竹浆粕制浆工艺及其机理的研究

摘要

竹纤维是一种绿色环保纤维,具有天然的抗菌性以及良好的服用性。以竹纤维为原料进行新型纺织纤维开发,不仅开辟了纤维素纤维生产的新途径,对解决我国天然纤维的短缺问题,提高纺织纤维生产技术水平及产品质量亦具有重要意义。论文以福建省资源丰富的毛竹、绿竹和麻竹为原料,研究竹材的预水解和蒸煮工艺,优化预水解及预水解蒸煮工艺;探索竹材预水解机理和蒸煮机理,以期为发展竹纤维产业提供理论依据和技术支持。
　　 毛竹、绿竹和麻竹的纤维长度平均分别为2.23mm、2.19mm和1.86mm。绿竹、麻竹、毛竹的纤维素含量分别为49.60％、46.61％、39.80％。毛竹、绿竹、麻竹的酸不溶木素含量分别为30.52％、23.12％、20.32％。毛竹、麻竹、绿竹的聚戊糖含量分别为21.32％、19.78％、17.45％。毛竹、绿竹和麻竹的纤维长度较长,纤维素含量均较高,均可作为制取竹浆粕的原料。比较三种竹材在抽出物含量、酸不溶木素和聚戊糖含量上的差异,绿竹的纤维素最高,聚戊糖含量最低,木质素含量最低,综合各种因素,在绿竹、麻竹、毛竹三种竹材当中,绿竹是制取竹浆粕的最好竹材。
　　 对毛竹、绿竹和麻竹三种竹子进行预水解实验,优化预水解工艺。研究表明,毛竹最佳预水解工艺为:液比1:4,升温速度7℃/10min,保温时间90min,保温温度170℃;在此工艺条件下可得到得率75.44％,聚戊糖含量11.02％,纤维素含量53.46％的竹片。绿竹最佳预水解工艺为:液比1:3,升温速度5℃/10min,保温时间60min,保温温度170℃;在此工艺条件下可得到得率79.62％,聚戊糖含量8.95％,纤维素含量60.30％的竹片。麻竹最佳预水解工艺为:液比1:3,升温速度7℃/10min,保温时间90min,保温温度170℃。在此工艺条件下可得到得率82.87％,聚戊糖含量10.21％,纤维素含量56.94％的竹片。
　　 预水解之后,进行了毛竹、绿竹和麻竹硫酸盐法蒸煮实验,优化了硫酸盐法蒸煮工艺。毛竹最佳蒸煮工艺为:用碱量23％,硫化度23％,液比1:4,升温速度7℃/10min,保温时间120min,保温温度170℃;在此工艺条件下可得到得率25.40％,kappa值6.24,聚戊糖含量5.04％,灰分0.25％,α-纤维素92.45％,粘度16.57.mPa.s的浆料。绿竹最佳蒸煮工艺为:用碱量23％,硫化度26％,液比1:4,升温速度7℃/10min,保温时间90min,保温温度170℃;在此工艺条件下可得到得率32.82％,kappa值5.53,聚戊糖含量4.35％,灰分0.58％,α-纤维素93.27％,粘度17.45mPa.s的浆料。麻竹最佳蒸煮工艺为:用碱量23％,硫化度26％,液比1:3,升温速度7℃/10min,保温时间90min,保温温度170℃;在此工艺条件下可得到蒸煮得率29.63％,kappa值6.55,聚戊糖含量5.47％,灰分0.97％,α-纤维素91.42％,粘度25.63mPa.s的浆。
　　 研究了绿竹预水解以及硫酸盐法蒸煮的机理。建立了绿竹预水解动力学反应模型,研究表明,绿竹预水解过程中,聚戊糖的溶出为一级反应。保温温度为150℃、160℃、170℃、180℃时,反应速率常数k值分别为0.00411h-1,0.00495h-1,0.00730h-1,0.00925h-1。SEM结果显示,预水解可使竹材的结构变得松散,细胞壁中半纤维素溶出为蒸煮液的渗透创造了有利条件。X射线衍射实验结果表明,预水解提高了绿竹的结晶度,说明预水解过程中半纤维素的溶出使竹片中的纤维素含量提高。建立了硫酸盐法脱木素过程的动力学模型,研究结果表明,绿竹蒸煮过程中,木素的脱除反应为二级反应。保温温度为110℃、130℃、150℃、170℃时,反应速率常数k分别为2.33×10-4,3.14×10-4,4.56x10-4,6.98x10-4,根据阿累尼乌斯公式得到绿竹硫酸盐法蒸煮的总活化能为25.77 kJ/mol。X射线衍射实验结果表明,硫酸盐法蒸煮提高了浆料的结晶度,说明随着半纤维素的继续脱除,浆料的纤维素含量会进一步提高。