竹浆粕的预水解与硫酸盐蒸煮工艺.pdf
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1、第3 0 卷第l O 期 2 0 0 9 年l O 月 纺织学报 J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 3 0 O c t N o 1 0 舢 文章编号:0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 9 ) 1 0 0 0 3 1 0 6 竹浆粕的预水解与硫酸盐蒸煮工艺 章伟1 ,何建新1 2 ,李克兢1 ,崔世忠1 ,王善元2 ( 1 中原工学院纺织学院,河南郑州4 5 0 0 0 7 ;2 东华大学纺织学院,上海2 0 1 6 2 0 ) 摘 要 利用竹子制备适用于生产醋酸纤维和L y o c e l l 纤维的浆粕,研究其
2、预水解和蒸煮工艺。在酸预水解中,升 温有利于木聚糖的水解,但温度超过1 2 0 会导致木质素的高温缩合。显微镜和红外光谱分析表明,预水解破坏了 竹材的初生胞壁,同时半纤维素也发生了水解作用。采用二道中温硫酸盐蒸煮工艺,着重研究有效碱和硫化度对 浆粕白度与黏度的影响,研究表明,蒸煮过程中适当提高硫化度能够增加脱木素选择性,有效防止纤维素的降解, 同时获得了深度脱木素的浆粕。x 射线衍射曲线表明,蒸煮后竹浆的结晶度显著增加,晶型是典型的纤维素I 。 关键词竹溶解浆;预水解;蒸煮;结晶结构 中图分类号:T S1 8 2文献标志码:A P r e h y d r o l y s i sa n ds u
3、 l f a t e dc o o k i n gp r o c e s s e so fb a m b o od i s s o l v i n gp u l p s Z H A N GW e i l ,H EJ i a n x i n l ”,L IK e j i n 9 1 ,C U IS h i z h o n 9 1 ,W A N GS h a n y u a n 2 ( 1 C o l l e g eo fT e x t i l e ,Z h o n g y u a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ,Z h e n g z h
4、o u ,H e n a n 4 5 0 0 0 7 。C h i n a ; 2 C o l l e g eo f T e x t i l e ,D o n g h u aU n i v e r s i t y ,S h a n g h a i2 0 1 6 2 0 ,C h i n a ) A b s t r a c t D i s s o l v i n gp u l ps u i t e d f o rt h ep r o d u c t i o no fa c e t a t ea n dl y o c e l lf i b e r sw e r ep r e p a r e d ,
5、a n di t s p r e h y d r o l y s i sa n dc o o k i n gp r o c e s s e sw e r es t u d i e d I tw a sf a v o r a b l ef o rt h ep r e h y d r o l y s i so fx y l a nt or a i s et h e t e m p e r a t u r ed u r i n ga c i dp r e h y d r o l y s i s H o w e v e r ,w h e nt h et e m p e r a t u r ew a s
6、o v e r1 2 0 ,t h ec o n d e n s a t i o no f l i g n i nh a p p e n e d O b s e r v a t i o no fm i c r o s c o p ea n dI Rs p e c t r aa n a l y s i ss h o w e dt h a tp r i m a r yc e l l so fb a m b o ow e r e b r o k e nb ya c i dp r e h y d r o l y s i s ,a n dh y d r o l y s i so fh e m i c e
7、 l l u l o s e sa l s oh a p p e n e d T h et w o s t e ps u l f a t e dc o o k i n g p r o c e s sw i t hm o d e r a t et e m p e r a t u r eW a su s e d ,a n dt h e e f f e c to fe f f e c t i v ea l k a l i a n ds u l f i d i t yo nt h eb r i g h t n e s s a n dv i s c o s i t yo fb a m b o op u
8、l p sw a si n v e s t i g a t e d As u i t a b l ee n h a n c e m e n to fs u l f i d i t yc o u l di m p r o v et h e s e l e c t i v i t yo fd e l i g n i f i c a t i o nd u r i n gc o o k i n g ,a v o i dt h ed e g r a d a t i o n o fc e l l u l o s e ,a n do b t a i nt h e h i g h l y d i l i g
9、n i f i e db a m b o op u l p X r a yd i f f r a c t i o nc u r v ei n d i c a t e dt h a t t h ec r y s t a l l i n i t yo fb a m b o op u l pi n c r e a s e d m a r k e d l ya f t e rc o o k i n g ,a n di t sc r y s t a l l i n ea l l o m o r p hw a sc e l l u l o s eI K e yw o r d sd i s s o l v
10、i n gp u l p ;p r e h y d r o l y s i s ;c o o k i n g ;c r y s t a l l i n es t r u c t u r e 竹子具有生长快、可再生和低成本的特点,竹浆 纤维作为复合材料的增强材料已受到研究者的重 视。除此之外,将竹浆纤维用于纺织材料也成为研 究的热点,竹浆粘胶纤维已实现工艺化生产。粘胶 用竹浆粕的a 纤维素含量一般不超过8 5 ,而聚合 度在5 0 0 8 0 0 之间。与粘胶纤维相比,其他再生纤 维素纤维如醋酸纤维、L y o c e l l 纤维等具有更高的经 济附加值,不过其对浆粕的要求更高,特别是醋酸纤
11、维,需要由a 纤维素含量高于9 5 、聚合度高于 10 0 0 的木浆粕制备J 。到目前为止,尚没有利用竹 材制备这种浆粕的报道。本文提出利用我国资源丰 富的竹子制备浆粕,讨论了竹浆的预水解和硫酸盐 蒸煮工艺,并分析了这2 个流程中竹浆的结构和形 态的变化。 1实验部分 1 1 材料 竹浆纤维的聚合度随竹子种类和竹龄的不同有 所差别,从浙江安吉选择了6 种3 年生的竹子,在相 收稿日期:2 0 0 8 1 0 2 2修回日期:2 0 0 9 0 2 1 7 基金项目:中国博士后科学基金资助项目( 2 0 0 8 0 4 3 0 0 7 9 ) ;河南省教育厅自然科学研究计划项目( 2 0 0
12、8 A 5 4 0 0 0 5 ) 作者简介:章伟( 1 9 6 3 一) ,女,副教授。主要研究方向为新型纺织材料。E m a i l :f z x z z t i e d u c a 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 3 2 纺织学报 第3 0 卷 同的蒸煮和漂白工艺下进行小试,最后选定黏度最 大的慈竹作为制备浆粕的原料。 1 2 预水解 将慈竹剖切成长为2c m 、宽为1c m 的竹片,用水 浸泡2 4h ,用4 的酸溶液进行水解,浴比为1
13、 :1 0 ;射 线温度在1 0 0 1 4 0o C 之间。接近最高温度时,排气 1 0m i n ,再升温至该温度保温,升温速率为 2 2o C m i n ,保温时间为2 6h 。 1 3 硫酸盐蒸煮 为了保持合理的聚合度,蒸煮采用1 4 0 的中 温。采用2 道蒸煮工艺,实验均在R Y 1 2 6 1 高温染 样机上进行。2 道蒸煮的目的是在头道蒸煮的基础 上进一步脱除木质素、半纤维素等非纤维素成分,减 轻后道漂白的压力,但需尽量减小对纤维素的降解 作用,因而采用较低的碱浓度。头道蒸煮条件:有效 碱( E A ) 用量为1 5 2 4 ,硫化度为0 4 5 ,蒽醌 用量为0 2 ,浴比
14、为1 :5 ,保温时间为1 8 0m i n ,蒸煮 时间为2 7 0m i n 。第2 道蒸煮的条件:有效碱用量为 8 ,硫化度为3 0 ,蒽醌用量为0 2 ,浴比为l :5 , 保温时间为1 5 0m i n ,蒸煮时间为2 4 0m i n 。2 道蒸煮的 最高温度均为1 4 0 。 1 4 物理与化学性能分析 根据T A P P IT 2 0 6 测定竹浆的黏度,得到纤维素 在稀铜乙二铵溶液中的极限黏度 1 ,m L g 。样品的 聚合度D P 由下式计算: D P 0 9 0 5 :0 7 5 r 利用Z B D 白度仪测试竹浆的白度。利用硝酸一 乙醇法测定竹浆的纤维素含量2 1 。
15、木质素含量根据 T A P P I 1 2 2 2 测定,为不溶于酸的K l a s o n 木质素和溶 于酸的木质素之和。根据T A P P IT 2 2 3 标准将竹浆 样品用1 2 的盐酸水解,利用溴化法测定聚戊糖的 含量。抽出物、水分和灰分的测定参照文献 3 。 1 5 显微镜观察 用光学显微镜观察水解前后竹片的形貌变化。 貌,加速电压为2 0k v 。 1 6 红外光谱分析 采用尼高力N E X U S 6 7 0 红外一拉曼光谱仪进行 红外光谱测试,测试条件:反射角为4 5 0 ,分辨率为 2c m 一,扫描次数为1 0 0 。 1 7X 射线衍射测试 样品的x 射线衍射分析在D
16、m a x 2 5 5 0 P C1 8 k W 转靶x 射线衍射仪上测定。浆粕安放在玻璃样品 架上,在稳定条件下分析。测试条件:N i 滤波,C u 靶 K a 射线,管压为4 0k V ,管流为4 0m A ,扫描速度为 2 ( o ) m i n ,扫描范围为5 。一5 0 0 。样品的结晶度利用 S e g a l 提出的结晶指数C r l 表示H o : c r ,:塑L 生竺唑1 0 0 1 0 0 2 式中:,为2 0 = 1 9 。时的衍射强度;I s 为0 0 2 晶面 的最大衍射强度。 用P e a k f i t 软件对样品的衍射曲线进行分峰拟合, 采用高斯线型,晶粒尺寸
17、根据S c h e r r e r 方程计算 5 : L = 上3 c o L s 0 式中:为0 0 2 晶面的晶粒尺寸;J 9 为0 0 2 衍射峰的 半高宽;A 为x 射线的波长( 0 1 5 4n m ) ;k 为S c h e r r e r 常数,取0 8 9 ;口为0 0 2 晶面的布拉格角3 。 2 结果与讨论 2 1 竹材的化学组成 表1 示出慈竹的化学组成。竹材的纤维素含量 与硬木相当,甚至高于硬木( 4 2 一5 1 ) ,比软木要 高( 4 l 2 ) ;木质素的含量较低,与硬木相当,但比 软木低( 2 7 一3 3 ) ;聚戊糖的含量比木材高;1 N a O H 抽提
18、物、热水和冷水抽提物以及灰分的含量 比木材高“ - ,因为竹材属于禾木类,不含葡甘露聚 糖。总的来说,化学分析表明慈竹具有制备高级溶 解浆粕的可行性,因为其具有相对较低的木质素含 用日立J S M 5 6 0 0L V 电子显微镜观察浆粕的表面形量以及较高的纤维素含量。 表1 竹材的化学组成 T a b 1 C h e m i c a lc o m p o s i t i o no fb a m b o o 2 2 预水解工艺 用稀酸对竹片预水解的过程中,除了最容易发 生木聚糖的水解之外,还会有木质素的脱除和溶出, 当然纤维素的降解也是不可避免的。此外,由于酸 性条件下木质素的活化,还会发生木
19、质素的缩合反 应,特别是在高温条件下,缩合反应会使木质素分子 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第1 0 期 章伟等:竹浆粕的预水解与硫酸盐蒸煮工艺 。3 3 变大,更不易溶出。图1 示出预水解条件对竹片得 率的影响。由图1 ( a ) 知:随温度升高,预水解后竹 片的得率急剧降低;但是1 2 0 后竹片的得率又有 回升的趋势,这可能是由于较高的温度导致木质素 的酸缩合。表明超过1 2 0o C 后,温度对木聚糖的水 解已经基本没有促进作用,相反由于
20、木质素高温缩 合会给后续的蒸煮带来不利的影响。图1 ( b ) 示出 在1 2 0o C 的温度下,竹片得率随预水解时间的变化 曲线,曲线斜率代表预水解过程中竹片质量的损失 速率。很明显在1 2 0m i n 前后竹片的质量损失速率 有较大差异,1 2 0m i n 之前,木聚糖的降解对竹片的 质量损失起主要作用;而1 2 0m i n 后,竹片的质量损 失已经很小,说明纤维素降解占质量损失的比例会 更大,因而水解时间不宜超过1 2 0m i n 。本文确定竹 片预水解的温度为1 2 0 ,时间为1 2 0m i n 。 述 静 骧 永 、 羿 眨 温度 ( a ) 水解温度( 时间为1 8
21、0m i n ) 时间r a i n ( b ) 水解时间( t g 度为1 2 0 “ C ) 图l预水解条件对竹片得率的影响 F i g 1 E f f e c to fp r e h y d r o l y s i sp a r a m e t e r so np u l py i e l d ( a ) T e m p e r a t u r e ( t i m e1 8 0m i n ) ;( b ) T i m e ( 1 e m p e r a t u r e1 2 0o C ) 2 3 硫酸盐蒸煮工艺 图2 ( a ) 示出头道蒸煮中有效碱用量和硫化度 对蒸煮后竹浆白度的影响。
22、有效碱用量和硫化度对 白度有显著影响,在一定的有效碱用量下增加硫化 度或在一定硫化度下增加有效碱用量都导致白度的 增加。硫化度为0 。2 5 时对白度的影响显著,之 后趋于稳定,当硫化度达到4 5 时浆粕白度变化不 大。当有效碱用量比较低( 1 5 。2 1 ) 时白度甚至 有减小的趋势,这是因为硫化度过高,引起蒸煮有效 碱用量过低,导致有效碱消耗过大,蒸煮液中有效碱 浓度下降,脱木素速度随之下降,反应推动力不够, 溶解的木素沉积到纤维上。没有硫化钠加入,即使 有效碱的用量很高,白度也没有超过3 4 。 E A l 5 E A l 8 E A 2 l E A 2 4 01 02 03 04 0
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