一种植物纤维次生壁S2层解离的方法

技术领域

本发明涉及植物纤维次生壁S2层解离技术领域，具体涉及结合碱性过氧化氢浸渍和机械盘磨处理植物样本使其次生壁S2层解离的技术。

背景技术

纤维类生物质是世界上一种可再生且生态友好的自然资源，近年来由于其较高的比表面积和出色的机械强度受到了广泛的关注，尤其是作为高性能复合材料的基体，例如：纸基柔性电极，传感器，超级电容器和电磁干扰屏蔽材料等。生物质是由植物纤维这一类厚壁组织构成，而植物纤维主要包括纤维素、半纤维素和木质素三大组分，这也致使植物纤维成分可进行化学修饰而改变其自身性能，但植物纤维在分子结构和组织结构中表现出极大的化学抗性，限制其高附加值的利用。具体而言，在植物纤维的分子结构中，木质素和半纤维素通过氢键和酯键连接，纤维素被包裹于其中形成密闭的三维网络结构，从而产生不足的纤维素利用率。除此之外，植物纤维细胞壁由初生壁(P)、次生壁(S1、S2、S3)构成，其中次生壁S2层具有最高的纤维素含量，但其被其他细胞壁包围形成致密的组织结构，导致次生壁S2层纤维素无法利用。

迄今为止，提出多种预处理方法(化学法、物理法、生物法)用以破坏植物纤维的分子结构和组织结构，实现较大的纤维素可及度和比表面积。通常，传统化学预处理能有效地去除半纤维素和木质素，从而破坏分子结构，但是，它对组织结构的破坏毫无作用，况且，高效的化学预处理需要高温、高压等操作条件，对设备的要求较高，增加了处理的成本。针对化学预处理的缺点，机械预处理表现出较大的优势，由于强大的机械力可以使纤维分丝帚化，从而实现组织结构屏障的破坏。机械预处理不仅增加了比表面积，也增加了次生壁S2层纤维素的暴露程度，但由于分子结构抗性的存在，致使机械能耗增加，且由于机械操作的复杂性、难控性破坏了植物纤维的组织结构，这将无法利用其空间结构的优势。

鉴于此，现提出一种温和的植物纤维次生壁S2层解离方法，既实现了植物纤维次生壁S2层纤维素的暴露，也保留了其原有的空间结构。这种方法主要包括两部分：第一，采用温和的碱性过氧化氢处理植物纤维，降解木质素、半纤维素，减少分子结构抗性，再利用机械盘磨解离纤维，在较低的能耗下达到纤维次生壁S2层暴露的目的。这种方法不仅同时克服了分子结构和组织结构的抗性，而且增加了植物纤维表面纤维素含量，是一种操作简单，绿色环保，且可行的方法。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种植物纤维次生壁S2层解离的方法，鉴于化学预处理和机械预处理的优点，我们考虑将两者结合处理植物纤维，既实现了植物纤维次生壁S2层的解离，又减少了生产成本。首先，化学预处理可以有效的减少分子结构的抗性，暴露被包裹的纤维素，其次，盘磨机利用较低的能耗就可将植物纤维的次生壁S2层进行剥离，将次生壁S2层的纤维素暴露于植物纤维表面，在这一过程中，植物纤维分丝帚化，极大的增加了其比表面积，最重要的是，在这种温和的处理方式下，植物纤维的空间结构得到最大程度的保留，这将利于植物纤维高附加值的利用。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种植物纤维次生壁S2层解离的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：将植物样本用粉碎机粉碎，并浸泡，过滤后转移至双螺杆挤压机中进行疏解，将植物样本中的空气、多余的水分及树脂挤出，并将植物木片碾碎；

步骤2：将步骤1获得的植物样本和碱性过氧化氢溶液混合，搅拌均匀，接着置于盘磨机中盘磨；

步骤3：将步骤2获得的植物样本加热反应；

步骤4：将步骤3获得的植物样本在盘磨机中反复盘磨；

步骤5：将步骤4获得的植物样本经洗涤，脱水，消潜，然后用振动筛除去纤维束，最终获得S2层解离的植物纤维。

所述植物样本选自杉木、杨木、马尾松中的任一种。

所述处理植物样本的含水量20％-30％wt。

螺旋挤压在室温下操作，挤压时间为10-15min。

所述的碱性过氧化氢溶液是将占植物样本干重的10％-25％的NaOH溶液、植物样本干重的10％-16％的H

盘磨机操作转速为3000r/min，盘磨间距为0.5mm，且室温下进行盘磨。

用耐温密封袋保存植物样本置于烘箱中保温。

用去离子水洗涤至中性；脱水采用脱水机，转速为4000r/min-6000r/min；消潜在100℃去离子水中进行，转速为9000r/min-10000r/min。

步骤2中植物样品和碱性过氧化氢溶液按固液比1：5混合。

步骤3总加热反应是在温度为95-105℃的烘箱中，反应时间是1-1.5h。

有益效果

本发明不仅可以打破植物纤维分子结构的抗性，也可以克服其组织结构的屏障，获得次生壁S2层解离的植物纤维，且由于被解离的植物纤维表面纤维素含量增加，可进行高效的化学修饰，实现植物纤维高附加值的利用。本发明主要是结合碱性过氧化氢浸渍和机械盘磨这两种处理方法解离植物纤维，导致植物纤维次生壁S2层中高含量的纤维素得以暴露并利用，有效增加比表面积，且保留其原本的空间结构。其中，碱性过氧化氢与传统化学预处理相比，温和的反应条件减少了设备的成本及化学有毒物质的残留，在处理的过程中，去除了半纤维素和木质素组分，分子结构得以破坏。由于分子结构抗性的减少，利用较低能耗就可解离植物纤维次生壁S2层，且由于机械盘磨易控制、较温和，保留了植物纤维的空间结构。这一个组合式处理方法承载了单一与处理方法的优点，使纤维S2层得到解离，增加表面纤维素的可及度，由于在机械处理中植物纤维次生壁S3层得以保留而维持了原有的空间结构。本发明利用解离植物纤维S2层解决其表面活性位点低、分子屏障大的问题，是一种简单、可行且低成本的方法。

附图说明

图1为实施例1的池杉纤维的SEM。

图2为实施例1的池杉纤维的TEM。

图3为实施例2的池杉纤维的SEM。

图4为实施例2的池杉纤维的TEM。

图5为实施例3的池杉纤维的SEM。

图6为实施例3的池杉纤维的TEM。

图7为植物纤维经碱性过氧化氢预处理的TEM图。

具体实施方式

一种植物纤维次生壁S2层解离的方法，步骤为：

步骤1：将植物木片有用粉碎机切碎，浸泡12h，植物样本过滤后转移至双螺杆挤压机中进行疏解，将木片中的空气、多余的水分及树脂挤出，并将木片碾碎至小于2cm。

步骤2：将占植物样本干重的10％-25％的NaOH溶液、植物样本干重的10％-16％的H

步骤3：将步骤1获得的植物样品和步骤2配置的碱性过氧化氢溶液按固液比1:5混合，搅拌均匀，后置于盘磨机中盘磨5-10min，以增加混合物的热量及植物纤维组织结构的疏松度，促进药液的渗透。

步骤4：将步骤3获得的植物样本置于95-105℃烘箱中反应1-1.5h。

步骤5：将步骤4获得的植物样本置于盘磨机中反复盘磨1-4次(每次4-7min)。

步骤6：将步骤5获得的植物样本用水洗涤，除去多余的药液，过滤后置于搅拌机中消潜，以较少植物纤维的卷曲度，之后用振动筛除去未得到解离的纤维束，最终获得次生壁S2层解离的植物纤维样本。

所述步骤1中的植物样本为针叶材或阔叶材，包括杉木、马尾松、杨木。

所述步骤1中获得的植物样本含水量为20％-30％。

所述步骤2中的H

所述步骤3，5中盘磨机操作转速为3000r/min，盘磨间距为0.5mm。

所述步骤4中用耐温密封袋保存植物样本置于烘箱中保温。

所述步骤6中洗涤植物样本至中性；脱水采用脱水机，其转速为4000r/min-6000r/min；消潜在100℃水中进行，转速为9000r/min-10000r/min。

所述步骤1、2、3、6中使用的水均为去离子水。

实施例1

将20cm厚的池杉木圆盘用粉碎机粉碎，粉碎的木材样品用水浸泡12h，浸泡结束后过滤，过滤后的木材样品置于双螺旋挤压机中进行疏解，直至通过2cm的筛网。将占植物样本干重的17.5％的NaOH溶液、植物样本干重的10％的H

实施例2

将20cm厚的池杉木圆盘用粉碎机粉碎，粉碎的木材样品用水浸泡12h，浸泡结束后过滤，过滤后的木材样品置于双螺旋挤压机中进行疏解，直至通过2cm的筛网。将占植物样本干重的17.5％的NaOH溶液、植物样本干重的12％的H

实施例3

将20cm厚的池杉木圆盘用粉碎机粉碎，粉碎的木材样品用水浸泡12h，浸泡结束后过滤，过滤后的木材样品置于双螺旋挤压机中进行疏解，直至通过2cm的筛网。将占植物样本干重的17.5％的NaOH溶液、植物样本干重的16％的H