工业大麻纤维少污染清洁制浆漂白技术及其机理的研究

摘要

近十几年来,我国造纸工业发展迅速,纸浆和纸制品的产能不断扩大,对纤维原料的需求量也越来越大。为了增强造纸工业的抗风险能力和减轻原料供应压力,合理利用优质的长纤维非木材原料仍具有重要的研究价值和现实意义。本论文对工业大麻“云麻1号”这一新原料的清洁制浆漂白特性进行了深入研究,以期为工业大麻纤维资源的有效利用提供技术理论依据。 利用光学显微镜LM和扫描电镜SEM对大麻韧皮和芯杆的生物结构进行研究,结果表明大麻的韧皮是一种非常优良的长纤维原料,而其芯杆也是一种较为优良的纤维原料。与红麻纤维相比,大麻芯杆纤维长度优于红麻芯杆,但木素含量较红麻全杆和麦草高出3％左右。此外,大麻芯杆硅含量仅为0.21％,仅为常见麦草硅含量的十分之一左右。大麻韧皮的纤维长度非常长,纤维素含量也很高,但其木素含量和聚戊糖含量都很低。红外光谱(FTIR)和紫外光谱(UV)分析显示大麻芯杆和韧皮的木素结构类型均为愈创木基-紫丁香基(GS)型,其中芯杆S型结构较高。 利用正交实验设计对大麻芯杆硫酸盐法制浆工艺进行探讨,并对用碱量这一主要影响因素进行单因素分析,得到蒸煮的较优工艺条件。而后,通过三因素二次通用旋转组合实验设计建立了纸浆特性与三个主要工艺参数用碱量、最高温度和保温时间之间的数学模型。利用该模型对生产实验进行预测,纸浆特性的预测值和实测值之间有很好的拟合性。优化条件下得到的纸浆,具有很好的可漂性能。 利用正交实验和单因素实验设计得到大麻芯杆硫酸盐浆单氧脱木素(O)最优条件,并采用三因素二次通用旋转组合实验设计建立了纸浆卡伯值、粘度与NaOH用量、氧压和温度之间的数学模型。与单氧脱木素相比,双氧脱木素(O1/O2)有更好的脱木素效果,且在同样的4％NaOH用量下,3:1的碱用量配比较2:2碱用量配比脱木素程度更高,选择性也更好。另外,在第二段加入1.5％的H2O2可进一步降低卡伯值,并提高纸浆的白度。双氧脱木素的浆经4％有效氯用量的H漂白,白度可达78％ISO以上；对于H2O2加强的双氧脱木素浆经同样的H漂白后,白度为82.15％ISO。此外,硫酸(H2SO4)预处理和弱酸EDTA螯合预处理(Q)都能有效的清除纸浆中的金属离子,尤其是对Mn2+和Cu2+去除效果显著。大麻芯杆单氧脱木素浆经HQP漂白,仅使用2.5％的有效氯和2.5％的H2O2即可漂至85％ISO以上；若采用压力过氧化氢漂白(Po),可进一步提高纸浆白度,而且在达到同样的白度时,P段漂白时间可以缩短一半。 利用正交实验设计得到了大麻韧皮硫酸盐法制浆和H2O2强化单氧脱木素的较优工艺条件。经后续QP漂白,纸浆的白度为81.34％ISO,且具有很好的物理强度性能。大麻韧皮清水预水解可脱出原料中大部分的半纤维素,然后采用NaOH-AQ法制浆和氨法制浆,经DEpD漂白都能制取较好质量的溶解浆粕,具有很高的利用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1纤维原料瓶颈问题

1.1.2清洁生产问题

1.2大麻植物及其产业价值链

1.2.1大麻植物的分类和种植

1.2.2大麻植物的产业价值链

1.3国内外工业大麻制浆造纸应用研究概况

1.3.1我国大麻制浆造纸的利用现状

1.3.2国外大麻制浆造纸的发展现状

1.4清洁漂白技术

1.4.1中浓氧脱木素技术

1.4.2中浓过氧化氢漂白技术

1.4.3中浓二氧化氯漂白技术

1.5实验设计及其在科研中的应用

1.5.1正交实验设计

1.5.2单因素试验设计方法

1.5.3通用旋转组合实验设计

1.6研究目的和主要内容

第二章大麻植物纤维特性及木素化学结构研究

2.1原料和实验方法

2.1.1实验原料

2.1.2仪器与设备

2.1.3大麻芯杆细胞形态和纤维形态的观测

2.1.4大麻韧皮细胞形态及纤维形态的观测

2.1.5大麻植物纤维化学成分分析

2.1.6大麻植物木素结构分析

2.2结果与讨论

2.2.1大麻芯杆的细胞形态

2.2.2大麻芯杆的纤维形态

2.2.3大麻韧皮的细胞形态

2.2.4大麻韧皮的纤维形态

2.2.5大麻纤维的化学组成

2.2.6大麻纤维的木素化学结构

2.3本章小结

第三章大麻芯杆硫酸盐制浆方法优化研究

3.1原料和实验方法

3.1.1实验原料

3.1.2硫酸盐法蒸煮

3.1.3检测与分析

3.2结果和讨论

3.2.1正交实验分析

3.2.2三因素二次通用旋转组合实验分析

3.3本章小结

第四章硫酸盐大麻芯杆浆中浓氧脱木素实验设计及模型研究

4.1原料和实验方法

4.1.1实验原料

4.1.2单段氧脱木素

4.1.3双氧脱木素

4.1.4检测与分析

4.2结果与讨论

4.2.1正交实验分析

4.2.2单因素实验分析

4.2.3三因素二次通用旋转组合实验分析

4.2.4双氧脱木素效果分析

4.3本章小结

第五章氧脱木素大麻芯杆硫酸盐浆少污染清洁漂白技术研究

5.1原料和实验方法

5.1.1实验原料

5.1.2次氯酸盐漂白

5.1.3过氧化氢漂白

5.1.4检测与分析

5.2结果与讨论

5.2.1次氯酸盐漂白效果分析

5.2.2预处理对过氧化氢漂白的影响

5.2.3常规过氧化氢漂白的工艺优化

5.2.4压力过氧化氢漂白的工艺优化

5.3本章小结

第六章大麻韧皮纤维碱法制浆及少污染清洁漂白

6.1原料和实验方法

6.1.1实验原料

6.1.2预水解

6.1.3碱法制浆

6.1.4少污染清洁漂白

6.1.5检测与分析

6.2结果与讨论

6.2.1大麻韧皮硫酸盐法蒸煮工艺优化

6.2.2大麻韧皮硫酸盐浆的OQP漂白

6.2.3大麻韧皮预水解、NaOH-AQ法制浆和DEpD漂白

6.2.4大麻韧皮NH4OH/H2O2-AQ法制浆和DEpD漂白

6.3本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间取得的科研成果

致 谢