当前课程知识点：植物纤维化学 > 第五章 纤维素 > 5.7 纤维素双电层及热解 > 5.7 纤维素双电层及热解
同学们，大家好！在造纸过程中有一个工序是施胶
就是把松香胶加入纸浆或浸泽到纸张表面上使纸张具有抗水性能
在加入松香胶后还需要再加入硫酸铝，为什么？
要想解答这个问题，我们就要学习纤维素的双电层
第7节 纤维素双电层及纤维素热解
一 纤维素的双电层
由于纤维素本身含有糖醛酸基、极性羟基等基团
在水中纤维素纤维表面上总是呈现带负电荷，因此，在水中的纤维素纤维
往往引起一些正离子由于热运动的结果在离纤维表面有近而远出现一个浓度分布区
近纤维表面的部位正离子浓度较大，随着离界面的距离增大，正离子的浓度逐渐减少，直至为零
纤维表面带负电荷厚度a 加上外围吸附的一、二层正电荷厚度b，合称吸附层
特点：这一层是随纤维而运动
扩散层：从吸附层界面向外到达电荷浓度为零的距离为d的一层
特点：不随纤维而动，随液体而动
吸附层和扩散层组成的双电层为扩散双电层
扩散双电层的正电荷等于纤维表面的负电荷
在双电层中过剩正离子浓度随距纤维表面距离不同而不同，因而有不同的电位
在距离纤维表面L(b+d)处液层中，过剩正离子浓度为零
故设其电位为零，纤维表面处的电位相对该处的电位差称为电极电位
而纤维表面并包括吸附层b在内的液层对该处的电位差称为动电电位
实验表明，改变电解质浓度，对电极电位无影响，对动电电位影响很大
加入足够的电解质于溶液中，可使动电电位降为零
此时，纤维处于等电状态，电解质也可使动电电位改变符号
纸浆越纯，动电越大，动电电位与纤维素表面的水化程度有关
水化程度越高，动电越大，pH越大，动电越大
应用是纸张施胶和纸张的染色
其应用是纸张施胶，因为纤维表面带负电荷，松香粒子表面也带负电荷
这样松香粒子就不能吸附在纤维上，需要加入硫酸铝改变松香表面的动电电位
使松香粒子表面不带电，这样就可以沉积在纤维表面上
另一应用是纸张染色时，当用酸性染料时，染料粒子表面带负电荷，纤维表面也带负电荷
也需要加入硫酸铝改变纤维表面的动电电位，使纤维表面不带电
这样染料就可以沉积在纤维表面上
纤维素的热解
纤维素热降解就是纤维素在受热作用时产生的聚合度下降
严重时还产生纤维素的分解，甚至发生碳化反应或石墨化反应，常伴随着水解或氧化降解
纤维素热降解一般分成四个阶段
25ºC-150 ºC，纤维素中自由水蒸发、吸附水解吸
150ºC-240 ºC，纤维素分子内失水生成失水葡萄糖
240ºC-400 ºC，苷键断裂 C-¦-O C-¦-C
形成CO、CO2、CH4、H2等
400ºC-700 ºC，开始石墨化，脱氢变芳环
纤维素在高度真空下，快速升温超过300ºC时
能够得到大量的左旋失水葡萄糖（特定条件下可达55%-60%）
左旋失水葡萄糖是主要的热解一次产物，或称纤维素常压热解中间产物
此产物可进一步分解生成一系列复杂产物
如图所示左旋失水葡萄糖是通过纤维素大分子苷键异裂或均裂反应而形成的
纤维素的结构变成石墨结构时，它的长、宽方向都要收缩
这是因为不是纤维素分子中所有的原子都参加了石墨化，而只是一部分原子参加了石墨化缘由
横向收缩后长度为原来的48%
纵向收缩后长度为原来的83%
石墨化反应是由于每个吡喃环经消除反应形成剩余四碳残余物
以及其他炭化中间产物经缩合而成石墨化结构的
热解的利用
原料纤维→预处理→炭化→炭化纤维→活化→活性炭纤维
炭化是制备活性炭纤维的一个重要过程 炭化通常是在氮气等惰性气体保护下加热升温
排除纤维中可挥发的非碳组分使残留碳重排生成类似石墨微晶的过程
炭化工艺过程的控制对后继的活化有明显的影响，主要从两方面进行控制
首先控制炭化过程中的升温速度，其次控制炭化的温度和时间
此外，改变炭化时气氛 ( 如加入氯化氢气体等 ) 及控制纤维在炭化过程中的张力
以改善炭化纤维的结构和性能
但是，根据所用原料种类不同，炭化机理也有很大差别
活化是为了在炭化纤维表面生成发达微孔结构形成高比表面积的主要工艺过程
控制适当的活化工艺是关系到产品结构与性能的关键
在活化阶段，使用活化剂(水蒸气或二氧化碳)在高温下对纤维进行活化而形成发达的孔隙
研究表明：活化温度上升，活化剂浓度增加或延长活化时间
所得活性炭纤维比表面积上升，微孔增多，孔径增大，吸附量增大，但活化得率下降
改变炭化、活化工艺条件可调节活性炭纤维的结构，从而控制活性炭纤维的性能
根据需要可选择性制得具有某种吸附性能的活性炭纤维
活性炭（纤维）的利用
广泛用于气体精制、气体分离、溶剂回收、催化剂或催化剂载体、净水、净化空气、制成消臭装置
生理保健用品、电极和电容等，在处理含有酚、农药、二氧化氮等气体和液体污染物方面
主要用于应用领域广泛，而且不断在拓展
生产的活性炭纤维产品，可制成在航天飞机、潜艇、坦克等密闭环境使用的空气净化器
用于防毒、防辐射以及去除多种有害气体、制成血液过滤器、消除人体血液中的病毒
制成内服解毒剂、预防和缓解中毒现象
制成急救包扎带，对烧伤、枪伤、刀伤、砸伤等外伤创伤起抗感染，加速伤口愈合等作用
小结
纤维素在水溶液中带有负电荷，会吸附溶液中的正离子，产生吸附层和扩散层
吸附层和扩散层组成的双电层为扩散双电层，其应用是纸张施胶和纸张的染色
纤维素热解分为四个阶段，会发生炭化反应或石墨化反应，常伴随着水解或氧化降解
今天的课程就讲到这里，下节课我们将一起学习纤维素酸水解及碱降解
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-绪论
--绪论
-讨论
-1.1 植物纤维原料形成与分类
-1.1 植物纤维原料形成与分类--作业
-1.2 木材的宏观结构
--木材的宏观结构
-1.2 木材的宏观结构
-1.3 针叶材与阔叶材的显微构造
-1.3 针叶材与阔叶材的显微构造--作业
-1.4 非木材原料的宏观与显微结构
-1.4 非木材原料的宏观与显微结构--作业
-1.5 纤维细胞壁超微结构
-1.5 纤维细胞壁超微结构--作业
-1.6 纤维形态学因素
-1.6 纤维形态学因素--作业
-讨论
-图文
-课程思政--中国文化自信案例1
--纸的故事（一）
-本章总结
-2.1 植物纤维原料的化学组成
-2.1 植物纤维原料的化学组成--作业
-2.2 与纤维素相关的概念及化学组成对制浆造纸的影响
-2.2 与纤维素相关的概念及化学组成对制浆造纸的影响--作业
-2.3 常用植物纤维原料的化学组成
-2.3 常用植物纤维原料的化学组成--作业
-讨论
-图文
-本章总结
-3.1水分存在形式
-3.1水分存在形式--作业
-3.2 水分对木材的影响
-3.2 水分对木材的影响--作业
-讨论
-图文
-课程思政——木材水分与干缩湿胀实例
-本章总结
-4.1木材提取物的定义、分类、结构和性质
-4.1木材提取物的定义、分类、结构和性质--作业
-4.2 芳香族化合物
-4.2 芳香族化合物--作业
-4.3 脂肪族化合物和无机物
-4.3 脂肪族化合物和无机物--作业
-4.4 提取物的分布、提取和分离
-4.4 提取物的分布、提取和分离--作业
-4.5 提取物对加工利用的影响
-4.5 提取物对加工利用的影响--作业
-讨论
-课程思政——提取物的高效利用实现绿水青山就是金山银山
--松脂采集
--松脂加工利用案例
-本章总结
-5.1糖化学基础
-5.1糖化学基础--作业
-5.2纤维素的存在、结构、性质
-5.2纤维素的存在、结构、性质--作业
-5.3纤维素物理结构
-5.3纤维素物理结构--作业
-5.4纤维素晶体结构
-5.4纤维素晶体结构--作业
-5.5纤维素结晶度及测定方法
-5.5纤维素结晶度及测定方法--作业
-5.6 纤维素润胀、溶解
-5.6 纤维素润胀、溶解--作业
-5.7 纤维素双电层及热解
-5.7 纤维素双电层及热解--作业
-5.8 纤维素酸水解和碱降解
-5.8 纤维素酸水解和碱降解--作业
-5.9 纤维素的氧化
-5.9 纤维素的氧化--作业
-5.10 纤维素酶降解
-5.10 纤维素酶降解--作业
-5.11纤维素酯化
-5.11纤维素酯化--作业
-5.12 纤维素醚化
-5.12 纤维素醚化--作业
-5.13纤维素接枝共聚与交联
-5.13纤维素接枝共聚与交联--作业
-5.14纤维素物理改性
-5.14纤维素物理改性--作业
-5.15细菌纤维素
-5.15细菌纤维素--作业
-讨论1
-讨论2
-图文
-拓展学习资料
--纸张结构
--纤维角质化定义
--纤维角质化机理
-课程思政--文化自信案例2（中国古名纸）
-课程思政——国家能源战略：生物质能源
-课程思政——文化自信案例3（纤维素与纺织）
-本章总结
-思维导图
-6.1半纤维素的命名、存在
-6.1半纤维素的命名、存在--作业
-6.2半纤维素提取
-6.2半纤维素提取--作业
-6.3半纤维素分离及糖基测定
-6.3半纤维素分离及糖基测定--作业
-6.4半纤维素的化学性质
-6.4半纤维素的化学性质--作业
-6.5半纤维素与纸张的关系
-6.5半纤维素与纸张的关系--作业
-6.6半纤维素利用
-6.6半纤维素利用--作业
-讨论
-图文
-拓展学习-功能性低聚糖
--功能性低聚糖
--常见功能性低聚糖
--木糖醇的食用
-本章总结
-7.1 绪论-木素的研究现状
-7.1 绪论-木素的研究现状
-7.2 木素的存在及其生物合成
-7.2 木素的存在及其生物合成--作业
-7.3 木素概念及化学结构
-7.3 木素概念及化学结构
-7.4 木素的分离
-7.4 木素的分离--作业
-7.5 木素碳水化合物复合体
-7.5 木素碳水化合物复合体
-7.6 木素化学结构的研究方法
-7.6 木素化学结构的研究方法
-7.7 木素的紫外及红外光谱
-7.7 木素的紫外及红外光谱
-7.8 木素的显色反应
-7.8 木素的显色反应
-7.9 木素化学结构与化学反应的关系
-7.9 木素化学结构与化学反应的关系
-7.10 木素的亲核反应1-氢氧化钠脱木素
-7.10 木素的亲核反应1-氢氧化钠脱木素
-7.11 木素的亲核反应2-硫酸盐法脱木素
-7.11 木素的亲核反应2-硫酸盐法脱木素
-7.12 木素的亲核反应3-亚硫酸盐法脱木素
-7.12 木素的亲核反应3-亚硫酸盐法脱木素
-7.13 木素的亲电反应
-7.13 木素的亲电反应
-7.14 木素的物理性质及特性
-7.14 木素的物理性质及特性
-7.15 木素的利用
-7.15 木素的利用
-讨论1
-讨论2
-图文
-植物纤维化学实验资料
--植物纤维化学实验
-课程思政——文化自信案例3：中国造纸技术的贡献
-本章总结
-考试
