高纯度纤维素的提取与性能研究

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目前,国内部分造纸企业对速生杨木进行高温热水预处理,提取其中的半纤维素和木素制备高附加值的化学品如功能糖等,然后再将预处理后的木质纤维进行蒸煮漂白,生产溶解浆、高纯度纤维素或用于造纸。本课题在高温热水预处理过程中以综合严重性因子(combined severity factor,CSF)作为衡量杨木片高温热水预处理的关键参数,研究其对后续利用硫酸盐蒸煮和ECF/TCF漂白制备高纯度纤维素产生的影响。同时还对低共熔溶剂分离硫酸盐纸浆纤维的以获得高纯度纤维素的工艺条件及机理进行了探讨。高温热水预处理会对杨木片三大组分的含量造成影响,主要会造成半纤维素的大量降解,同时伴随木素的少量溶出,而对纤维素影响较小。研究确定了预处理CSF的临界值为5.81。在预水解临界点(CSF=5.81)后,纸浆纤维的尺寸趋于稳定,且抄纸后的物理检测指标趋于稳定。综合经济效益和处理效果,本实验选定CSF=6.61时,为最适的预处理程度,此条件下,纸浆得率为45.27%,α-纤维素含量为86.65%,聚合度为1290,卡伯值为22.45,白度为34.56%ISO,平均纤维长度为0.725 mm,平均纤维宽度为16.92μm,细小纤维含量为9.12%。热水预处理对杨木硫酸盐浆ECF漂白具有有利的影响。当木片达到最佳预处理程度(即CSF=6.61)后,用硫酸盐法制浆,再经D(EP)P漂序漂白,纸浆的白度可达85%ISO,纤维素聚合度为930,α-纤维素含量为92.3%;此外,纸浆的卡伯值为0.62,纤维素结晶度为75.39%。该研究为高温热水预处理制备溶解浆和高纯度纤维素提供了理论基础和技术支持。本课题研究了热水预处理对杨木硫酸盐浆TCF漂白的影响,研究发现可以采用幂函数模型对TCF漂白后的纸浆卡伯值进行模拟,得到OXH漂白后预处理杨木硫酸盐浆卡伯值随CSF变化的模型:Kt=K0-CSF×(0.488+exp(-0.297×CSF))。根据纸浆白度和纤维粘度进行数据分析并拟合函数,再参考漂白脱木素模型,可以对不同CSF的(其他实验条件不变)漂白预水解硫酸盐杨木浆的黏度、白度和卡伯值进行预测。本课题还合成了五种不同的氯化胆碱体系低共熔溶剂,并且对其物理化学性质做了简单分析,利用傅里叶变换红外光谱分析检测证明合成了低共熔溶剂。探讨了微波加热条件下5种低共熔溶剂的分离效果。实验结果表明,在100°C下,微波辅助加热保温10 min时,甲酸/氯化胆碱(Fa Ch)溶液的分离效果较优,且对纤维损伤最小,在此条件下,固体部分中纤维素含量为89.72%,木素含量仅为1.53%,结晶度为73.4%。草酸/氯化胆碱(Oa Ch)溶液的分离效果较差,固体部分中纤维素含量为83.68%,木素含量为3.82%,结晶度为85.71%,且此溶液对纤维损伤特别严重,极大的影响了纤维聚合度。根据Fa Ch分离杨木硫酸盐浆的优化结果,在微波反应温度为110°C,时间为15 min,投料量为10 g/g时,固体部分中纤维素含量为93.68%,半纤维素去除率为78.25%,木素的去除率为74.25%。
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