毛竹制粘胶纤维浆粕的蒸煮技术研究

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R ′= d ×m1 /2 ×R 式中 R为因素级差 , m 为因 素水平 重 复 数 , d 为 折 算 系 数 (可查表 )
6
《造纸科学与技术 》 2005年 第 24卷 第 1期
但单独用选择性指标来选取条件不够全面 ,需要结 合考虑其它指标 ,如得率和白度 。这就需要借助曲 线图或利用实践经验来选出最佳结合 。
C
A
B
C
35. 50 K1
38. 26
高 锰
K2
40. 08 酸 K3 钾
4. 58 值 R
21. 37 16. 14 16. 40 5. 32
4. 88 R ′ 11. 14
691
K1 68. 93
671 得 K2 64. 62
661 K3 率
30
R 4. 31
38. 95 R ′ 9. 18
粘胶纤维浆粕的生产过程与造纸工业的制浆过 程区别不大 ,但对浆的化学纯度及反应性能要求严 格 ,对机械强度等物理性质无特殊要求 ,因而生产工 艺与造纸工业又有所不同 [ 1 ] 。
竹类纤维生产粘胶纤维用浆粕 ,因其反应性能 不及棉纤维 ,用常规的蒸煮和漂白方法很难得到合 格的浆粕 ,而且得率较低 ,生产成本较高 。本实验采 用两段氧碱法对浙江大径毛竹进行混合正交蒸煮 , 降低成本 ,提高反应性能 ,从而得到较为合理的蒸煮 工艺 。
毛竹制粘胶纤维浆粕的蒸煮技术研究 3
吕卫军 蒲俊文
(北京林业大学材料科学与技术学院 , 北京 100083)
摘 要 :竹子生产粘胶纤维用浆粕 ,需要采用特殊的蒸煮工艺和漂白工艺来提高浆的反应性能和得率 。本实验在 对毛竹的化学成分进行分析的基础上采用两段氧碱法蒸煮工艺 ,并结合多指标正交实验综合平衡分析法得出预浸 时间 30m in、升温时间 90m in、最高温度 140℃、用碱量 22% (以氢氧化钠计 ) 、保温时间 90m in、氧压 0. 5M Pa、M gCO3 用量 1%及缓冲剂用量 5%的最佳工艺条件 ,为实验研究及实际生产提供理论参考 。 关键词 :毛竹 粘胶纤维 ; 氧碱蒸煮 ; 综合平衡法
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木素 /%
22. 34 19. 26 19. 63 19. 30 28. 42 23. 76
从表中看出毛竹的灰分含量比木材原料的高 , 但却明显低于麦草 、芦苇 、荻苇 、蔗渣等原料 [ 5 ] 。粘 胶纤维生产中要求灰分含量不宜高于 0. 16% ,所以 在毛竹粘胶纤维生产过程中 ,降低灰分含量显得十 分重要 。如表 1所示 ,毛竹 1%NaOH溶液抽出物含 量比禾本科原料都低得多 , 且比部分针叶木原料
(1)当各项指标的重要性不一样时 ,选取水平 应保证重要的指标 。
(2)各项指标的重要性相当时 ,选取水平应照 顾主要因素或者多数 。 2. 4. 1 计算分析
通过对表 3进行计算分析 ,比较级差 R 值发现 各因素对实验考核各指标影响显著性的顺序为 :
高锰酸钾值 : A →B →C 粘 度 : C→B →A 得 率 : A →C→B 白 度 : A →B →C 比较 K值 ,较好的因素水平组合是 : 高锰酸钾 : A2 B3 C3 粘 度 : C1 B3 A2 得 率 : A1 C2 B1 白 度 : A2 B3 C3 2. 4. 2 综合平衡分析 根据综合平衡法基本原则 ,对上述水平组合进 行分析如下 : A 对高锰酸钾值 、得率 、白度影响最大 , 对粘度影响最小 ,结合表中数值 ,平衡三指标 , A 应 取水平 2; B 对高锰酸钾值 、粘度 、白度的影响处第 二位 ,再从上面四个好的条件看 ,除得率外其余三项 指标均以 B3 为最佳 ,综合平衡 B 后应取水平 3; C 对粘度影响最大 ,对得率影响次之 ,对高锰酸钾值 、 白度影响最小 ,故 C 的水平确定以粘度或得率为 主 ,故取水平 1或 2。 经以上综合平衡分析 ,得到 A2 B3 C1 或 A2 B3 C2
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K1 670
粘 K2 678
K3 度
R8
R′ 17. 04
K1 22. 7
白 K2 度 K3
R
31. 5 31. 6 8. 8
R′ 18. 74
B 32. 36 36. 20 44. 78 12. 42 16. 12
666 675 682 16 20. 77 23. 8 25. 9 29. 8 7. 8 10. 06
20. 80 19. 07 17. 37 4. 40 5. 71 64. 83 65. 24 61. 91 3. 33 4. 32
20. 32 18. 58
2. 95 3. 83 67. 08 63. 47 61. 43 5. 65 7. 33
24. 7 26. 8
5. 1 6. 62
注 :由于水平不同应根据水平 数的不同对 R进行折算 ,用折算 系数 R ′来比较
1 实验原料及方法
1. 1 原料 原料为浙江汇泰竹木有限公司提供的大径毛
竹。 1. 2 原料化学成分分析
水分 、灰分 、1%NaOH 溶液抽出物 、α - 纤维素 、 木素等化学成分的含量均按国家标准进行测试 。
1. 2 两段氧碱蒸煮 氧碱蒸煮在 ZQS1 - C 型药液循环蒸煮锅中进
行 ,蒸煮工艺条件为 :缓冲剂 5% ,碳酸镁 1% ,氧压 0. 5M Pa,预浸时间为 30m in,预浸后通氧 ,升温时间 为 90m in[ 4 ] ,其他实验条件见表 2,蒸煮终点放锅 ,然 后洗涤 、打散 ,平衡水分后进行测定 。 1. 3 浆粕化学成分的测定
本实验属于两段氧碱法蒸煮 。由于竹子的纤维
特性介于木材和草类纤维之间 ,相对密度较大 ,结构 紧密 ,药液的浸透困难 [ 7 ] ,所以在实验前 ,毛竹经碱 浸及机械压丝处理 ,并在蒸煮前预浸 30m in。
实验中曾对毛竹在 100℃下进行蒸煮 ,发现有 “生煮 ”现象 ,为了合理利用正交表 ,拟用混和正交 实验 ,实验数据及其处理见表 2。
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对比以往所做硫酸盐法蒸煮和氧碱法蒸煮的研 究发现 :氧碱制浆法毛竹浆的得率较高 ,本实验均高 于 55% ,而硫酸盐法浆得率只有 40%左右 [ 8 ] ;在白 度上 ,氧碱法制浆制得的浆料白度较高 ,最高达到 43. 9 ( % ISO ) ,且高锰酸钾值低 ,易于漂白 ; 在粘度 上 ,氧碱法浆料较低 ,只有不到 700mL / g,而硫酸法 基本在 1100mL / g左右 。
表 2
毛竹氧碱混合正交 L18 ( 21 ×37 )蒸煮结果
温度 A /℃
用碱量 B /%
保温时间 C /m in
高锰酸 钾值
粘度 /mL ·g - 1
选择性
得率 /%
白度 / ISO
1
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29. 37
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2
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30. 18
对上述正交表利用选择性进行级差分析 ,结果 表明工艺参数的影响大小顺序为温度 >用碱量 >保 温时间 。在其它工艺条件一定的情况下 ,最佳组合 为 A2 B3 C3 。 2. 4 多指标综合平衡法 [ 11 ]
在多指标正交实验中 ,各个指标不可能完全一 致 ,如何兼顾各项指标 ,找出使得每一项指标都尽可 能好的实验条件 ,综合平衡法即是一种简单又方便 的分析方法 。其安排实验的基本步骤和分析方法与 单指标正交实验大致相同 。综合平衡法的基本原则 为:
对表 2进行级差分析 ,结果见表 3。 通常 ,氧脱木素的选择性以粘度 /卡伯值表示 ,该
指标可综合的反应脱木素和碳水化合物的情况 [10] ,
表 3 毛竹氧碱混合正交 L18 (21 ×37 )实验结果级差分析
A
K1 31. 46
选 K2 择 K3 性
R
44. 10 12. 64
R′ 26. 92
两种组合 。工艺条件的最终选定取决于浆料的最终 用途 。本实验主要目的是发现用于生产粘胶纤维的 最佳条件 ,要求纤维的聚合度分布要窄 ,对平均聚合 度要求不是很严格 ,所以最终确定组合 A2 B3 C2 为 最佳条件 。
3 结 论
3. 1 毛竹的化学成分基本在禾本科原料与木材原 料之间 , 1% NaOH 溶液抽出物含量比较低 ,且比部 分针叶木原料 (如 :马尾松等 )含量低 ,说明毛竹因 光 、热 、氧化或受细菌侵蚀等作用而变质或腐朽的程 度低 ,材质较好 ,是较好的粘胶纤维制浆原料 。毛竹 的灰分含量比木材原料的高 ,所以在毛竹粘胶纤维 生产过程中 ,降低灰分含量显得十分重要 。 3. 2 综合平衡分析表明 ,毛竹氧碱法蒸煮工艺参数 对浆料综合性能指标的影响顺序为温度 >用碱量 > 保温时间 。 3. 3 毛竹氧碱法蒸煮过程中 ,在预浸时间 30m in、 升温时间 90m in、氧压 0. 5M Pa、M gCO3 用量 1%及缓 冲剂用量 5%的条件下 ,用于生产粘胶纤维的最佳 蒸煮工艺条件为 :温度 140℃、用碱量 22%、保温时 间 90m in。
作者简介 : 吕卫军 ,男 ,硕士研究生. 主要从事制浆造纸工程方向的研究. 3 国家人事部留学人员科技活动择优资助项目
Pap e r S c ience & Techno logy 2005 V o l. 24 N o. 1
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(如 :马尾松等 )含量低 ,说明毛竹因光 、热 、氧化或 受细菌侵蚀等作用而变质或腐朽的程度低 ,材质较 好 ,也是竹制粘胶纤维具有抑菌 ,抗菌等优点的原因 之一 [ 6 ] 。毛竹的其他化学成分也都处于禾本科原 料与木材原料之间 ,是较好的制浆原料 。 2. 2 混合正交 L18 ( 21 ×37 )氧碱蒸煮实验
氧碱蒸煮是七十年代后期对环境控制的加强才 得到了重视 ,国外造纸专家曾预示 ,氧碱法制浆是最 有希望取代传统硫酸盐制浆的一种方法 [ 1 ] 。氧碱 法蒸煮具有得率高 ,废液污染负荷低 ,废液中无含硫 化合物且易于回收等优点 [ 3 ] ,而且 ,氧碱法制浆比 较适合我国中小企业现状 。
本实验是毛竹制粘胶纤维技术研究的一部分 , 目的在于研究毛竹氧碱法制粘胶纤维浆粕的规律 , 找到合适的制浆工艺 ,同时在实验中使用了多指标 正交实验综合平衡法 ,为实验研究和实际生产提供 参考 。
水分 灰分 1%NaOH α2纤维素
/ % / % 抽出物 / %
/%
10. 65 6. 04 44. 56
-
10. 49 5. 82 38. 36
-
9. 80 2. 78 39. 01
-
10. 35 3. 66 26. 26
-
11. 47 0. 33 22. 87
-
3. 52 1. 99 18. 89
一般情况下 ,纤维素分子中的葡萄糖甙键对碱 是稳定的 ,但氧碱蒸煮过程中氧的存在会使纤维素 分子发生氧化反应 ,经氧化的纤维素 ,其葡萄糖基的 C2、C3 和 C6 上的醇羟基部分被氧化成醛基 、酮基和 羧基 ,它们都是亲电基团 ,其诱导效应会使相近的葡 萄糖甙键活化 ,使之对碱很不稳定 ,从而导致甙键的 断裂 ,使纤维素大分子降解 ,聚合度下降 。这就是氧 碱法蒸煮浆料粘度较低的主要原因 [ 9 ] 。 2. 3 直接比较分析
高锰酸钾值 、粘度 、得率 、白度按国家标准进行 测试 ,其中粘度测定采用铜乙二胺法 ,白度测定用 YQ - 2 - 48B 型白度仪 。
2 实验结果与讨论
2. 1 毛竹化学成分分析 毛竹基本化学成分分析结果见表 1。
表 1 毛竹及其它原料的化学成分分析比较
种类 产地
麦草 河北 芦苇 东北 荻苇 湖南 蔗渣 四川 马尾松 四川 毛竹 浙江