植物纤维化学

杨冬梅

目录

  • 1 前言
    • 1.1 绪论
  • 2 植物纤维原料的生物结构及化学成分
    • 2.1 植物纤维原料的分类
    • 2.2 植物纤维原料的化学组成
      • 2.2.1 随堂测验1
      • 2.2.2 随堂测验2
    • 2.3 木材纤维原料的生物结构及细胞形态
    • 2.4 阔叶材的显微结构
      • 2.4.1 随堂测验3
    • 2.5 非木材纤维原料的生物结构及细胞形态
    • 2.6 纤维形态参数及对纸张的强度的影响
      • 2.6.1 随堂测验4
    • 2.7 植物纤维细胞壁的微细结构
      • 2.7.1 随堂测验5
    • 2.8 课后习题
    • 2.9 木材显微结构分析作业
    • 2.10 第一章 PPT
  • 3 木素
    • 3.1 概述
      • 3.1.1 课堂作业
    • 3.2 木素的分离与精制
    • 3.3 木素的定量方法
      • 3.3.1 随堂测验6
    • 3.4 木素的化学结构及其研究方法
      • 3.4.1 随堂测验7
    • 3.5 木素的物理性质
    • 3.6 木素的化学性质1
    • 3.7 木素的化学性质2
      • 3.7.1 随堂测验8
    • 3.8 木素的化学性质3
    • 3.9 木素的综合利用
      • 3.9.1 木素的综合利用
      • 3.9.2 翻转课堂
    • 3.10 课后习题
    • 3.11 第二章 PPT
  • 4 纤维素
    • 4.1 概述
    • 4.2 纤维素的分子结构
      • 4.2.1 随堂测验9
    • 4.3 纤维素的聚集态结构
      • 4.3.1 随堂测验10
    • 4.4 纤维素的物理和物理化学性质
      • 4.4.1 随堂测验 11
    • 4.5 纤维素的相对分子量和聚合度
      • 4.5.1 随堂测验12
    • 4.6 纤维素的酸水解降解反应
    • 4.7 纤维素的碱性降解和氧化降解
      • 4.7.1 随堂测验13
    • 4.8 纤维素纤维的化学反应与化学改性
      • 4.8.1 随堂测验14
    • 4.9 章节习题
    • 4.10 纤维素 PPT
  • 5 半纤维素
    • 5.1 半纤维素的种类及含量
    • 5.2 半纤维素的化学结构
    • 5.3 半纤维素的分离与提取
    • 5.4 半纤维素的聚集态结构和物理性质
    • 5.5 半纤维素的化学性质
    • 5.6 半纤维素的利用
    • 5.7 章节习题
    • 5.8 半纤维素PPT
  • 6 实验课程内容
    • 6.1 实验一  造纸原料水分含量的测定
      • 6.1.1 视频
      • 6.1.2 课堂作业
    • 6.2 实验二 造纸原料苯-醇抽提物含量的测定
      • 6.2.1 视频
      • 6.2.2 课堂作业
    • 6.3 实验三 酸不溶木素含量的测定
      • 6.3.1 视频
    • 6.4 实验四 综纤维素含量的测定
      • 6.4.1 视频
    • 6.5 实验五 聚戊糖含量的测定
实验五 聚戊糖含量的测定

聚戊糖是一种半纤维素,它是由木糖、阿拉伯糖等五碳糖构成的高聚物的混合物。阔叶材半纤维素中的聚戊糖含量比针叶材高,它以聚-O-乙酰基-4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖为主。针叶材半纤维素中含有聚阿拉伯糖-4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖,但量较少。麦秆、稻草、芦苇等禾本科植物的主要半纤维素是聚阿拉伯糖葡萄糖醛酸木糖。聚戊糖分子式是(C5H8O4n,针叶材聚戊糖含量一般为7%~10%,阔叶材为12%~26%,禾本科植物为20%~28%。 

1.测定原理

聚戊糖含量的测定不能采用直接方法测定,而是使用间接的方法测定的。间接测定的原理是将试样经酸水解,将聚戊糖水解为戊糖,随后戊糖脱水转化为糠醛,测定此糠醛的含量再换算成聚戊糖的含量。

(1)试样的蒸馏反应原理

试样与12%质量浓度的盐酸共沸,使试样中的聚戊糖水解生成戊糖,戊糖进—步脱水转化为糠醛,并将蒸馏出的糠醛经冷凝后收集于接收瓶中。反应式如下: 



(C5H8O4)nH2O → n C5H10O5  →  n C5H4O2

(2)溴化法测定糠醛含量的原理

    蒸馏产生的糠醛的量,可采用溴化法进行测定。

    溴化法是基于加入一定量溴化物与溴酸盐的混合液于糠醛馏出液中,溴即按下式析出,并与糠醛作用:

            5KBr+ KBrO3 + 6HCl→3Br2 + 6KCl + 3H2O

与糠醛作用剩余的溴在加入过量的碘化钾后,立即析出碘,再用硫代硫酸钠标准溶液滴定析出的碘(以淀粉为指示剂),即可求得溴的实际消耗量,由此可计算出糠醛的含量。然后再计算出聚戊糖的含量。

其反应式如下:

           3Br2 + 6KI→3I2+ 6KBr

           3I2+ 6Na2S2O3→ 6NaI + 3Na2S4O6

溴与糠醛的反应因条件不同而异,通常分为二溴化法和四溴化法两种。可根据具体情况选择。

根据鲍维尔和维达克等人的研究,含糠醛的溶液在室温下与过量溴作用1 h,1摩尔的糠醛可与4.05摩尔的溴化合,称为四溴化法。反应式如下:

如温度在0~2℃作用5 min时,则1 mol糠醛将与2 mol溴化合,称为二溴化法。反应式如下:


二溴化法准确度较高,用已知糠醛含量的溶液作对比,测定误差在0.4%以内。试验还表明溴化时间延长到60 min,溴被进一步消耗的量亦很少。因此一般认为二溴化法较四溴化法准确度高。但四溴化法如能严格控制溴化温度在20~25,其准确度也不次于二溴化法。 

2. 聚戊糖含量的测定(溴化法参见GB745-2003

    测定方法是使原料与12%盐酸溶液共同加热,以便其中聚戊糖转化为糠醛,并用溴化法测定蒸馏出来的糠醛。

(1)仪器

糠醛蒸馏装置(如图),其组成如下:圆底烧瓶(容量500 mL)、蛇形冷凝器、滴液漏斗(容量60 mL)、接收瓶(500mL、具有30 mL间隔刻度)、可控温电炉、可控温水浴锅、容量瓶(50 mL和500 mL)、具塞锥形瓶(500 mL和1000 mL)、移液管(25 mL和200 mL)、量筒(10 mL)、碱式滴定管(50 mL)、升降台。

(2)试剂

12%(质量分数)盐酸溶液、溴酸钠-溴化钠溶液、0.1 mol/L硫代硫酸钠标准溶液、乙酸苯胺溶液、1 mol/L氢氧化钠溶液、酚酞指示剂、碘化钾溶液、淀粉指示液、氯化钠(分析纯)。 

3. 测定步骤

(1)糠醛的蒸馏

精确称取试样(试样中聚戊糖含量高于12%者称0.5 g,低于12%者称取1 g精确至0.0001 g),置入500 mL圆底烧瓶中。加入10 g氯化钠,再加入100 mL 10%的盐酸溶液。装上冷凝器和滴液漏斗,倒一定量的12%盐酸于滴液漏斗中。调节电炉温度,使圆底烧瓶内容物沸腾,并控制蒸馏速度为每10 min蒸馏出30 mL馏出液。此后每当蒸馏出30 mL,即从滴液漏斗中加入12%盐酸30 mL于烧瓶中。至总共蒸出300 mL馏出液时,用乙酸苯胺溶液检验糠醛是否蒸馏完全,为此,用一试管从冷凝器下端集取1 mL馏出液,加入1~2滴酚酞指示剂,滴入1 mol/L氢氧化钠溶液中和至恰显微红色,然后加入1 mL新配制的乙酸苯胺溶液,放置1 min后如显红色,则证实糠醛尚未蒸馏完全,仍须继续蒸馏;如不显红色,则表示蒸馏完毕。

糠醛蒸馏完毕后,将接收瓶中的馏出液移入500 mL容量瓶中,用少量12%盐酸漂洗接收瓶,并将全部洗液倒入容量瓶中,然后加入12%盐酸定容至刻度,充分摇匀后得到馏出液A。

(2)二溴化法糠醛的测定及计算

    用移液管吸取200 mL馏出液A于1000 mL锥形瓶中,加入250 g用蒸馏水制成的碎冰,当馏出液降至0℃时,加入25 mL溴酸钠-溴化钠溶液,迅速塞紧瓶塞,在暗处放置5 min,此时溶液温度应保持在0℃。达到规定时间后,加入100 g/L碘化钾溶液10 mL,迅速塞紧瓶塞,摇匀,在暗处放置5 min,用0.1 mol/L Na2S2O3标准溶液滴定,当溶液变为浅黄色时,加入5 g/L淀粉溶液2~3 mL,继续滴定至蓝色消失为止。

    另吸取12%盐酸溶液200 mL,按上述操作进行空白试验。

糠醛含量X(%)按下式计算:

 

式中v1—— 空白试验所消耗的0.1 mol/L Na2S2O3标准溶液的体积,mL;

     v2—— 试样所消耗的0.1 mol/L Na2S2O3标准溶液的体积,mL;

     c ——  Na2S2O3标准溶液的浓度,mol/L;

     m—— 所称试样的质量,g;

     w—— 试样水分含量;

     0.048—— 与1 mmol Na2S2O3溶液相当的糠醛量,g。

(3)聚戊糖的计算

木材原料中聚戊糖含量按下式计算:

聚戊糖%=糠醛%×1.88

    式中:1.88为根据聚戊糖只有73%转化为糠醛的换算因数。

非木材原料中聚戊糖含量按下式计算:

聚戊糖%=糠醛%×1.38

式中:1.38为糠醛换算为聚戊糖的理论换算因数。

 

同时进行两次测定,取其算术平均值作为测定结果。测定结果计算至小数点后第二位。两次测定计算值间相差不应超过0.40%。 

4. 注意事项

(1)糠醛蒸馏易造成误差,实验时一定严格掌握蒸馏操作条件(蒸馏速度、补加盐酸间隔和数量等),以保证最佳的糠醛得率。

(2)试样与盐酸共沸时,容易产生爆沸现象,而使试样溅留在蒸馏瓶上部器壁处。为此,可在蒸馏瓶中放入数粒玻璃球,并注意调节适宜的蒸馏温度,以使蒸馏过程正常进行。

(3)蒸馏过程中糠醛蒸气外逸是造成收集糠醛得率偏低的主要原因。因此,务必注意检查接口处磨口是否严密,也可在圆底烧瓶磨口处用12%盐酸封口,并用湿润的pH试纸置于磨口附近(不要与瓶口接触),测试有无酸性气体逸出,如pH试纸显红色则表示磨口处不够严密,如逸气严重应更换糠醛蒸馏装置,重新测定。

(4)采用溴化法测定糠醛含量时,务必严格控制规定的温度和时间。