硫酸水解对棉纤维性能影响

林燕萍

(江西服装学院，江西 南昌 330201)

硫酸水解对棉纤维性能影响

林燕萍

(江西服装学院，江西 南昌 330201)

利用硫酸对棉纤维进行水解，分析硫酸质量浓度及水解时间对棉纤维分子结构的影响。研究表明，硫酸水解前后棉纤维晶型结构保持纤维素Ⅰ不变，棉纤维水解程度在硫酸质量分数为5%～30%，水解时间30～150 min范围，随着硫酸质量分数的增加，水解时间的延长而加大，而棉纤维结晶度随着水解程度的增加而降低。

硫酸；水解；棉纤维；分子结构

随着不可再生资源的日益枯竭，如何找到清洁、热值高的代替能源成为一个具有现实需求的研究热点。而以生物原料制备的燃料乙醇不仅具有较高的热值，而且对环境的污染较小，具有较为广阔的市场开发前景[1～2]。目前，作为制备燃料乙醇的生物质主要有麦秆、玉米秸秆和木屑及其他韧皮纤维素的作物及林木，而对作为纺织原料主要材料的棉纤维的研究较少，而对棉纤维自身性能而言，棉纤维的主要结构是纤维素Ⅰ结构构成，纤维素含量较高，经过水解纤维素会被还原为聚合度较低的葡萄糖混合物，同时，大量纺织棉纤维下脚料的废弃又为生物质乙醇的制备提供了丰富的廉价原料。因此，对棉纤维的水解性能研究尤为必要。本文利用稀硫酸对棉纤维进行水解实验，分析研究稀硫酸水解对棉纤维的性能影响，为以棉纤维为原料的生物乙醇的开发提供一定的参考依据。

1　实验部分

1.1实验材料

棉纤维(棉纤维平均细度为1.87 dtex；主体长度为32 mm),3,5-二硝基水杨酸，酒石硝酸钾，氢氧化钠，苯酚，亚硫酸钠，溴化钾，以上化学实验试剂均为分析纯。

1.2实验仪器

ZY-60热风干燥箱，KB-TH-S-120Z 恒温恒湿试验箱，Alpha-1506型紫外可见分光光度计，IRsolution傅立叶变换红外光谱仪，PTX-FA210万分之一电子天平，MiniFlex 600 台式X射线衍射仪，BDW1-HH-2A电热恒温水浴锅。

1.3实验方法

1.3.1稀硫酸水解棉纤维

有赵永亮等[3]研究表明，在常温常压下，纤维素的水解程度与酸的质量分数呈现正相关性，纤维素的水解程度随着酸的质量分数的升高而不断增加，但当酸的质量分数超过30%时，纤维素的水解程度达到最大值，当酸的质量分数再升高时，纤维素的水解程度呈现下降趋势。据此，本次实验方案，将酸的质量分数设定为5%、10%、15%、20%、25%和30%。有陈亚宁等[4]人研究表明，当棉纤维与酸的浴比为1∶25时，棉纤维水解的效率最佳，因此本次方案所有实验的棉纤维与酸的浴比均设置为1∶25，水解温度设置为室温，水解时间依次设置为30 min，60 min，90 min，120 min和150 min。使用PTX-FA210万分之一电子天平称取在温度为105℃的ZY-60热风干燥箱中干燥至恒重的棉纤维10 g，共称取25份。在室温条件下，将其中5份分别投入到5只装有质量分数为5%的硫酸溶液中，再取5份分别投入到5只装有质量分数为10%的硫酸溶液中，依次类推，再取5份分别投入到5只装有质量分数为15%、20%、25%及30%的硫酸溶液中，在实验时间点为30 min，60 min，90 min，120 min和150 min分别各取出各质量分数硫酸处理的1份棉纤维，将取出的棉纤维使用蒸馏水冲洗干净后，将不同酸浓度下处理不同时间的棉纤维连同未经任何处理的棉纤维在温度为105℃的ZY-60热风干燥箱中干燥至恒重放置密闭玻璃瓶中待用，同时，将水解棉纤维后的硫酸溶液收集起来待用。

1.3.2DNS法测定棉纤维还原糖

配置摩尔浓度为2 mol/L的氢氧化钠溶液，待氢氧化钠完全溶解后，量取262 mL与含有182 g的500 mL酒石酸钾钠溶液在温度为80℃的恒温水浴锅中混合均匀。使用PTX-FA210万分之一电子天平称取3,5-二硝基水杨酸6.3 g，加入到上述混合溶液中，在不停搅拌条件下，使得3,5-二硝基水杨酸完全溶解。得上述混合溶液溶解混合均匀后，往混合溶液中加入5 g苯酚与5 g亚硫酸钠，使其在溶解混合均匀后，将烧杯从水浴锅中取出，在室温条件下冷却。将冷却后的溶液加入蒸馏水直至1000 mL，此时的混合溶液即为3,5-二硝基水杨酸试剂，将配置好的3,5-二硝基水杨酸试剂储存在棕色玻璃瓶中待用。

分别量取标准葡萄糖溶液(标准葡萄糖浓度为1 mg/mL)0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL于15 mL的玻璃试管中，在玻璃试管中加入蒸馏水直至1.0 mL，分别加入2.0 mlDSN试剂中，在温度为100℃的恒温水浴锅中沸煮2 min后，流水冷却，再次加入蒸馏水直至15 mL，Alpha-1506型紫外可见分光光度计在波长分辨率为0.1 nm的条件下在540 nm的波长条件下测定混合溶液的吸光度，此时测定的曲线为葡萄糖标准溶液曲线。将上述棉纤维水解后收集的硫酸溶液均稀释到0.1～1.0 mg/mL，将稀释后的溶液加入蒸馏水直至1.0 mL后，利用移液管将其移至15 mL的玻璃试管中，加入2.0 mL的DNS试剂，在恒温水浴锅中沸煮2 min，冷却后加入蒸馏水直至15 mL，使用Alpha-1506型紫外可见分光光度计在波长分辨率为0.1 nm的条件下测试试样在540 nm的吸光度。测试数据对照上述标准葡萄糖曲线找出测试数据的mg/mL，从而计算硫酸水解棉纤维的生成还原糖质量浓度。

1.3.3红外光谱测试

将未经水解处理的棉纤维与经质量分数为30%的硫酸处理150 min的棉纤维剪成纤维碎末后与溴化钾混合均匀，制成溴化钾压片，利用IRsolution傅立叶变换红外光谱仪对制成的溴化钾压片进行扫描测试。IRsolution傅立叶变换红外光谱仪测试参数设置：扫描波长范围为4000～400 cm-1，扫描分辨率为0.5 cm-1，扫描方式采取连续扫描，每个溴化钾压片试样扫描的次数均为42次。

1.3.4X衍射

将未经水解处理的棉纤维棉纤维与经质量分数为30%的硫酸处理150 min的棉纤维剪成纤维碎末后制成棉纤维碎末压片，使用MiniFlex 600 台式X射线衍射仪对棉纤维试样压片进行X衍射扫描测试。MiniFlex 600 台式X射线衍射仪扫描参数设置：光管电流为60 mA，光管电压为60 kV，光管功率为2.2 kW，陶瓷X光管；Cu靶；Ni滤波；扫描范围为5°～45°；Kα射线波长为0.154 nm；扫描速度为2 °/min。

2　结果与讨论

2.1棉纤维还原糖质量浓度测定

棉纤维在不同质量分数浓度的硫酸条件下处理不同时间的还原糖质量浓度测定结果如表1所示。从表1的棉纤维还原糖质量浓度测定结果可以看出，在相同的水解时间条件下，棉纤维还原糖质量浓度随着硫酸质量浓度的增加而不断增加。在相同的硫酸质量浓度条件下，棉纤维还原糖质量浓度随着时间的增加而不断增加。因此，可以得出结论，在硫酸质量分数为5%～30%，水解时间30 min～150 min，棉纤维的水解程度与硫酸的质量分数和水解时间呈现正相关性。

表1　棉纤维还原糖质量浓度测定结果

注：表中的5%，10%，15%，20%，25%，30%分别代表在质量分数为5%，10%，15%，20%，25%，30%的硫酸处理条件下棉纤维还原糖质量浓度(/g/L)

2.2红外光谱

棉纤维红外光谱曲线如图1所示。从图1可以明显看出，水解前后红外光谱曲线的吸收峰的峰的位置大致相同。在3380 cm-1附近的吸收峰是由于—NH2与—OH的伸缩振动引起，相比未经水解处理的棉纤维，经质量分数为30%硫酸水解150 min的棉纤维的峰宽增大，这是由于经过水解处理后，纤维素大分子被还原为葡萄糖，亲水基团增多，造成基团之间氢键结合力增加而引起的。在2900 cm-1附近的吸收峰是由于C—H的伸缩振动引起的，而在1640 cm-1附近的吸收峰是由于酰胺基团的振动引起的，而在1430 cm-1与1370 cm-1附近的吸收峰是由于C—H的弯曲振动引起的，而在1160～1060 cm-1的吸收峰是由于C—O—C的伸缩振动引起的。由此可知，经过硫酸水解处理并未改变棉纤维纤维素Ⅰ的晶型结构。

注：曲线a—未经水解处理的棉纤维；曲线b—经质量分数为30%硫酸水解150min的棉纤维

2.3X衍射

注：曲线a—未经水解处理的棉纤维；曲线b—经质量分数为30%硫酸水解150 min的棉纤维

3　结论

通过利用硫酸对棉纤维进行水解表明，硫酸水解前后棉纤维晶型结构保持纤维素Ⅰ不变，水解程度在硫酸质量分数为5%～30%，水解时间在30～150 min范围，随着硫酸质量分数的增加，水解时间的延长，水解程度加大，但棉纤维结晶度随着水解程度的增加而降低。

[1]庄新姝,王树荣,袁振宏,等.纤维素超低酸水解产物的分析[J].农业工程学报,2007,23(2):177—182.

[2]李嘉喆,林鹿,孙勇,等.混酸水解纤维素的工艺研究[J].纤维素科学与技术,2008,16(2):48—52.

[3]赵永亮,王卫国.正交试验法探讨单酸降解纤维素的最佳条件[J].生物技术, 2001,11(6):30—32.

[4]陈亚宁，陈昀.稀盐酸水解棉纤维反应过程的综合研究[J].北京服装学院学报，2010,30(2):23—28.

Hydrolysis with Sulfuric Acid Effected on the Performance of Cotton Fiber

LinYanping

(Jiangxi Institute of Fashion Technology, Nanchang 330201, China)

Sulfuric acid was used to hydrolyze cotton fiber to research molecular structure of cotton fiber impacted by sulfuric acid hydrolysis. Studies showed that crystal structure of cotton fiber remains the same before and after acid hydrolysis, hydrolysis degree of cotton fiber increased in 5% ～ 30% of mass fraction of sulfuric acid and 30 min ～ 150 min of hydrolysis time. However, the crystallinity of cotton fiber decreased with the hydrolysis degree increasing .

sulfuric acid;hydrolysis;cotton fiber;molecular structure

2015-07-29

江西省高等学校教学改革研究课题(项目编号：JXJG-13-26-7)

林燕萍(1982— )，女，四川泸州人，讲师。

TQ353

A

1009-3028(2015)06-0053-04