第三章-2 纖維素的物理化學(xué)性質(zhì).pdf

1 Wood Chemistry 第二節(jié)第二節(jié) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院輕工科學(xué)與工程學(xué)院 纖維素的物理化學(xué)性質(zhì)纖維素的物理化學(xué)性質(zhì) Wood Chemistry纖維素的物理化學(xué)性質(zhì)纖維素的物理化學(xué)性質(zhì) 吸濕 主要介紹主要介紹纖維素纖維素 潤(rùn)脹 輕工科學(xué)與工程學(xué)院輕工科學(xué)與工程學(xué)院 主要介紹主要介紹纖維素纖維素 潤(rùn)脹 溶解 Wood Chemistry 一 纖維素的吸濕一 纖維素的吸濕 吸濕吸濕 纖維素在空氣中吸收水分 纖維素在空氣中吸收水分 吸濕的吸濕的本質(zhì)本質(zhì) 纖維素?zé)o定形區(qū)大分子上的 纖維素?zé)o定形區(qū)大分子上的 OH與空與空 氣中的氣中的H2O形成形成氫鍵氫鍵 輕工科學(xué)與工程學(xué)院輕工科學(xué)與工程學(xué)院 氣中的氣中的H2O形成形成氫鍵氫鍵 吸濕吸濕僅僅發(fā)生在僅僅發(fā)生在無定形區(qū)無定形區(qū) 不影響結(jié)晶區(qū) 不影響結(jié)晶區(qū) 原因 原因 無定形區(qū)纖維素大分子上的 OH只是部分地形成氫 鍵 還有部分是游離的 只是部分地形成氫 鍵 還有部分是游離的 能與空氣中的H2O以氫鍵結(jié)合 Wood Chemistry等溫吸附與解吸等溫吸附與解吸 吸附吸附 干纖維素從 干纖維素從空氣中空氣中吸收水分或水蒸汽吸收水分或水蒸汽 解吸解吸 當(dāng)大氣中水蒸汽分壓降低 纖維素 當(dāng)大氣中水蒸汽分壓降低 纖維素放出水或水蒸汽放出水或水蒸汽 輕工科學(xué)與工程學(xué)院輕工科學(xué)與工程學(xué)院 等溫吸附曲線 等溫吸附曲線 一定溫度下 干纖維素從空氣中吸收水分 濕含量隨相對(duì)濕度變化的曲線 一定溫度下 干纖維素從空氣中吸收水分 濕含量隨相對(duì)濕度變化的曲線 等溫解吸曲線 等溫解吸曲線 一定溫度下 濕纖維素在空氣中蒸發(fā)除去 水分 濕含量隨相對(duì)濕度變化的曲線 一定溫度下 濕纖維素在空氣中蒸發(fā)除去 水分 濕含量隨相對(duì)濕度變化的曲線 Wood Chemistry等溫吸附曲線和等溫解吸曲線等溫吸附曲線和等溫解吸曲線 解吸曲線解吸曲線 濕 含 量 濕 含 量 吸附曲線與解吸曲 線的三個(gè)階段 吸附曲線與解吸曲 線的三個(gè)階段 吸附曲線與解吸曲吸附曲線與解吸曲 輕工科學(xué)與工程學(xué)院輕工科學(xué)與工程學(xué)院 吸附曲線吸附曲線 吸附曲線與解吸曲吸附曲線與解吸曲 線的關(guān)系線的關(guān)系 不同原料之間 吸 附與解吸的關(guān)系 不同原料之間 吸 附與解吸的關(guān)系 Wood Chemistry 1 0 20 很快 無定形區(qū)很快 無定形區(qū)游離 OH游離 OH吸水 吸水 干纖維素吸濕的三個(gè)階段干纖維素吸濕的三個(gè)階段 2 20 60 較慢 較慢 破壞分散的氫鍵破壞分散的氫鍵后再吸水 后再吸水 3 60 很快 吸附很快 吸附多層水多層水 輕工科學(xué)與工程學(xué)院輕工科學(xué)與工程學(xué)院 說明 說明 吸濕僅僅發(fā)生在纖維素的無定形區(qū) 吸濕僅僅發(fā)生在纖維素的無定形區(qū) 吸濕后的纖維素烘干后 吸濕后的纖維素烘干后 X 射線圖沒有發(fā)生任何變化X 射線圖沒有發(fā)生任何變化 2 Wood Chemistry纖維素與水纖維素與水 纖維素纖維素 OO HHH OO 輕工科學(xué)與工程學(xué)院輕工科學(xué)與工程學(xué)院 纖維素纖維素 O HH O HH O HH O H OO HH O H Wood Chemistry 解吸過程與吸附過程解吸過程與吸附過程相反 即先失去多層水 然后失去 氫鍵結(jié)合水 相反 即先失去多層水 然后失去 氫鍵結(jié)合水 解吸的滯后現(xiàn)象解吸的滯后現(xiàn)象 輕工科學(xué)與工程學(xué)院輕工科學(xué)與工程學(xué)院 解吸存在滯后現(xiàn)象解吸存在滯后現(xiàn)象 即在同一相對(duì)濕度下 除 即在同一相對(duì)濕度下 除0和和100 解吸時(shí)的濕含量總是高于吸附時(shí)的濕含量 解吸時(shí)的濕含量總是高于吸附時(shí)的濕含量 Wood Chemistry 吸附吸附時(shí)先要時(shí)先要破壞無定形區(qū)的氫鍵才能吸水破壞無定形區(qū)的氫鍵才能吸水 分子內(nèi)有一 定的應(yīng)力抵抗這種破壞 氫鍵不可能全部打開 分子內(nèi)有一 定的應(yīng)力抵抗這種破壞 氫鍵不可能全部打開 滯后的原因 滯后的原因 解吸解吸時(shí)時(shí)由于同樣受內(nèi)部阻力的抵抗由于同樣受內(nèi)部阻力的抵抗已已被吸附的水不被吸附的水不 輕工科學(xué)與工程學(xué)院輕工科學(xué)與工程學(xué)院 解吸解吸時(shí)時(shí) 由于同樣受內(nèi)部阻力的抵抗由于同樣受內(nèi)部阻力的抵抗 已已被吸附的水不被吸附的水不 容易揮發(fā)容易揮發(fā) 即纖維素與水分子之間的氫鍵不能全部可逆地被 打開 即纖維素與水分子之間的氫鍵不能全部可逆地被 打開 所以 同一相對(duì)濕度下 解吸時(shí)的濕含量總是高于吸 附時(shí)的濕含量 所以 同一相對(duì)濕度下 解吸時(shí)的濕含量總是高于吸 附時(shí)的濕含量 Wood Chemistry木材纖維素與棉花纖維素木材纖維素與棉花纖維素相比 相比 1 1 木材纖維素木材纖維素比棉花纖維素比棉花纖維素吸濕量大吸濕量大 說明 說明無定形區(qū) 較多 吸濕性強(qiáng) 無定形區(qū) 較多 吸濕性強(qiáng) 2 木材纖維素解吸滯后木材纖維素解吸滯后比棉花比棉花嚴(yán)重嚴(yán)重 與無定形區(qū)游 與無定形區(qū)游 輕工科學(xué)與工程學(xué)院輕工科學(xué)與工程學(xué)院 離離 OH有關(guān) 說明木材纖維素有關(guān) 說明木材纖維素?zé)o定形區(qū)游離無定形區(qū)游離 OH較多 較多 吸濕僅僅發(fā)生在無定形區(qū) 隨無定形區(qū)比例的增 大而增加 吸濕僅僅發(fā)生在無定形區(qū) 隨無定形區(qū)比例的增 大而增加 即隨結(jié)晶度增加而減少 即隨結(jié)晶度增加而減少 說明 說明 Wood Chemistry等溫吸附和等溫解吸曲線等溫吸附和等溫解吸曲線的內(nèi)容的內(nèi)容 吸附和等溫解吸曲線的階段性 三個(gè)階段 吸附和等溫解吸曲線的階段性 三個(gè)階段 解吸的滯后現(xiàn)象解吸的滯后現(xiàn)象 輕工科學(xué)與工程學(xué)院輕工科學(xué)與工程學(xué)院 解吸的滯后現(xiàn)象解吸的滯后現(xiàn)象 不同原料纖維素吸濕性的差異 不同原料纖維素吸濕性的差異 Wood Chemistry 潤(rùn)脹潤(rùn)脹 纖維素纖維 纖維素纖維吸收極性液體吸收極性液體后 體積增大 內(nèi)聚力下降 纖維變軟 但仍保持外觀形態(tài) 后 體積增大 內(nèi)聚力下降 纖維變軟 但仍保持外觀形態(tài) 二 纖維素的潤(rùn)脹和溶解二 纖維素的潤(rùn)脹和溶解 1 潤(rùn)脹和溶解的基本概念1 潤(rùn)脹和溶解的基本概念 潤(rùn)脹劑潤(rùn)脹劑被吸收的極性液體被吸收的極性液體 輕工科學(xué)與工程學(xué)院輕工科學(xué)與工程學(xué)院 潤(rùn)脹劑潤(rùn)脹劑 被吸收的極性液體被吸收的極性液體 潤(rùn)脹度潤(rùn)脹度 纖維素纖維潤(rùn)脹時(shí) 纖維素纖維潤(rùn)脹時(shí) 直徑增大的百分率 即 潤(rùn)脹 后直徑增值 原纖維直徑 直徑增大的百分率 即 潤(rùn)脹 后直徑增值 原纖維直徑 溶解溶解 以分子狀態(tài)進(jìn)入溶液 以分子狀態(tài)進(jìn)入溶液 3 Wood Chemistry 潤(rùn)脹和溶解都是纖維素超分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的過 程 潤(rùn)脹和溶解都是纖維素超分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的過 程 溶解時(shí)超分子結(jié)構(gòu)完全被破壞 溶解時(shí)超分子結(jié)構(gòu)完全被破壞 輕工科學(xué)與工程學(xué)院輕工科學(xué)與工程學(xué)院 具兩相結(jié)構(gòu)的高分子化合物 要溶解必須先潤(rùn)脹 具兩相結(jié)構(gòu)的高分子化合物 要溶解必須先潤(rùn)脹 潤(rùn)脹是溶解的必要前提 潤(rùn)脹是溶解的必要前提 Wood Chemistry 1 結(jié)晶區(qū)間的潤(rùn)脹 1 結(jié)晶區(qū)間的潤(rùn)脹 2 潤(rùn)脹類型 潤(rùn)脹類型 潤(rùn)脹劑極性小 只能進(jìn)入潤(rùn)脹劑極性小 只能進(jìn)入無定形區(qū)發(fā)生潤(rùn)脹無定形區(qū)發(fā)生潤(rùn)脹 潤(rùn)脹潤(rùn)脹 后后X 射線圖不變射線圖不變 晶格構(gòu)造不變晶格構(gòu)造不變 輕工科學(xué)與工程學(xué)院輕工科學(xué)與工程學(xué)院 后后X 射線圖不變射線圖不變 晶格構(gòu)造不變晶格構(gòu)造不變 如 如 纖維素在纖維素在水 甲醇 乙醇 苯胺水 甲醇 乙醇 苯胺等潤(rùn)脹劑中等潤(rùn)脹劑中的 潤(rùn)脹 的 潤(rùn)脹 Wood Chemistry 2 結(jié)晶區(qū)內(nèi)的潤(rùn)脹 結(jié)晶區(qū)內(nèi)的潤(rùn)脹 潤(rùn)脹劑極性大 能進(jìn)入潤(rùn)脹劑極性大 能進(jìn)入結(jié)晶區(qū)內(nèi)部引起纖維素潤(rùn)脹 結(jié)晶區(qū)內(nèi)部引起纖維素潤(rùn)脹 潤(rùn)脹后潤(rùn)脹后X X 射線圖改變射線圖改變 晶格構(gòu)造發(fā)生變化晶格構(gòu)造發(fā)生變化 輕工科學(xué)與工程學(xué)院輕工科學(xué)與工程學(xué)院 如纖維素在如纖維素在濃酸 濃濃酸 濃H2SO4 濃 濃HCl 堿 一定濃度 的 堿 一定濃度 的NaOH 無機(jī)鹽類 無機(jī)鹽類 ZnCl2 等中的潤(rùn)脹 等中的潤(rùn)脹 潤(rùn)脹后潤(rùn)脹后X X 射線圖改變射線圖改變 晶格構(gòu)造發(fā)生變化晶格構(gòu)造發(fā)生變化 Wood Chemistry 根據(jù)根據(jù)潤(rùn)脹劑能力潤(rùn)脹劑能力的強(qiáng)弱 的強(qiáng)弱 結(jié)晶區(qū)內(nèi)的潤(rùn)脹結(jié)晶區(qū)內(nèi)的潤(rùn)脹又分為又分為 有限潤(rùn)脹有限潤(rùn)脹 潤(rùn)脹劑進(jìn)入結(jié)晶區(qū)內(nèi)引起潤(rùn)脹 潤(rùn)脹劑進(jìn)入結(jié)晶區(qū)內(nèi)引起潤(rùn)脹 X 射線圖改變 射線圖改變 輕工科學(xué)與工程學(xué)院輕工科學(xué)與工程學(xué)院 但但未發(fā)生溶解 未發(fā)生溶解 如如NaOH溶液中的潤(rùn)脹 溶液中的潤(rùn)脹 無限潤(rùn)脹無限潤(rùn)脹 結(jié)晶區(qū)強(qiáng)烈潤(rùn)脹 結(jié)晶區(qū)強(qiáng)烈潤(rùn)脹 大分子分散于潤(rùn)脹劑中 即溶解 大分子分散于潤(rùn)脹劑中 即溶解 如如濃濃H2SO4 72 濃濃H3PO4 88 濃濃HCl 40 中的潤(rùn)脹 中的潤(rùn)脹 Wood Chemistry 吸濕吸濕 從 從空氣空氣中吸收水分中吸收水分 3 纖維素纖維在水中的潤(rùn)脹 結(jié)晶區(qū)間的潤(rùn)脹 纖維素纖維在水中的潤(rùn)脹 結(jié)晶區(qū)間的潤(rùn)脹 潤(rùn)脹潤(rùn)脹 浸泡于 浸泡于水水中吸收水分中吸收水分 干的纖維素纖維置于水中能干的纖維素纖維置于水中能吸收自身重量吸收自身重量2 3倍的水倍的水 輕工科學(xué)與工程學(xué)院輕工科學(xué)與工程學(xué)院 干的纖維素纖維置于水中能干的纖維素纖維置于水中能吸收自身重量吸收自身重量2 3倍的水倍的水 吸收的水吸收的水 分為分為兩種兩種 結(jié)合水結(jié)合水 細(xì)胞壁細(xì)胞壁中中成氫鍵結(jié)合成氫鍵結(jié)合的水 的水 游離水游離水 細(xì)胞腔及孔隙中細(xì)胞腔及孔隙中的的毛細(xì)管毛細(xì)管水 水 Wood Chemistry 游離水游離水和和結(jié)合水結(jié)合水的分界點(diǎn)稱為的分界點(diǎn)稱為纖維飽和點(diǎn)纖維飽和點(diǎn) 只有細(xì)胞壁中的結(jié)合水能引起纖維潤(rùn)脹只有細(xì)胞壁中的結(jié)合水能引起纖維潤(rùn)脹 輕工科學(xué)與工程學(xué)院輕工科學(xué)與工程學(xué)院 纖維素纖維在纖維素纖維在水中的潤(rùn)脹水中的潤(rùn)脹為為結(jié)晶區(qū)間的潤(rùn)脹結(jié)晶區(qū)間的潤(rùn)脹 去 掉水后 X 射線圖不變 去 掉水后 X 射線圖不變 4 Wood Chemistry 堿濃堿濃 12 5 時(shí) 時(shí) 結(jié)晶區(qū)間的潤(rùn)脹結(jié)晶區(qū)間的潤(rùn)脹 4 纖維素在 纖維素在NaOH溶液中的潤(rùn)脹 堿濃 溶液中的潤(rùn)脹 堿濃 12 5 時(shí) 時(shí) 結(jié)晶區(qū)內(nèi)的潤(rùn)脹結(jié)晶區(qū)內(nèi)的潤(rùn)脹 60 80 100 60 80 100 潤(rùn)脹度潤(rùn)脹度 輕工科學(xué)與工程學(xué)院輕工科學(xué)與工程學(xué)院 結(jié)晶區(qū)內(nèi)的潤(rùn)脹引起纖維素晶 格的變化 結(jié)晶區(qū)內(nèi)的潤(rùn)脹引起纖維素晶 格的變化 即 纖維素即 纖維素I 堿纖維素堿纖維素 I 纖維素纖維素II 0 20 40 0510152025 0 20 40 0510152025 NaOH濃度濃度 Wood Chemistry 堿濃堿濃8 潤(rùn)脹度迅速增加潤(rùn)脹度迅速增加 堿濃堿濃 12 5 X X 射線圖開始變化射線圖開始變化 8 358 35 10 50 12 5 75 17 5 96 21 75 40 60 80 100 10 50 12 5 75 17 5 96 21 75 40 60 80 100 潤(rùn)脹度潤(rùn)脹度 輕工科學(xué)與工程學(xué)院輕工科學(xué)與工程學(xué)院 堿濃堿濃 12 5 X X 射線圖開始變化射線圖開始變化 堿濃堿濃 17 5 達(dá)到最大潤(rùn)脹度 達(dá)到最大潤(rùn)脹度 96 堿濃堿濃 17 5 潤(rùn)脹度下降潤(rùn)脹度下降 0 255 290 255 29 8 8 3535 0 20 0510152025 0 20 0510152025 NaOH濃度濃度 Wood Chemistry 影響潤(rùn)脹度的影響潤(rùn)脹度的主要因素主要因素是是水化水化Na 的數(shù)量和體積的數(shù)量和體積 影響潤(rùn)脹度的因素影響潤(rùn)脹度的因素 堿濃堿濃17 5 隨著堿濃的增大 隨著堿濃的增大 水化水化Na 數(shù)增加數(shù)增加 但 但水 化 水 化Na 體積變小體積變小 纖維素的潤(rùn)脹度下降 纖維素的潤(rùn)脹度下降 Wood Chemistry 20 C時(shí) 棉纖維時(shí) 棉纖維在在H2O中最大潤(rùn)脹度為中最大潤(rùn)脹度為25 棉纖維棉纖維在在NaOH溶液中最大潤(rùn)脹度為溶液中最大潤(rùn)脹度為