摘要: 本研究以慈竹為原料,采用硫酸鹽法蒸煮,通過正交實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了蒸煮條件對(duì)竹漿纖維素聚合度(DP) 的影響,確定了導(dǎo)致竹漿纖維素DP顯著下降的主要因素,并優(yōu)化了高聚合度竹漿的制備工藝。通過控制漂白藥品用量和時(shí)間,制備了形態(tài)相近、纖維素DP不同的4種竹漿,進(jìn)一步探究了纖維素DP對(duì)紙張力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,蒸煮條件對(duì)竹漿纖維素DP的影響順序?yàn)椋河脡A量gt;蒸煮最高溫度gt;保溫時(shí)間gt;硫化度,其中用堿量和蒸煮溫度是導(dǎo)致纖維素DP顯著下降的關(guān)鍵因素。優(yōu)化后的制備條件為用堿量12%,蒸煮最高溫度140 ℃,硫化度10%,保溫時(shí)間50 min,此條件下制得的竹漿纖維素DP達(dá)2 186,紙漿得率達(dá)57. 9%,木質(zhì)素含量為9. 12%。此外,纖維素DP的下降導(dǎo)致竹纖維強(qiáng)度顯著降低,進(jìn)而影響紙張的零距抗張強(qiáng)度、耐破指數(shù)和撕裂指數(shù),但對(duì)拉伸強(qiáng)度幾乎沒有影響。
關(guān)鍵詞:纖維素聚合度;高聚合度竹漿;硫酸鹽法制漿;力學(xué)性能
中圖分類號(hào):TS749+. 3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A DOI:10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 03. 011
大力發(fā)展竹材制漿造紙對(duì)緩解我國(guó)制漿造紙行業(yè)木材短缺問題,以及確保造紙?jiān)系目沙掷m(xù)供應(yīng)具有重要意義[1-3]。隨著竹漿紙產(chǎn)品的推廣與深入應(yīng)用,對(duì)竹漿的質(zhì)量也提出了更高的要求[4]。纖維素聚合度(DP) 是衡量竹漿質(zhì)量的核心指標(biāo)之一,直接決定竹漿的質(zhì)量及其制備紙張的力學(xué)性能[5]。纖維素DP的提高通常與紙張的力學(xué)性能提升呈正相關(guān)。硫酸鹽法是目前制備竹漿的主要方法[6-8],然而,該方法制得的竹漿纖維素DP通常低于1 000,這主要?dú)w因于制漿過程中纖維素糖苷鍵的斷裂,導(dǎo)致纖維素分子發(fā)生降解[9-10],進(jìn)而削弱了竹纖維的強(qiáng)度,限制了竹纖維在高性能紙張中的應(yīng)用。因此,在硫酸鹽法制漿過程中,如何抑制纖維素的降解,保留較高的纖維素DP,是提升竹纖維質(zhì)量的主要挑戰(zhàn)。
近年來(lái),研究人員在保護(hù)紙漿纖維素DP方面取得了諸多進(jìn)展,主要策略如下:①添加纖維素保護(hù)劑,如聚乙二醇[11]、蒽醌[12-13]等;②采用對(duì)纖維素糖苷鍵破壞小的制漿法,如低共熔溶劑法制漿[14-16]、酶法制漿[17-19]等;③優(yōu)化制漿工藝[20]。Tong等[11]利用聚乙二醇作為糖苷鍵保護(hù)劑,采用ZnCl2-磷酸低共熔溶劑溶解纖維素,聚乙二醇單元優(yōu)先與Zn2+配位,減少了纖維素糖苷鍵的水解,使纖維素DP達(dá)745,較未使用保護(hù)劑的再生纖維素提升了7倍。然而,該方法局限于特定的低共熔溶劑體系,普適性有限。Yang等[21]在溫和的反應(yīng)條件(85 ℃) 下采用過氧乙酸制漿,利用其對(duì)木質(zhì)素的高選擇性作用,破壞木質(zhì)素和多糖之間的共價(jià)鍵,獲得了纖維素DP較高的纖維。盡管該方法效果顯著,但過氧乙酸的腐蝕性和高成本限制了其規(guī)?;瘧?yīng)用。相較于上述方法,優(yōu)化硫酸鹽法的蒸煮工藝因其低成本、工藝簡(jiǎn)單且可規(guī)?;葍?yōu)點(diǎn),在制備高纖維素DP的竹漿方面展示了較大優(yōu)勢(shì)。然而,關(guān)于硫酸鹽法蒸煮條件如何影響竹漿中纖維素DP的研究較少,從而限制了高纖維素DP竹漿的制備。
本研究以慈竹為原料,采用硫酸鹽法蒸煮,通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),系統(tǒng)探討用堿量、最高蒸煮溫度、硫化度和保溫時(shí)間4 個(gè)因素對(duì)竹漿纖維素DP 的影響,并進(jìn)一步優(yōu)化蒸煮工藝,制備出高纖維素DP竹漿。同時(shí),測(cè)定該蒸煮條件下竹漿的木質(zhì)素含量及細(xì)漿得率。在此基礎(chǔ)上,以該高纖維素DP竹漿為原料,控制漂白工藝制得一系列形態(tài)相近、纖維素DP不同的竹漿,進(jìn)而探究竹漿纖維素DP對(duì)紙張零距抗張強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)的影響。以期為高纖維素DP竹漿的制備提供理論依據(jù),并推動(dòng)其在高附加值紙基材料中的應(yīng)用。
1 實(shí)驗(yàn)
1. 1 實(shí)驗(yàn)原料與試劑
慈竹,產(chǎn)自四川;硫化鈉(Na2S),天津市大茂化學(xué)試劑廠;氫氧化鈉(NaOH)、硫酸(H2SO4,質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%,分析純)、蒽醌,廣州化學(xué)試劑廠;亞氯酸鈉(NaClO2,質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%)、半胱氨酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%),上海麥克林生化科技股份有限公司;冰乙酸(分析純),上海強(qiáng)順化學(xué)試劑有限公司;銅乙二胺溶液,上海泰選實(shí)業(yè)有限公司。
1. 2 儀器與設(shè)備
高壓反應(yīng)釜,美國(guó)Parr儀器公司;漿料平板篩分儀、RK3AKWT凱塞法自動(dòng)抄片系統(tǒng),奧地利PTI公司;UV-2600i紫外可見分光光度計(jì),日本島津公司;BX 51光學(xué)顯微鏡,日本Olympus公司;MorFi纖維分析儀,法國(guó)Techpap公司;Zspan 1000零距抗張強(qiáng)度儀,美國(guó)Pulmac 公司;INSTRON 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī),美國(guó)Instron公司;纖維解離器、CE 180耐破度測(cè)定儀、009撕裂度儀,瑞典Lamp;W 公司;場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM),德國(guó)Zeiss公司。
1. 3 實(shí)驗(yàn)方法
1. 3. 1 硫酸鹽法制漿
采用硫酸鹽法蒸煮,首先將慈竹去皮、除節(jié)和切片,得到完整的竹片(長(zhǎng)度2~4 cm、寬度5~8 mm、厚度2~5 mm)。然后將一定量的NaOH、Na2S、蒽醌和一定量的水混合,攪拌溶解15 min后得到蒸煮液。將處理好的竹片與蒸煮液一同置于高壓反應(yīng)釜,升溫至設(shè)定溫度,并在此溫度下保溫一定時(shí)間后完成蒸煮。最后待高壓反應(yīng)釜降溫至室溫時(shí),將產(chǎn)物倒出,進(jìn)行洗滌、疏解和篩漿處理,得到未漂白竹漿。
本研究通過設(shè)計(jì)L16(45)正交實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)分析了硫酸鹽法蒸煮工藝條件對(duì)脫木質(zhì)素效果和竹漿纖維素DP的影響規(guī)律,實(shí)驗(yàn)所用藥品用量及相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。蒸煮過程液比為1∶10,蒽醌添加量為0.1%(相對(duì)于絕干漿質(zhì)量)。
1. 3. 2 竹漿漂白
稱取6 g 竹漿(絕干漿,最優(yōu)工藝下制備的竹漿),按液比1∶20(g∶mL) 加入120 mL去離子水,充分混合后置于密封袋中,將密封袋放置于80 ℃的水浴鍋中,按表2工藝條件分別加入亞氯酸鈉和冰乙酸, 控制漂白時(shí)間, 獲得4 種不同纖維素DP 的竹漿。
1. 3. 3 竹漿抄紙
以上述4種不同纖維素DP的竹漿為原料,使用凱塞法自動(dòng)抄片系統(tǒng)抄造定量為40 g/m2的紙張。不同纖維素DP對(duì)應(yīng)紙張編號(hào)如表3所示。
1. 4 表征與測(cè)試
1. 4. 1 竹漿纖維素DP測(cè)定
由于蒸煮后竹漿木質(zhì)素含量較高,會(huì)影響纖維素DP的測(cè)定,因此正交實(shí)驗(yàn)中纖維素DP的測(cè)定均在采用相同漂白工藝后進(jìn)行。漂白工藝如下:1 g 竹漿(絕干計(jì)) 加入0.6 g亞氯酸鈉、0.3 mL冰乙酸,漂白0.5 h。采用銅乙二胺法測(cè)定漂白后竹漿中纖維素DP。將竹漿置于烘箱100 ℃干燥8 h后,取適量烘干漿完全溶解于0.5 mol/L的銅乙二胺溶液中。在25 ℃的恒溫水浴中保溫30 min后,使用北歐標(biāo)準(zhǔn)黏度計(jì)測(cè)定溶液的流出時(shí)間,通過Martin公式計(jì)算溶液的特性黏度[η],根據(jù)式(1)計(jì)算竹漿纖維素的DP。
1. 4. 2 木質(zhì)素含量測(cè)定
采用半胱氨酸輔助硫酸法測(cè)定蒸煮后竹漿的木質(zhì)素含量[22]。首先將1 g半胱氨酸溶解到10 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72% 的硫酸中,制備成100 mg/mL 的半胱氨酸/硫酸溶液。然后,將5~10 mg的絕干竹漿與1 mL的半胱氨酸/硫酸溶液混合在一起,在室溫條件下攪拌反應(yīng)1 h, 使竹漿完全溶解。最后, 將該溶液稀釋到100 mL,采用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)量溶液在283 nm處的吸光度(將1 mL半胱氨酸/硫酸溶液稀釋至100 mL作為空白樣),利用式(2)計(jì)算木質(zhì)素含量(X,%)。
1. 4. 3 竹漿得率測(cè)定
測(cè)定篩漿后的竹漿得率。首先準(zhǔn)確稱量裝入高壓反應(yīng)釜中竹片的絕干質(zhì)量,然后稱量篩漿后得到的濕竹漿質(zhì)量,并測(cè)量濕竹漿的水分質(zhì)量。通過式(3)計(jì)算竹漿得率。
1. 4. 4 纖維形態(tài)表征
采用光學(xué)顯微鏡觀察纖維形態(tài)。取少量不同纖維素DP的4種竹漿纖維分散在水中,用吸管吸取少量纖維分散液滴于載玻片上,蓋上蓋玻片,置于顯微鏡下觀察。
分別取0.03 g(絕干) 具有不同纖維素DP的4種竹漿纖維,將其均勻分散在1 000 mL水中,然后使用纖維分析儀測(cè)定竹纖維的長(zhǎng)度、寬度和細(xì)小纖維含量。
1. 4. 5 紙張力學(xué)性能測(cè)試
紙張的拉伸強(qiáng)度使用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試,所有紙張均在相對(duì)濕度(50±2)%、溫度(23±1) ℃下平衡水分24 h。其中,紙張的取樣寬度為10 mm、夾頭間距30 mm、拉伸速度10 mm/min。紙張的零距抗張強(qiáng)度、耐破度、撕裂度分別參照GB/T 26460—2011、GB/T454—2020、GB/T 454—2020進(jìn)行測(cè)試。
1. 4. 6 紙張拉伸斷裂面結(jié)構(gòu)表征
采用FESEM觀察手抄紙的拉伸斷裂面結(jié)構(gòu)。首先裁取一小塊20 mm2的拉伸斷裂紙張,將其固定在導(dǎo)電膠上,接著對(duì)樣品進(jìn)行鍍鉑金處理。在觀測(cè)時(shí),電子槍的加速電壓設(shè)定為3 kV。
2 結(jié)果與討論
2. 1 蒸煮工藝對(duì)纖維素聚合度的影響
采用硫酸鹽法蒸煮制漿, 選取用堿量12%、14%、16%、18%,硫化度10%、20%、30%、40%,保溫時(shí)間50、70、90、110 min,最高蒸煮溫度140、150、160、170 ℃,進(jìn)行四因素四水平正交實(shí)驗(yàn),結(jié)果如表4所示。由表4可知,正交實(shí)驗(yàn)中,編號(hào)4制備的竹漿纖維素DP最高,達(dá)2 219。通過極差分析可知,各因素對(duì)竹漿纖維素DP的影響大小依次為:用堿量(A) gt;最高溫度(D) gt;保溫時(shí)間(C) gt;硫化度(B)。隨著用堿量和最高溫度的增加,纖維素DP迅速下降。這是因?yàn)樵趬A性環(huán)境中,纖維素的β-1,4-糖苷鍵會(huì)斷裂,導(dǎo)致纖維素分子降解速度加快,同時(shí),高溫會(huì)進(jìn)一步加速這一化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。相比之下,隨著保溫時(shí)間和硫化度的增加,纖維素DP變化不大。由極差分析結(jié)果可知,高纖維素DP竹漿的最佳制備工藝為A1D1C4B4, 即用堿量12%, 最高蒸煮溫度140 ℃,硫化度40%,保溫時(shí)間110 min。結(jié)果表明,硫化度從10% 增加至40% 時(shí),纖維素DP 均維持在2 000左右,表明硫化度對(duì)竹漿纖維素DP的影響不顯著。此外,保溫時(shí)間對(duì)纖維素DP影響也不明顯?;诔杀尽h(huán)境影響及纖維素DP綜合考量,最終確定的最佳工藝條件為: 用堿量12%, 最高蒸煮溫度140 ℃,硫化度10%,保溫時(shí)間50 min。在此條件下進(jìn)行蒸煮制漿,測(cè)得竹漿纖維素DP高達(dá)2 186,驗(yàn)證了工藝選擇的合理性和結(jié)果的可重現(xiàn)性。
通過方差分析驗(yàn)證了硫酸鹽法蒸煮工藝中各因素的顯著性和可信度,結(jié)果見表5。由表5可知,用堿量、最高溫度的P 值均lt;0.05,說(shuō)明二者對(duì)纖維素DP具有顯著影響。而硫化度、保溫時(shí)間的P 值gt;0.05,說(shuō)明硫化度和保溫時(shí)間對(duì)纖維素DP的影響相對(duì)較小,這一結(jié)果與極差分析的結(jié)論一致。
2. 2 蒸煮工藝對(duì)竹漿木質(zhì)素含量的影響
竹漿質(zhì)量的另一重要評(píng)價(jià)指標(biāo)是木質(zhì)素含量。本研究對(duì)竹漿的木質(zhì)素含量進(jìn)行了測(cè)定,結(jié)果如表6所示。由表6可知,,各工藝得到的未漂竹漿的木質(zhì)素含量均在11.19%以下,表明均具有較好的脫木質(zhì)素效果。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析可知,在實(shí)驗(yàn)所選水平范圍內(nèi),4 個(gè)因素對(duì)脫木質(zhì)素效果的影響順序?yàn)锳gt;Dgt;Cgt;B,即用堿量(A) 對(duì)脫木質(zhì)素效果影響最大,其次是最高蒸煮溫度(D),而保溫時(shí)間(C) 和硫化度(B) 對(duì)脫木質(zhì)素效果的影響較小。隨著用堿量和最高蒸煮溫度的升高,竹漿木質(zhì)素含量急劇下降,說(shuō)明反應(yīng)程度劇烈,木質(zhì)素中的多種醚鍵(α-烷基芳基醚鍵、β-O-4型連接鍵) 受親核試劑OH?作用而斷開,使木質(zhì)素大分子不斷降解。竹漿木質(zhì)素含量隨硫化度的增加,總體呈先下降后上升的趨勢(shì),表明在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),硫化度增加有助于加快脫木質(zhì)素過程,但當(dāng)硫化度超過20%時(shí),脫木質(zhì)素效果不再顯著。這是因?yàn)樵谟脡A量一定時(shí),硫化度的提高意味著有效堿含量降低,當(dāng)有效堿含量不足以使硫化木質(zhì)素溶解時(shí),脫木質(zhì)素效果將受影響。此外,當(dāng)保溫時(shí)間超過70 min時(shí),木質(zhì)素含量繼續(xù)下降,說(shuō)明保溫時(shí)間的延長(zhǎng)有利于進(jìn)一步脫除木質(zhì)素。
此外,對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果中竹漿木質(zhì)素含量進(jìn)行了方差分析,結(jié)果如表7所示。由表7可知,因素A 的P 值lt;0.01,因素D 的P 值lt;0.05,表明用堿量和最高蒸煮溫度對(duì)脫木質(zhì)素效果具有顯著影響;而因素B 和C 的P 值均gt;0.05,說(shuō)明保溫時(shí)間和硫化度對(duì)脫木質(zhì)素效果的影響較小。該結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了用堿量和最高蒸煮溫度對(duì)脫木質(zhì)素效果的重要性,與硫酸鹽法蒸煮工藝對(duì)纖維素DP影響的規(guī)律一致。
在最優(yōu)工藝條件下制備的高纖維素DP竹漿中,木質(zhì)素含量為9.12%,細(xì)漿得率達(dá)57.9%,表現(xiàn)出較高的得率。這表明在蒸煮過程中竹纖維素的損失較少,這不僅歸因于蒸煮工藝的優(yōu)化,還與蒽醌保護(hù)劑的添加相關(guān)。少量蒽醌的添加能夠促進(jìn)木質(zhì)素的有效脫除,抑制竹纖維素的剝皮反應(yīng),保護(hù)碳水化合物[12],從而提高竹漿得率。
2. 3 不同纖維素DP竹漿的形態(tài)分析
通過控制漂白藥品用量和漂白時(shí)間,制備了纖維素DP分別為2 186、1 579、1 029和539的4種竹漿,利用顯微鏡對(duì)4種竹纖維形態(tài)進(jìn)行表征,結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,4種竹纖維的形態(tài)相似,未觀察到明顯的分絲帚化現(xiàn)象,無(wú)法用肉眼觀測(cè)出變化。因此,需要進(jìn)一步采用纖維分析儀對(duì)纖維進(jìn)行表征。
纖維分析儀測(cè)試結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,經(jīng)過亞氯酸鈉漂白后的4種竹漿(F1、F2、F3、F4)的纖維長(zhǎng)度分別為2.0、1.9、1.9、1.8 mm,纖維寬度分別為18.1、17.6、17.3、17.4 μm,盡管纖維長(zhǎng)度和寬度均呈現(xiàn)略微下降的趨勢(shì),但總體上變化幅度較小。細(xì)小纖維含量隨纖維素DP下降而上升,分別為13.0%、14.9%、15.1%、15.5%,隨著漂白藥品用量的增加和時(shí)間的延長(zhǎng),細(xì)小纖維含量略有升高,但總體變化不大。
2. 4 纖維素DP對(duì)紙張力學(xué)性能的影響
采用F1、F2、F3、F4竹纖維抄紙,并對(duì)抄造紙張的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。圖3(a)為不同纖維素DP竹漿抄造紙張的零距抗張強(qiáng)度。由圖3(a)可知,隨著纖維素DP 從2 186 降低到539,紙張零距抗張強(qiáng)度從217 N·m2/g降低至114 N·m2/g,下降了近50%,這表明纖維素DP的下降會(huì)導(dǎo)致竹漿紙張的強(qiáng)度下降。
竹漿紙張的撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)如圖3(b)和圖3(c)所示。由圖3(b)和圖3(c)可知,隨著竹漿纖維素DP從2 186 下降至539,紙張撕裂指數(shù)從10.2 mN·m2/g 下降至3.60 mN·m2/g,耐破指數(shù)則由2.40 kPa·m2/g降至1.70 kPa·m2/g,撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)分別降低了65%和29%,這一結(jié)果表明,竹漿纖維素DP對(duì)紙張的撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)具有顯著影響。然而,當(dāng)竹漿纖維素DP從2 186降低到1 579時(shí),紙張耐破指數(shù)和撕裂指數(shù)均出現(xiàn)了小幅上升,可能是由于高纖維素DP漂白竹漿中仍殘留少量木質(zhì)素所致。
此外,對(duì)由不同纖維素DP竹漿制備的紙張拉伸強(qiáng)度進(jìn)行了表征,結(jié)果如圖3(d)所示。由圖3(d)可知,盡管竹漿纖維素DP下降,紙張的拉伸強(qiáng)度仍保持在約18 MPa。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一現(xiàn)象,對(duì)紙張拉伸斷裂面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,在拉伸斷裂過程中均發(fā)生了纖維滑移現(xiàn)象,而非斷裂,因此,纖維自身的強(qiáng)度并未發(fā)揮作用[5],這解釋了為何不同纖維素DP竹漿紙張的拉伸強(qiáng)度沒有顯著變化。
3 結(jié)論
3. 1 蒸煮工藝各因素對(duì)竹漿纖維素DP的影響順序?yàn)椋河脡A量gt;最高蒸煮溫度gt;保溫時(shí)間gt;硫化度。隨著用堿量和最高溫度的增加,竹漿纖維素DP快速下降;而隨著保溫時(shí)間和硫化度增加時(shí),竹漿纖維素DP變化不大。
3. 2 各因素對(duì)木質(zhì)素脫除的影響順序?yàn)椋河脡A量gt;最高蒸煮溫度gt;保溫時(shí)間gt;硫化度。隨著用堿量和最高溫度增加,木質(zhì)素含量急劇下降;隨著硫化度增加,木質(zhì)素含量先下降后上升;延長(zhǎng)保溫時(shí)間有利于進(jìn)一步脫除木質(zhì)素。
3. 3 基于成本、環(huán)境影響和纖維素DP綜合考量,確定高纖維素DP竹漿的最佳制備工藝為:用堿量12%,最高蒸煮溫度140 ℃ , 硫化度10%, 保溫時(shí)間50 min。在此工藝條件下所制竹漿纖維素DP 高達(dá)2 186,木質(zhì)素含量為9. 12%,竹漿得率達(dá)57. 9%,驗(yàn)證了工藝選擇的合理性和結(jié)果的可重現(xiàn)性。
3. 4 隨著竹漿纖維素DP下降,紙張的零距抗張強(qiáng)度、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)均顯著降低,而拉伸強(qiáng)度幾乎沒有變化,這是因?yàn)榧垙埖睦鞌嗔咽怯衫w維滑移引起的,而纖維自身強(qiáng)度沒有發(fā)揮作用。
參 考 文 獻(xiàn)
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(責(zé)任編輯:董鳳霞)