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玉米秸桿包裝材料降解過程紅外光譜研究

發布時間:2017-3-14 閱讀:

合成塑料高分子材料造成了嚴重的白色污染,如何治理白色污染己經成為一個全球性的問題。特別是一次性使用的包裝材料,使用后的廢棄物不能自動消失,長期殘留在自然界造成了巨大的環境污染。有關人士提出過多種解決方案,如減少塑料包裝材料的使用,加大塑料包裝材料的回收率,開發塑料回收的新技術新方法等,這些方法不能從根本上解決包裝塑料所產生的白色污染問題,解決白色污染的根本出路在于生產和開發使用不會造成環境破壞的綠色包裝材料――降解包裝材料。

綠色包裝材料主要是采用天然的高分子原料如木質素、天然纖維作為原料制備的一種包裝材料,這些材料對環境友好,使用后在自然狀態下中經過一定時間可以在微生物的作用下自動發生降解反應,最后得到無污染的殘留物。近年來己有不少的可降解包裝材料問世,可降解包裝材料的研究開發工作己成為包裝材料業新的競爭熱點。

紅外光譜作為一種“分子指紋”己被廣泛用于分子結構的基礎研究和化學組成上的研究。傅里葉變換紅外光譜(FTTR)作為一種定性分析的工具可直接分析出有機質中的主要化學官能團,因而玉米秸稈包裝材料微生物發酵劑降解過程中的有機官能團的轉化用紅外光譜進行跟蹤分析。

本文研究了以玉米秸桿為原料制備的紙質包裝材料降解過程,利用紅外光譜跟蹤了降解過程的化學變化特征,得到了轉化過程的一般規律。

1實驗部分1.實驗材料及實驗儀器玉米秸桿包裝材料鄭州大學材料系包裝實驗室制備;微生物菌種河南農業大學微生物教研室提供;實驗方法和數據采集將上述包裝材料切成2X1cm,然后分別稱取100g放入200ml的廣口玻璃瓶中。在培養箱中于30±1°C的溫度下培養7天,每個處理設五次重復,其中二次用于干物質損失量和生成⑴2的測定。

在培養開始時,每個處理中加入2cmi的用無菌水配制的秸稈發酵劑水溶液,然后加入足量的無菌水使有機物料的濕度達最大持水量的80%在開始培養的第一天,每8個小時用蒸餾水調整一次濕度,以后則每隔一天調整一次濕度,調整濕度時應在無菌環境下進行,自培養開始,每隔2天取一次培養樣,真空干燥后用于紅外測定。

中研細,加入150±50mg和己過200目的KBr粉末研磨混均,裝入壓模,壓模是在抽真空狀態下加壓小/cm2完成的,壓模時間為4.5和無水KBr混合研勻物壓成透明薄片后,即可測定并得到紅外光譜圖。

2結果與討論2.1紅外光譜譜帶的歸屬玉米秸桿的主要組成為纖維素、半纖維素、木質素、蛋白質、淀粉、糖及脂蠟類化合物等。在微生物降解前和微生物降解過程紅外光譜皆表現相似的紅外特征,根據物質結構的分析,可以對于玉米秸桿包裝材料的紅外光譜吸收峰作一歸屬。

~3380cm-為形成氫鍵的羥基的伸縮振動,這部分羥基一部分為秸桿中碳水化合物(纖維素、半纖維素、淀粉及其他多糖和單糖等)的成分,另一部分為樣品中含有的中的羥基。另外,該峰也包括氨基酸中的N―H伸縮振動的吸收。

~2900cm-處的吸收峰是一CH2基團的C―H反對稱伸縮振動,2990 1處的肩峰是由碳甲基及次甲基基團中的C一H對稱伸縮振動而引起,這些基團主要來自于秸桿中的碳水化合物和脂肪族化合物。

以16430為中心的寬吸收帶為水分子形成氫鍵的變形振動和有機羧酸鹽COO反對稱伸縮振動的吸收、木質素中與芳香環相連的C=O伸縮振動及酰胺化合物的特征吸收譜帶I.酰胺化合物的特征吸收譜帶。

~1515cm-處的吸收峰為苯環中的環伸縮振動。

~1460cm-處的吸收峰為碳水化合物和脂肪族化合物中的一CH2基團的剪式變形振動及肪脂族化合物和木質素中的一CH3基團C一H不對稱變形振動以及氨基酸等化合物中的N―H變形振動。

~1380cm-處的吸收峰為具有脂肪族特征化合物中的一CH3的對稱變形振動。

~1330cm-處的吸收峰為碳水化合物中的一0H基的變形振動。

1160cm-為脂肪族化合物和脂肪環中醚鍵的C一0―C的非對稱伸縮振動以及碳水化合物中的C―0和氨基酸的C―N伸縮振動,1100~970cm為碳水化合物中的C一0伸縮振動。

11ro~1060cm-處的吸收峰值還包括無機物的Si2等的Si―0伸縮振動,這種物質一部分來自于秸稈中的有機硅的分解氧化,一部分來源于吸附于秸稈表層的礦物微粒雜質。同時,780~790cm1和470~475cm處的吸收峰則由Si―0的變形振動的吸收引起。

~900cm處的吸收峰是由纖維素及糖類如P―糖類、半乳糖、甘露糖、阿拉伯糖及多糖中的環振動產生。

振動。以上紅外光譜吸收峰值的一些歸屬參照2.2降解過程中的紅外光譜的變化可降解包裝材料微生物降解過程中的紅外光譜變化可以歸納如下:在微生物降解中紅外光譜的變化首先是處開始出現新的吸收峰;其中3050、29和2855cm是在微生物降解4天以后開始出現的,而1600和870cmd處的吸收峰,自發酵降解開始2天后使開始出現,并逐漸變強。

2.3降解過程中的紅外光譜的變化揭示的物質變化玉米秸桿在微生物降解過程中的前四個天之內木質素的絕對含量變化很小,并且,即使木質素發生分解苯環含量亦無大的變化,因此可以選擇1505~15l5cmd處苯環的C=C振動形成的吸收強度作為參比,判斷吸收峰相對強度的減揭示的物質變1處的吸收峰相對強度逐漸降低,表明降解過程中的碳水化合物逐漸分解,從而使羥基和亞甲基基團不斷減少。而2886和1375cm處吸收峰強度的降低和消失,表明甲基和次甲基含量的降低,標示著脂肪族化合物的分解并且這一過程伴隨著脫甲基反應的發生。

對強度顯著降低,1700~1750cmd區域不再有吸收峰存在,而1ffl0cm處則開始出現一個肩峰,說明隨著降解的進行,一些羧酸脂類化合物發生水解并且羧基與游離的陽離子形成羧酸鹽,而酮羰基己不1650cm-處的吸收峰相對吸收強度降低,可能是木質素分解及木質素殘體與其它分解生成的有機中間產物相聚合生成腐殖物質的標志。

處吸收峰強度的降低,則標示著蛋白質及氨基酸的分解而此時,1450~1460cm1和1410~1430cm1處吸收峰強度的加,說明蛋白質分解以后生成酰胺類化合物及無機的氨鹽和硝酸鹽。

~1335、1230~1250、1150~1160、1100~970cm-處吸收峰強度的降低,則是纖維素、半纖維素、糖類及其它碳水化合物分解的標志。同時,上述吸收峰的降低也表明了酚類化合物被氧化成醌類物質。結合化學分析的結果可以確定,碳水化合物和脂肪族化合物分解形成的最終產物大部分是CO2和水。另外,1230~1250cm 1處吸收強度的下降,也預示著材料中有機硅化合物分解轉化為無機的硅氧化合物的過程,并且隨著降解的進行,1100~1105、780~805及470 ~480cm-處的吸收峰強度不斷強,這是Si02和硅酸鹽礦物等無機硅化物的特征吸收峰,標示著Si2等無機物的形成和積累。

在降解2天后870cm-處開始出現新的吸收峰,這一吸收峰是由于C2的存在形成的,同時,1410~1430cm-處吸收峰強度的加亦與之有關,由于纖維素和糖類分解形成的C2與水形成碳酸,并與分解過程中游離出的金屬離子形成碳酸鹽,因而出現此吸收峰。

始出現三個肩峰,3050是苯環的C一H伸縮振動形成的。2960和2855cm處的吸收峰分別是甲氧基中C一H反對稱和對稱伸縮振動形成的吸收,這3個吸收峰的出現,表明了己開始有木質素的大分子分解成帶甲氧基的氫醌類物質,同時,木質素殘體及其分解產生的氫醌類物質與其它有機中間產物的聚合反應也開始進行。

采用傅里葉變換紅外光譜(FTTR)對玉米秸桿包裝材料降解過程進行的研究表明,追著降解的進行,羥基、酮羰基、甲基、亞甲基和次甲基的含量逐漸降低,降解產物的脂族性降低,芳香性趨于升高和強,有機成分中的無機元素特別是硅釋放出來。并以Si2等氧化物的形式逐漸積累,一些陽離子則形成羧酸鹽和碳酸鹽。

在發酵降解7天后材料中的有機硅化合物及木質素的分解顯著,這也說明碳水化合物及脂肪族化合物分解較快,而木質素分解相對較慢。就不同組分分解形成的物質而言,碳水化合物和脂肪族化合物分解后大部分生成C2而放出;蛋白質和氨基酸等含N化合物一部分生成⑴2、NH和N3,另一部分則以酰胺態存在;而木質素的分解則生成氫醌類物質。

3結論秸桿可用于生產可降解的紙質包裝材料,根據紅外光譜跟蹤微生物降解的過程分析,定量或半定通過小試,得到良好的外觀質量和較好的力學性能見表8.表6小試配方材料表7吹膜機的溫度控制機筒1機筒機筒4連結器模頭表8低發泡薄膜的對比表測試項目小試薄膜香港樣品縱向拉伸強度MPa橫向縱向斷裂伸長率橫向縱向撕裂強度10/橫向4LDPE樹脂選用試驗由表9看出,低發泡薄膜的發泡外觀質量和拉伸強度與樹脂的MI值有關,MI值越小越好,隨MI值的大而下降。

表9 LDPE樹脂選用試驗結果產地牌號MI值外觀質量拉伸強度MPa表面發泡,泡稍大新加坡表面有泡,不光滑美國表面發泡破,外觀差美國發泡均勻細密,外觀好5結論在LDPE中添加HDPE后,可加共混體系的力學性能。一般以加入20%為佳。

TiO2和Ca―st單獨使用時,對AC的分解影響很小,只能作為成核劑,當兩者并用時,在合適的配比時,可加發氣量。

選用MI值較小的LDPE樹脂更適合吹制低發泡薄膜。

原輔材料在合適的配比和生產工藝下完全可以生產出高質量的低發泡薄膜。

實驗2所用原料(配方按較佳配方不變),加拿4.1實驗2結果4.2實驗2結果討論SolomonPH.紅外光譜分析100例M卜北京:科學出版社,1984.陳允魁編著。紅外吸收光譜法及其應用。上海:上海交通大學出版社,1993.

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