan, Sarawak, Malajzia

3 Universiti Teknologi MARA, Shah Alam, Selangor, Malajzia

Absztrakt

A bambusz-cellulózt kémiai eljárással állítottuk elő viaszmentesítéssel, delignifikációval és mercerizációs eljárással. Négy mintát, nevezetesen zöld bambuszrostot (GBF), viaszmentesített bambuszrostot (DBF), delignifikált bambuszrostot (DLBF) és cellulózrostot (CF) elemeztek. Az FTIR és a TGA elemzés megerősítette a hemicellulóz és a lignin eltávolítását a folyamat végén. Az FTIR eredmények azt mutatják, hogy a D-cellulóz OH csoport 1639 cm-1 régióban fordult elő. A SEM mikrográf azt mutatta, hogy a mercerizáció fibrillációhoz és a rost apróbb darabokra töréséhez vezet, amelyek elősegítik az érintkezéshez rendelkezésre álló hatékony felületet. Barrer, Joiyner és Halenda (BJH) módszer megerősítette, hogy a CF tényleges felülete kétszer nagyobb a GBF-hez képest. A CF a legnagyobb aktivációs energiát mutatta a GBF-hez képest. Ez azt jelzi, hogy a CF termikusan stabil volt.

1. Bemutatkozás

Az elmúlt években számos kutatási munkát végeztek a cellulózrostok kompozitok megerősítő anyagaként történő felhasználásáról. Ennek oka elsősorban a nagy szilárdság és merevség, valamint az alacsony tömeg és a biológiai lebonthatóság. A cellulóz nanoszálak alkalmazása polimer megerősítésben viszonylag új kutatási terület [1]. A cellulózrostok a leggyakoribb megújuló alapanyagok az összetett gyártáshoz. Habibi et al. (2010) szerint az éves cellulóztermelés meghaladja a 7,5 × 10 10 tonnát [2]. A forrásoktól függetlenül a cellulóz nagy molekulatömegű homopolimerből áll β-1,4-kapcsolt anhidro-D-glükóz egységek. Az ismétlődő szegmens a glükóz dimere, az úgynevezett cellobióz [3].

A cellulózszálak bizonyos hátrányokkal járnak, beleértve a minőségi változásokat, a nedvesség abszorpciót és a hidrofób polimer mátrixszal való rossz kompatibilitást. A jó határfelületi tapadás hiánya, alacsony olvadáspont és a nedvességgel szembeni ellenálló képesség korlátozza a növényi cellulózrost használatát. Ezért előkezelésre van szükség a szál felületének módosításához. A kémiai előkezelés korlátozza a nedvesség felszívódását és növeli a felület érdességét [4]. A rendelkezésre álló különféle előkezelések közül az acetilezés, a mercerizáció, a peroxid, a benzoilezés, az ojtott kopolimerizáció és a bakteriális cellulózkezelés a legjobb módszer a rostok felületmódosítására. Például a merserizálás ahhoz vezet, hogy a szálköteg kisebb szálakra bomlik. Ez a kezelés hatékonyan eltávolítja a lignint és a hemicellulózt is. A merserizáció növeli a lehetséges reaktív helyek számát, és jobb szál nedvesítést tesz lehetővé [4]. Ennek eredményeként a mercerizációnak hosszan tartó hatása volt a szálak mechanikai tulajdonságaira, főleg a szálak szilárdságára és merevségére [5].

A felület elemzését BJH módszerrel végezzük, Barrer, Joiyner és Halenda fejlesztésével. Ezt a módszert széles körben használják mezopórustérfogat és mezopórusméret-eloszlás elérésére [6]. Ez a módszer adszorpciós és deszorpciós technikák alkalmazásával határozza meg a pórusterületet és a fajlagos pórustérfogatot. Adszorpciós izotermát úgy kapunk, hogy az állandó hőmérsékleten (77 K) a relatív nyomások széles tartományában folyékony nitrogén alkalmazásával adszorbeált gázmennyiséget mérünk. Ezzel szemben a deszorpciós izotermák a nyomás csökkenésekor eltávolított gáz mérésével érhetők el.

Borneo-szigeten a bambusz gyorsan növekvő faj és magas hozamú megújuló erőforrás. A bambusz olcsó, gyorsan növekvő és könnyen hozzáférhető, fizikai és mechanikai tulajdonságai hasonlóak a fához, és a meglévő technológiákkal feldolgozható [7]. A bambusz gyors növekedési jellemzője előnyt jelent a felhasználása szempontjából. Ázsia és Óceánia régió a leggazdagabb bambuszgyártó, a világ összes bambuszkészletének mintegy 65% -ával, amely magában foglalja a bambuszfajok 80% -át is a világon [8, 9].

A tanulmány célja a zöld bambuszból származó cellulózrost mechanikai és kémiai kezeléssel történő előkészítése. Az egyes szakaszok termékeit jellemeztük és elemeztük. Az egyes előkészítési lépések hatásait szintén gondosan megvizsgálták és összehasonlították a szintézis eredményének optimalizálása érdekében.

2. Anyagok és módszerek

2.1. Anyag

A bambuszrostokat használták alapanyagként ehhez a tanulmányhoz. Kereskedelmi cellulóz a Sigma Aldrich Malaysia cégtől származik. A cellulóz nanoszálak előállításához használt vegyszerek: toluol (Sigma Aldrich, USA), etanol (Sigma Aldrich), hidrogén-peroxid (Qeric), jégecet (Ensure), titán (IV) -oxid (JT Baker) és nátrium-hidroxid (Merck) KgaA). Minden felhasznált vegyszer analitikai minőségű volt.

2.2. Mód

2.2.1. Bambuszrost készítés

A bambuszt a Malajziában, Sarawakban található Erdészeti Kutatóintézettől szerezték be. Elkészítettük az 1 méter hosszú zöld bambusz gömböt. Ezután egy tervezőgéppel őrölték meg az internódust leszámítva forgácsokat és porokat. Ezeket a forgács- és porelegyeket 70 ° C-os kemencébe helyeztük 72 órán át, hogy megszáradjanak. A kemencében szárított mintát őröltük és 600-as szitával szitáltuk μm méretű siever. A 600 μm szembőségű szálakat használtunk a cellulózrostok szintéziséhez. Ezt a mintát zöld bambuszrost (GBF) címkével látták el.

2.2.2. Cellulóz előállítása bambuszrostból

A bambuszrost viaszmentesítése. 400 ml toluolt és 200 ml etanolt töltöttünk egy gömblombikba, így 2: 1 arányú toluol/etanol képződött. A kerek lombikot egy fűtőelemre helyezzük. A forrázó lombik tetejére egy Soxhlet-extraktort helyeztek, és retortáló állvánnyal szorosan rögzítették. 10 g GBF-et kanalazunk egy membráncsőbe, majd az extrakciós hüvelybe helyezzük. Egy Liebig kondenzátort helyeznek az elszívó tetejére, és szorosan rögzítik. A fűtőelem hőmérsékletét digitális hőmérővel figyeltük meg és 250 ° C-on tartottuk.

Az extrakciós folyamatot addig folytattuk, amíg a színkeverék eltűnik. A folyamat 2 óra volt, körülbelül 10–12 extrakciós ciklussal. Az extrakciós gyűszűt csipesz segítségével veszik ki. A terméket egy főzőpohárba öntjük, és üvegpálcával keverjük, miközben toluol és etanol keveréket adunk hozzá. A végterméket szűrőpapírral ellátott szűrőtölcsér segítségével szűrjük. Üvegrúd segítségével, szűrőpapíron egyenletesen oszlott el. Ezután 70 ° C-ra beállított sütőbe tesszük egy éjszakán át száradni, és delignifikációs folyamatok céljából tartjuk. A szárított mintát viaszmentesített bambuszrostként (DBF) azonosítják.

A bambuszrost delignifikációja. A delignifikációs oldatot 82,3 g 35 tömeg% hidrogén-peroxid (H2O2) és 106,2 g 99,8 tömeg% ecetsav (CH3COOH) felhasználásával készítettük titán (IV) -oxid katalizátorban. 30 g száraz DBF mintát lemértünk, és gömblombikba helyeztük a delignifikációs oldatot. A lombikot a fűtőelemre helyezzük és 130 ° C-ra melegítjük.

2 óra múlva a fűtést kikapcsolták és szobahőmérsékletre hűtötték. A kezelt terméket ezután Buchner-lombikba szűrjük, és ioncserélt (DI) vízzel addig mossuk, amíg a pH-érték el nem éri a 7-et, és 24 órán át 70 ° C-on szárítjuk. A szárított mintát egy palackba tettük, és sötét és hűvös helyen tartottuk lúgos kezelés céljából. A mintát delignifikált bambuszrostként (DLBF) azonosítják.

Mercerizáció. A DLBF-et végül lúgos oldatba merítettük a pektin és a hemicellulózok oldása céljából. 6 tömeg% nátrium-hidroxidot használtunk a DLBF kezelésére egy lombikban szobahőmérsékleten. Az elegyet autosakerrel 150 fordulat/perc sebességgel keverjük, 80 ° C-ra melegítjük 2 órán át, és 8 óra keverés után leállítjuk. Az elegyet folyamatosan öblítettük DI vízzel, amíg a termék pH-ja elérte a 7. A kezelt terméket ezután Buchner-lombikban leszűrtük, DI-vízzel addig öblítettük, amíg a pH-érték el nem érte a 7-et, és fagyasztva szárítottuk -85 ° C-on 48 órán keresztül.

2.2.3. Cellulóz előállítása mechanikus fibrillációval

Ezután a cellulózt 30 percen át nyíródarálóval őröltük. Ezt a finom port cellulózrostnak (CF) hívták. Az 5. ábra a cellulózkészítmény áramlásának összefoglalását mutatja.

2.2.4. A cellulóz jellemzése

Fourier transzformációs infravörös spektroszkópia (FTIR). Az infravörös spektrumokat Shimazu FTIR Spectrometer IRAFFINITY-1 CE modell alkalmazásával kaptuk. A spektrumokat 4 cm-1 felbontással vettük, és mindegyik mintára összesen 60 letapogatást végeztünk. A beolvasások átviteli tartománya 600–4000 cm −1 volt .

Pásztázó elektronmikroszkópia (SEM). A bambuszrost mintákat 24 órán át vákuumban szárítottuk 70 ° C-on, a mintatartó felületére tapadt szénszalagra nyomtuk és titánnal porlasztottuk. Az egyes minták képalkotása Hitachi M-3030 pásztázó elektronmikroszkóppal történt. Az összes képet 5 kV gyorsítófeszültségen, 1500-szoros nagyítással készítettük.

Barrer, Joiyner és Halenda (BJH) elemzése. A bambuszrost mintákat 24 órán át 70 ° C-on szárítottuk és kapilláris csőbe helyeztük. A kilépőgáz időtartama körülbelül 7 óra volt, a végső kimenő hőmérséklete 350 ° C volt. A kipufogógáz-folyamat után a mintát Nova Quantachrome 4200e automatizált gázszorpciós eszközzel elemeztük 1,5 órán át, relatív nyomás széles tartományában, állandó hőmérsékleten (77 K), folyékony nitrogén alkalmazásával.

Termogravimetriás elemzés (TGA). A dinamikus termogravimetriás méréseket Shimadzu DTG 60H készülékkel végeztük. A dinamikus tesztek hőmérsékleti programjait 25 ° C és 700 ° C közötti környezeti hőmérsékletről futtattuk. Valamennyi mérést nitrogénáram alatt (20 ml/perc) végeztük, miközben állandó fűtési sebességet 10 ° C/min-1 értéken tartottunk, és lyukacsos alumínium tégelyt használtunk.

3. Eredmények és megbeszélések

3.1. FT-IR elemzés

A GBF összetételének változásait FTIR spektroszkópiával vizsgáltuk.

Az 1 (a) ábra azt mutatja, hogy a GBF spektrumától 1514 cm-1-es csúcsintenzitás a lignin aromás gyűrűjében a C = C nyújtó rezgésnek tulajdonítható. A cellulózrost (CF) azonban nem mutatta a C = C megnyúlását ezen a régión. Ez azt jelzi, hogy a lignint kémiai eljárással jól eltávolították [10–12].