温度对竹子氧化进程的作用
付嘉嘉，杜晓莹，马经纬，李正帆和于崇文
a. 自然科技重点实验室Eco-Textiles, 教育部, 江南大学, 中国无锡
b. 现代丝绸国家工程实验室, 东吴大学, 中国苏州
c. 中国纺织学院, 东华大学, 中国上海
原始科学论文
DOI: 10.2298/TSCI1504361F
应用氧化进程来移除竹子的木质素，本文采用各种氧化剂来调查其对竹子木质素氧化的可能作用。本文得出的结论是，温度是氧化剂性能的主要因素。
关键词：温度、竹子、氧化进程
前言
竹子是一种常年生长的绿色植物和快速成长的可再生资源, 具有优良的抗菌, 抗紫外线, 制氨, 除臭的属性[1]。它具有巨大潜力成为一种新型和主要的纺织纤维材料。竹子作为天然纤维具有很大优越性，在纺织领域它属于韧皮纤维。
脱胶是获得原生植物纤维的主要过程。典型的脱胶主要依靠热的碱性浓缩液来去除非纤维素物质，这样会导致严重的环境污染和对纤维品质不可避免的影响[2]。因此为了减少或避免污染，就需要更努力地去寻找一种可持续的方式。之前的韧皮纤维提取工艺显示，氧化剂代替碱进行化学脱胶，可以减少对环境的污染[3]。然而，竹子的主要结构和传统的韧皮材料(苎麻和亚麻) 还是有区别的。竹木材具有非常密实的结构和含有更多的非纤维素物质(主要是木素和木聚糖) 。因此，对脱胶的技术要求更高。预处理有利于打开竹的结构，使氧化剂进一步渗透竹子。
在这项工作中应用各种氧化剂的目的是为了除去竹子主要非纤维素物质，即木质素。这里主要研究温度对氧化剂影响的主要性能。
材料和方法
材料
两年生的中国浙江地区竹子，然后去除表皮，剩下竹茎切成条。竹条放置到碱性溶液中煮到软化然后用玻璃棒叠加起来并且用稀释酸冲洗。最后，粗糙的竹条制备完成并且等待进一步氧化处理。各种将用于处理粗糙竹条的氧化剂，包括过碳酸钠, 过硫酸钠, 过硼酸钠, 过氧化脲, 和过氧化氢。其氧化能力将通过用iodimetry 法进行评估。
方法
（1） 对粗糙竹条的氧化进程
5克粗糙竹条被放置在总固液比为1:20的厄伦美厄烧瓶中。各种具有和0.03mol/l的过氧化氢溶液相同氧化性的氧化剂将用来处理粗糙竹条。这个反应在PH 为9的状态下进行了2个小时。不等的处理温度，包括20°C,35°C,50°C,65°C,80°C, 和95°C ，用来评估温度对于氧化进程的影响。处理之后，所有的样品都用热水冲洗并且煮30分钟用来停止氧化反应，避免样品过度氧化。
（2） 评估竹子的氧化进程
用TU-1901紫外分光光度计(浦肯野通用仪器有限公司, 北京, 中国) 记录反应液的紫外光谱为了快速检验溶解的木质素。与此同时，反应液体过滤和蒸发得到的沉淀用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和溴化钾进行分析。光谱被记录在吸收模式为2cm-1, 吸收区间为4000-500cm-1的波长范围的红外光谱分光光度计(美国Avatar380) 中。用gb5889 - 86的标准方法(中国苎麻化学成分定量分析) 对被氧化剂处理过的竹条和原始的竹子中的木质素的含量进行测定。 结果和讨论
温度对氧化进程的作用
温度对氧化进程的影响如图一所示。吸收波长的最高峰值出现在290nm ，是木质素的特征波长。木质素的含量和峰值强度成正比。图一清晰表明，随着温度的增加，峰值强度在提高。这句话就是说，峰值越强即更多的木质素被溶解在反应液中。处理温度低于50℃时，氧化进程的效果是有限的。当温度达到95℃时木质素收益率最高。因此，高温有益于氧化进程。 从竹子中去除的沉淀的特征
图二显示为竹子氧化进程中去除的沉淀的红外光谱
在1 632 - 1 654 cm
这一范围的波段是由于水的吸收和木质素中碳氧键的拉伸造成的。而
1450 cm - 1,1500 cm - 1,1580 cm - 1,和1600 cm – 1这几个波段是因为竹子木质素中芳香环骨架的弹性振动引起的。1460 cm - 1和1380 cm – 1这两个波段是甲基的特征吸收峰。一个在1045 cm – 1的波段表示羧酸酯的存在, 而一个在966 cm – 1的波段则证明双约束结构与反式构型的存在。850 cm - 1 - 900 cm – 1这一波段范围表示替换苯环的结构在第五的位置。800 cm - 1 - 860 cm - 1,和750 cm - 1 - 800 cm – 1这两个波段分别显示苯环结构的存在有两个和三个相邻的氢。这些观察数据似乎显示那些沉淀主要由氧化的木质素组成。
木质素含量分析
分析表明被过氧化氢、过碳酸钠、过硼酸钠, 过氧化脲, 过硫酸钠处理过的竹子的木质素含量分别是17.32%,20.56%,14.26%,19.77%,和18.53%。相比之下，木质素在原竹中的含量达到24.74%，所以氧化剂通过氧化作用有益于去除木质素。
结论
我们经过调查竹材料在不同温度下进行氧化的过程。我们得出了这项工作中被试用的所有氧化剂，包括过碳酸钠, 过硫酸钠, 过硼酸钠, 过氧化脲、过氧化氢，在95℃高温下有益于木质素的氧化，从而更好地去除竹子中的木质素。这项工作为竹纤维氧化进程的发展铺平了道路。 感谢
这项工作是由中国国家自然科学基金(批准号31201134和31201134); 中国江苏省自然科学基金(批准号BK2012112); 江苏省技术未来产学联合基金项目(批准号BY2013015-24) 和现代丝绸国家工程实验室开放项目(批准号KJS1312) 等支持完成。
参考文献
[1] Fu, J. J., et al., Bamboo Fiber Processing: Insights into Hemicellulase and Cellulase Substrate Accessibility, Biocatalysis and Biotransformation, 30 (2012), 1, pp. 27-37
[2] Fu, J. J., et al., Bio-Processing on Bamboo Fiber Extraction for Textile Application: a Mini Review, Biocatalysis and Biotransformation, 30 (2012), 1, pp. 141-153
[3] Li, Z. L., Yu, C. W., The Effect of Oxidation-Reduction Potential on the Degumming of Ramie Fiberswith Hydrogen Peroxide, Journal of the Textile Institute,
DOI:10.1080/00405000.2014.985889
温度对竹子氧化进程的作用
付嘉嘉，杜晓莹，马经纬，李正帆和于崇文
a. 自然科技重点实验室Eco-Textiles, 教育部, 江南大学, 中国无锡
b. 现代丝绸国家工程实验室, 东吴大学, 中国苏州
c. 中国纺织学院, 东华大学, 中国上海
原始科学论文
DOI: 10.2298/TSCI1504361F
应用氧化进程来移除竹子的木质素，本文采用各种氧化剂来调查其对竹子木质素氧化的可能作用。本文得出的结论是，温度是氧化剂性能的主要因素。
关键词：温度、竹子、氧化进程
前言
竹子是一种常年生长的绿色植物和快速成长的可再生资源, 具有优良的抗菌, 抗紫外线, 制氨, 除臭的属性[1]。它具有巨大潜力成为一种新型和主要的纺织纤维材料。竹子作为天然纤维具有很大优越性，在纺织领域它属于韧皮纤维。
脱胶是获得原生植物纤维的主要过程。典型的脱胶主要依靠热的碱性浓缩液来去除非纤维素物质，这样会导致严重的环境污染和对纤维品质不可避免的影响[2]。因此为了减少或避免污染，就需要更努力地去寻找一种可持续的方式。之前的韧皮纤维提取工艺显示，氧化剂代替碱进行化学脱胶，可以减少对环境的污染[3]。然而，竹子的主要结构和传统的韧皮材料(苎麻和亚麻) 还是有区别的。竹木材具有非常密实的结构和含有更多的非纤维素物质(主要是木素和木聚糖) 。因此，对脱胶的技术要求更高。预处理有利于打开竹的结构，使氧化剂进一步渗透竹子。
在这项工作中应用各种氧化剂的目的是为了除去竹子主要非纤维素物质，即木质素。这里主要研究温度对氧化剂影响的主要性能。
材料和方法
材料
两年生的中国浙江地区竹子，然后去除表皮，剩下竹茎切成条。竹条放置到碱性溶液中煮到软化然后用玻璃棒叠加起来并且用稀释酸冲洗。最后，粗糙的竹条制备完成并且等待进一步氧化处理。各种将用于处理粗糙竹条的氧化剂，包括过碳酸钠, 过硫酸钠, 过硼酸钠, 过氧化脲, 和过氧化氢。其氧化能力将通过用iodimetry 法进行评估。
方法
（1） 对粗糙竹条的氧化进程
5克粗糙竹条被放置在总固液比为1:20的厄伦美厄烧瓶中。各种具有和0.03mol/l的过氧化氢溶液相同氧化性的氧化剂将用来处理粗糙竹条。这个反应在PH 为9的状态下进行了2个小时。不等的处理温度，包括20°C,35°C,50°C,65°C,80°C, 和95°C ，用来评估温度对于氧化进程的影响。处理之后，所有的样品都用热水冲洗并且煮30分钟用来停止氧化反应，避免样品过度氧化。
（2） 评估竹子的氧化进程
用TU-1901紫外分光光度计(浦肯野通用仪器有限公司, 北京, 中国) 记录反应液的紫外光谱为了快速检验溶解的木质素。与此同时，反应液体过滤和蒸发得到的沉淀用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和溴化钾进行分析。光谱被记录在吸收模式为2cm-1, 吸收区间为4000-500cm-1的波长范围的红外光谱分光光度计(美国Avatar380) 中。用gb5889 - 86的标准方法(中国苎麻化学成分定量分析) 对被氧化剂处理过的竹条和原始的竹子中的木质素的含量进行测定。 结果和讨论
温度对氧化进程的作用
温度对氧化进程的影响如图一所示。吸收波长的最高峰值出现在290nm ，是木质素的特征波长。木质素的含量和峰值强度成正比。图一清晰表明，随着温度的增加，峰值强度在提高。这句话就是说，峰值越强即更多的木质素被溶解在反应液中。处理温度低于50℃时，氧化进程的效果是有限的。当温度达到95℃时木质素收益率最高。因此，高温有益于氧化进程。 从竹子中去除的沉淀的特征
图二显示为竹子氧化进程中去除的沉淀的红外光谱
在1 632 - 1 654 cm
这一范围的波段是由于水的吸收和木质素中碳氧键的拉伸造成的。而
1450 cm - 1,1500 cm - 1,1580 cm - 1,和1600 cm – 1这几个波段是因为竹子木质素中芳香环骨架的弹性振动引起的。1460 cm - 1和1380 cm – 1这两个波段是甲基的特征吸收峰。一个在1045 cm – 1的波段表示羧酸酯的存在, 而一个在966 cm – 1的波段则证明双约束结构与反式构型的存在。850 cm - 1 - 900 cm – 1这一波段范围表示替换苯环的结构在第五的位置。800 cm - 1 - 860 cm - 1,和750 cm - 1 - 800 cm – 1这两个波段分别显示苯环结构的存在有两个和三个相邻的氢。这些观察数据似乎显示那些沉淀主要由氧化的木质素组成。
木质素含量分析
分析表明被过氧化氢、过碳酸钠、过硼酸钠, 过氧化脲, 过硫酸钠处理过的竹子的木质素含量分别是17.32%,20.56%,14.26%,19.77%,和18.53%。相比之下，木质素在原竹中的含量达到24.74%，所以氧化剂通过氧化作用有益于去除木质素。
结论
我们经过调查竹材料在不同温度下进行氧化的过程。我们得出了这项工作中被试用的所有氧化剂，包括过碳酸钠, 过硫酸钠, 过硼酸钠, 过氧化脲、过氧化氢，在95℃高温下有益于木质素的氧化，从而更好地去除竹子中的木质素。这项工作为竹纤维氧化进程的发展铺平了道路。 感谢
这项工作是由中国国家自然科学基金(批准号31201134和31201134); 中国江苏省自然科学基金(批准号BK2012112); 江苏省技术未来产学联合基金项目(批准号BY2013015-24) 和现代丝绸国家工程实验室开放项目(批准号KJS1312) 等支持完成。
参考文献
[1] Fu, J. J., et al., Bamboo Fiber Processing: Insights into Hemicellulase and Cellulase Substrate Accessibility, Biocatalysis and Biotransformation, 30 (2012), 1, pp. 27-37
[2] Fu, J. J., et al., Bio-Processing on Bamboo Fiber Extraction for Textile Application: a Mini Review, Biocatalysis and Biotransformation, 30 (2012), 1, pp. 141-153
[3] Li, Z. L., Yu, C. W., The Effect of Oxidation-Reduction Potential on the Degumming of Ramie Fiberswith Hydrogen Peroxide, Journal of the Textile Institute,
DOI:10.1080/00405000.2014.985889