竹制溶解浆研究进展

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(2)竹切片竹节多,节子硬度高,含纤维素少, 树脂、尘埃含量高,蒸煮药液渗透困难,不易成浆, 影响生产,且生产的溶解浆反应性能不易达标。
(3)竹材生长周期不一致,尤其中小径竹,其蒸 煮质量不好控制,也会影响到溶解浆质量的均一性 和稳定性。
(4)在备料工段,需增加对原料进行洗涤和脱 水两道工序,以提高料片的洁净度,使溶解浆浆粕 的灰分及铁含量和尘埃度能够达到纺织行业标准。
作者简介:杨玲女士,教授,主要从事低 / 无污染制浆方面的教学与科研工作;联系电话:15984158349, E-mail: lwj1163@。
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2015 年 3 月 第 34 卷 第 3 期
试验研究
节少,合格率≥ 90%,这样不仅制浆得率高,而且 浆粕反应性能较佳,其综合质量也大大提高。 1.2.1.2 层层把关,降低非纤维素杂质。蒸煮后的 本色浆灰分< 0.8%,Fe < 80~70 mg·L-1,经筛选、 漂白后,灰分< 0.1%,Fe < 25~30 mg·L-1,多戊糖 < 4%。 1.2.1.3 在浆粕的生产过程中,应防止纤维素氧化 和水解过剧,减少半纤维素的生成。
(5)竹片贮存时间不宜过长,由于竹材的含糖 量高于木材 [14],尤其是春夏季贮存越长,霉变越重, 影响溶解浆的产量和质量,为此在生产上可采取一 些措施减轻料片发热和变质,措施有:①堆垛时向 料片喷洒化学药品,如稀绿液或稀硼砂;②避免产 生比表面积较大的碎料片;③尽量降低料片堆的高 度,因为堆的顶部温度最低;④使用几个较小的料 片堆代替一个较大的料片堆;⑤按堆存的先后顺序 使用料片,即先进先用。通过一段适宜时间(最好在 2~3 个月内)的存放,竹片中的淀粉、果胶、蛋白质、 脂肪等自然发酵,从而降低蒸煮碱耗,降低洗涤废 液的污染负荷。
溶解浆是一种高纯度的精制浆。目前,溶解浆 的生产原料主要限于木材和棉短绒 [1, 2]。我国棉短 绒和木材受耕地和成本的约束导致产量有限,加上 我国又是贫林国,现有的木材溶解浆多为进口,给 国内相关行业带来较大原料成本压力。因此,如何 开发适合我国国情的新资源来弥补原料的不足,满 足市场对溶解浆浆粕的需求,促进产业持续健康发 展,已经成为一个十分现实和紧迫的问题。我国富 集大量的竹材原料,具有分布广、生长快、可生物降 解等特点,且竹材纤维的特性介于针叶木和阔叶木 之间,纤维长 1.5~2.0 mm,宽度 15~18 μm,纤维细 胞约占细胞总量的 50%~60%,综纤维素含量高达 74%,十分适合于溶解浆浆粕的生产 [3-5]。而且竹 溶解浆除具有棉、木溶解浆相似或相同的物化性质 外,还具有独特的功能,竹纤维制品具有良好的抗 紫外线及除臭功能,其抗紫外线功能比棉纤维强 40 倍左右;优良的透气性和吸放湿性,其透气性是棉 纤维的 3.5 倍,属各种纤维之首;良好的抗菌和抑菌 性是其他纤维所不具有的 [6],因而产品深受纺织行 业和广大消费者的青睐,故竹材溶解浆极具开发价 值。为此,国内许多企业非常看好利用竹材生产溶 解浆,纷纷投资改建或新建溶解浆生产线,在生产 方法上存在劳动负荷较大,生产效率低,成品收获 率低,产品质量不稳定,尤其是铁质及木聚糖含量 高,反应性能不理想等问题,环保难以达标,以及投 资较为巨大,难以达到较大规模生产。
3 竹片预水解
溶解浆的制取有两种工艺方法:预水解-硫酸 盐法和酸性亚硫酸盐法。一般而言,半纤维素含量 高和树脂含量高的原料,必须用预水解 - 硫酸盐法 蒸煮才能得到合格的浆粕,半纤维素含量低的原料 可采用酸性亚硫酸盐法蒸煮 [15, 16]。两种方法比较, 预水解-硫酸盐法对原料的适应性强,生产的溶解 浆的 α-纤维素含量更高(可达 95%~98%),黑液碱 回收率高,环境污染小,它综合了硫酸盐法和酸性 亚硫酸盐法两种制浆方法的优点 [5]。因此,多数企 业采用预水解-硫酸盐法生产溶解浆浆粕。
纤维素含量高的原料生产黏胶浆粕时,采用硫 酸盐法蒸煮需要比常规硫酸盐法制浆剧烈,以达到 降聚降黏的作用。半纤维素含量越高的原料,越要 加强预水解,其预水解的时间会相对长些,预水解 温度会相对高些,还可加入预水解助剂 [11] 强化预
水解作用。木素含量越高的原料,硫酸盐法蒸煮条 件需苛刻些,即用碱量多、高保温度高、高保温时间 长或加入蒸煮助剂来提高木素脱出率 [12, 13]。
1.2 溶解浆生产过程中改善反应性能的措施
1.2.1 提纯 尽量降低非纤维素成分,提高 α-纤维素含量。
1.2.1.1 在条件允许情况下,原料尽量均一、干净、
基金项目:精细化工助剂及表面活性剂四川省高校重点实验室开放基金项目( 项目编号 2013JXY04);四川省教育厅重大培育项目(项 目编号 14CZ0021);四川理工学院 2014 年大学生创新创业训练计划项目(项目编号 201410622015)。
通过预水解、蒸煮破坏初生壁,以及后续的漂 白工段进一步除去初生壁。 1.2.3 收敛
收敛可提高浆粕聚合度的均一性。 聚合度的调整和控制主要在蒸煮和漂白两个 工序 。 [10] 确保浆粕聚合度均一性的一个重点:“ 重蒸”、 “ 轻漂”。高 温 、高 碱 、高 压 的“ 重蒸”目的在于破坏 初生壁,除去木素、灰分、半纤维素等杂质,提纯纤 维素,还有纤维素的降聚作用。如何选择一个尽可 能低的蒸煮聚合度终点,保证纤维初生壁在“ 重蒸” 时得到最大限度的破坏,再经“轻漂”处理,杂质进 一步除去,浆白度提高,达到理想的白度,同时经漂 剂 氧 化 作 用,纤 维 聚 合 度 进 一 步 降 到 工 艺 要 求 范 围,满足黏胶纤维、醋酸纤维等产品的生产。
要生产出优质的溶解浆浆粕需提高原料的合 格率。料片质量是影响浆粕质量的主要因素,以下 几点需引起关注:
(1)竹片的尺寸大小不均,尤其是过大片、圆环 竹片,在装锅时易架桥,影响装锅量;在筛选、输送 时,易堵塞筛孔和输送设备连接处的下料口,影响 生产的连续性;在蒸煮时,蒸煮液不易渗透均匀,造 成蒸煮均一性差,生产的溶解浆质量难达标,尤其 是黏度、聚合度波动大,反应性能不理想;反之,碎 小片和细竹条使蒸煮时的药液流动阻力大,严重时 堵塞蒸煮锅篦子。
研究表明 [18, 19],由于竹材具有自身的局限性, 如含木聚糖高达 19.5%,而桉木含木聚糖 11.2%,木 聚糖的去除需酸性环境,并且竹材质地较硬(竹材 原 料 密 度 0.6~0.8 g·cm-3,针 叶 木 0.4 g·cm-3 左 右, 阔 叶 木 0.43~0.64 g·cm-3),具 有 较 低 的 孔 隙 率,阻 碍了酸性水解液渗透进竹片中,降低了半纤维素的 除去率;再者,竹材含有较高的灰分(竹材灰分含量 1.5% 左右,桉木灰分约 0.3%)及抽出物(竹材总抽 出物含量 16.2% 左右,桉木抽出物约 4.1%),阻止 自水解时竹片的渗透,并中和产生的乙酸,从而使 酸水解程度降低,木聚糖去除率受阻;另外,在自水 解过程中,竹材中的木素发生了缩合,即木聚糖与 木素连接在一起,缩合影响了木聚糖的溶出。因此, 为了使预水解有效地进行,提高预水解的均匀性, 可在预水解过程中添加预水解助剂 [20],水解助剂使 预水解所需的酸性环境加强,促进酸性水解液的渗 透,利于半纤维素尤其是木聚糖的溶出。加了预水 解助剂与没加比较,预水解后,加了助剂的预水解 废液 pH 值降低,废液中含还原糖量及固形物含量 均提高;同时促进了部分木素和灰分的除去,细胞 壁破坏程度增加,胞壁的空隙增加;还可减少木素 的缩合(与没加预水解助剂比较,预水解后,加了助 剂的原料中心没变成深棕色,仅外面是深棕色,而 没加助剂的原料里外均变成深棕色)。为此,在预水 解中添加预水解助剂利于预水解顺利、有效、均匀
1 溶解浆的理想质量
溶解浆的理想质量是:α-纤维素含量越高越好, 灰分和铁含量以及半纤维素等杂质(非纤维素成分) 含量越低越好,白度高,聚合度分布均匀一致,分布 区间越窄越好,且浆粕成分均一,反应性能优良,以 及纤维素与化学药品良好的接触性能。就溶解浆而 言,反应性能是最为重要的质量指标之一,且要求严 格,对其机械强度等物理性能并无特殊要求 [7, 8]。
针 对 上 述 问 题,许 多 企 业 用 蒸 汽 作 为 预 水 解 剂,蒸汽预水解完成后的水解液大部分仍被吸附在 料片中,在后续过程中被一定量的冷白液中和,中 和过程一方面是酸碱中和,另一方面起到对原料进 行预浸渍的作用 [17],利于后续硫酸盐蒸煮过程的顺 利进行。中和后的废液连同预水解后的废液一起送 碱回收,达到节能、减排、降耗、清洁生产的目的。但 是值得注意的是蒸汽预水解容易产生水解不均匀 性,造成木聚糖等抽出物及灰分等不易顺利除去的 问题。
浆粕中的半纤维素一部分来自原料自身,一部 分来自生产中各个工段纤维素的氧化、降解、水解。 1.2.2 最大限度地破坏纤维的初生壁
初生壁中半纤维素多,杂质多,纤维素少,它的 存在妨碍了次生壁纤维的暴露,对化学药剂的反应 能力小,对酯化反应、醚化反应等起阻碍作用。因此 纤维初生壁最大限度的破坏,不仅除去木素、灰分、 半纤维素等杂质,而且还使次生壁上大量的纤维素 充分暴露,从而提高浆粕的反应性能。
1.1 溶解浆反应性能
溶解浆反应性能是评价溶解浆品质的综合性 技 术 指 标,它 与 聚 合 度 的 分 散 性、纤 维 的 化 学 纯 度、纤 维 形 态 结 构 的 均 一 性 及 纤 维 素 分 子 上 羟 基 的 反 应 活 性 等 关 系 密 切。经 验 证 明,反 应 性 能 主 要由原料来源、原料的质量均匀性和蒸煮、漂白工 艺决定 [9]。
试验研究
doi: 10.13472/j.ppm.2015.03.007
竹制溶解浆研究进展
●杨 玲,李文俊,王 伟,刘冰玉,田 猛,蒲 磊,邱 鑫
(四川理工学院,精细化工助剂及表面活性剂四川省高校重点实验室,四川自贡 643000)
摘要:介绍制约溶解浆反应性能的影响因素其及改善措施;阐述竹制溶解浆的特点以及备料、预水解-硫酸盐法蒸 煮、洗选漂等制备过程的内容及其相关注意事项。 关键词:竹制溶解浆;预水解;硫酸盐法蒸煮;反应性能;纯度 中图分类号:TS743 文献标识码:A 文章编号:1001-6309(2015)03-0022-05
因此以物美价廉的竹材为原料采用较合理、较 先进的工艺和装备,辅以严谨的生产操作和控制,
生产出合格的漂白竹浆粕,不仅能够缓解棉短绒、 木材等天然原料受耕地和成本的约束导致产量有 限的问题,而且使得溶解浆的生产领域又多了一种 新的可持续再生的新原料,同时降低了生产成本, 利于生态平衡,也为制浆造纸工业带来新的发展机 遇,颇具广阔的市场前景。为此,笔者对竹浆粕的制 备谈谈自己的体会,并从理论上做了一些分析,以 供同行参考。
2 竹制溶解浆的备料工段
溶解浆的生产,纤维原料是物质基础。纤维原 料的种类、数量、质量,不仅关系到产品品种、质量 和发展速度,而且对企业规模,采取的工艺技术、装 备 路 线,污 染 治 理 及 经 济 效 益 都 有 着 决 定 性 的 影 响。因此溶解浆生产前需进行原料分析。主要分析 原料的纤维素、半纤维素和木素三大化学组分的含 量,以及灰分、有机溶剂抽出物含量等少量成分,从 而提供合理的制浆方案。
Paper and Paper Making Vol.34 No.3 Mar 2015
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试验研究
预水解-硫酸盐法蒸煮包括预水解和硫酸盐蒸 煮两个环节。蒸煮前经过一次水解,此水解剂可用 酸、水及水蒸汽。
若采用液相预水解,升温时间长,汽耗高,时间 效率低,水解后的废液量较大,处理较困难,若配备 水解废液循环使用装置,有建设成本高且操作复杂 等问题;若易控制温度和时间,尤其是反 应废液的 pH 值较低,对设备腐蚀严重,对设备的耐 腐蚀性要求极高,国内少有实际生产应用,且水解 后的废液处理困难,纤维素在酸溶液中会发生酸性 水解,使纤维素大分子裂解,成浆质量下降。
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