桉木CTMP纤维的白腐菌改性及其表面化学和形貌表征的研究

摘要

机械浆和化学机械浆因为具有得率高、挺度和松厚度好、光学性能优异等特点，近年来在造纸工业用纤维中所占的比例逐年上升。然而，由于机械浆和化学机械浆纤维表面的木素含量较高，其表面被一层刚性的胞间层和软化的木素覆盖着，这种表面性能决定了其纤维间结合力小，强度无法与化学浆相比，因而在生产高等级纸张时无法完全取代化学浆，这在一定程度上阻碍了机械法和化学机械法制浆工艺的发展。 本课题利用一种对环境友好，能耗低，对纤维无损伤的生物法对CTMP纤维表面进行改性处理，目的是去除覆盖在纤维表面的部分木素和抽提物成分，从而达到改善纤维强度性能的目的。通过对比研究筛选出了最优的白腐菌菌株，并确定了最佳白腐菌改性工艺，同时，利用SEM、TEM、AFM、XPS等现代仪器分析技术对白腐菌改性机理作了较为系统深入的研究。研究结果表明： 通过对白腐菌处理后CTMP浆的化学组成变化、强度性能、PFI磨浆能耗、白度损失及可漂性的对比，筛选出白腐菌19-6作为最佳菌种，且其最佳改性工艺为：添加1.2％葡萄糖为碳源和0.12％酒石酸铵为氮源，pH值4.5，培养温度28℃，培养时间7d，每天通纯氧10 min。 从白腐菌改性前后纸浆性能对比来看，白腐菌处理有利于降低CTMP浆的PFI磨浆能耗，提高纸浆中的羧基含量，显著提高纸浆的强度性能。经白腐菌19-6处理后，纸浆的抗张指数、撕裂指数和内结合强度分别提高18.8％、37.8％和39.9％。但白腐菌改性后纸浆的白度和可漂性均有所下降，仅靠单段漂很难将纸浆漂到60％ISO以上的白度，而采用Na<,2>S<,2>O<,4>--H<,2>O<,2>两段组合漂白可以使漂后浆白度达到71.3％ISO。 SEM和TEM分析结果表明，白腐菌改性CTMP纤维细胞壁受到了不同程度的侵蚀，由于白腐菌分泌的各种酶的降解作用使细胞壁的局部区域出现分离，纤维组织结构变得疏松，如后续进行PFI磨浆处理，纤维从胞间层到细胞腔内壁的各层出现了明显的分离、润胀和碎片化现象，细胞壁的整体结构和形状也发生了变形和扭曲，纤维变得柔软，有利于提高纤维间结合强度。 通过SEM和AFM对纤维表面形貌的分析表明，白腐菌处理可以去除覆盖在纤维表面的木素和抽提物，纤维表面暴露出富含碳水化合物的S<,1>层，有利于提高纤维间的结合强度。而通过AFM相图和地形图分析，同样证实了白腐菌能有效地去除CTMP纤维表面的木素和抽提物等疏水性物质，使纤维表面的粗糙度下降。 利用XPS对白腐菌改性处理前后CTMP纤维表面氧碳比(O/C)及Cls峰的分析结果表明，白腐菌改性后CTMP纤维表面的氧碳比(O/C)上升，C1峰有所下降，同时Cls峰位向高结合能方向漂移，说明白腐菌改性后CTMP纤维表面木素和抽提物减少，暴露出了更多的亲水性基团，碳水化合物的含量提高，有利于促进抄纸时纤维间氢键结合的形成。此外，XPS还可以用于定量分析纤维表面的木素和抽提物的含量，从分析结果来看，白腐菌处理后桉木CTMP纤维表面木素和抽提物含量分别降低了8.3％和55.9％，而总木素含量和总抽提物含量仅分别下降了2.5％和11.1％，可见，白腐菌的脱木素和降解抽提物作用主要发生在纤维的表面。不管是白腐菌处理前还是处理后的CTMP纤维，其表面木素和抽提物的含量都远远高于其总木素含量和总抽提物含量，由此说明CTMP纤维中木素和抽提物主要集中在纤维的表面上，这个结果符合CTMP制浆方法纤维主要在胞间层分离的观点。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题背景

1.2高得率制浆技术发展现状

1.2.1高得率制浆技术的的发展历程

1.2.2化学热磨机械法制浆(CTMP)

1.2.3碱性过氧化氢机械法制浆(APMP)

1.2.4生物机械法制浆(Bio-MP)

1.2.5我国高得率制浆发展现状

1.3桉木纤维原料在制浆造纸工业中的应用现状

1.3.1速生桉木在我国林浆纸工业中的重要地位

1.3.2桉木作为造纸原料的优势和特点

1.3.3国内外桉木制浆造纸情况

1.4纤维的表面改性技术及其发展趋势

1.4.1纤维的表面性能

1.4.2纤维的表面改性

1.5纤维的表面分析技术

1.5.1纤维表面形貌分析技术

1.5.2纤维表面化学分析技术

1.6本论文的研究目的、意义和主要内容

1.6.1研究目的和意义

1.6.2主要研究内容

第二章白腐菌菌株的筛选

2.1实验原材料与方法

2.1.1实验原材料

2.1.2实验方法

2.2结果与讨论

2.2.1白腐菌处理对CTMP化学组分的影响

2.2.2白腐菌处理对CTMP PFI磨浆能耗的影响

2.2.3白腐菌处理对CTMP浆强度性能的影响

2.2.4白腐菌处理对CTMP浆光学性能的影响

2.2.5白腐菌处理CTMP浆的可漂性研究

2.3本章小结

第三章白腐菌19-6改性桉木CTMP浆工艺研究

3.1实验原材料与方法

3.1.1实验原材料

3.1.2实验方法

3.2结果与讨论

3.2.1培养条件对白腐菌19-6处理效果的影响

3.2.2白腐菌19-6处理前后CTMP浆性能对比

3.2.3白腐菌处理前后纤维质量分析(FQA)

3.2.4白腐菌处理前后纸浆羧基含量测定

3.3本章小结

第四章白腐菌19-6改性桉木CTMP浆的漂白研究

4.1实验原材料与方法

4.1.1实验原材料

4.1.2实验方法

4.2结果与讨论

4.2.1 H2O2单段漂白

4.2.2 Na2S2O4单段漂白

4.2.3 H2O2和Na2S2O4两段组合漂白

4.3本章小结

第五章白腐菌改性CTMP浆纤维形态微观分析

5.1实验原材料与方法

5.1.1实验原材料

5.1.2光学显微镜观察

5.1.3扫描电子显微镜(SEM)观察

5.1.4透射电子显微镜(TEM)观察

5.2结果与讨论

5.2.1白腐菌改性前后纤维细胞壁超微结构分析

5.2.2白腐菌改性前后纤维形态分析

5.3本章小结

第六章白腐菌改性CTMP浆纤维的表面形貌分析

6.1实验原材料与方法

6.1.1实验原材料

6.1.2扫描电子显微镜(SEM)观察

6.1.3原子力显微镜(AFM)观察

6.2结果与讨论

6.2.1纤维表面的扫描电镜(SEM)分析

6.2.2几种纸浆纤维表面的原子力显微镜(AFM)分析

6.2.3利用AFM表征CTMP纤维表面的化学组成

6.2.4白腐菌改性CTMP纤维表面的AFM分析

6.2.5利用AFM分析CTMP纤维表面地形(Topograph)

6.3本章小结

第七章白腐菌改性CTMP浆纤维的表面化学分析

7.1实验原材料与方法

7.1.1实验原材料

7.1.2 X-射线光电子能谱(XPS)分析

7.2结果与讨论

7.2.1白腐菌处理前后纤维表面氧碳比(O/C)分析

7.2.2 CTMP纤维表面碳价态分析

7.2.3 CTMP纤维表面木素及抽提物的定量分析

7.3本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

评定意见