慈竹DDS置換蒸煮與清潔漂白的相關(guān)性及紙漿纖維特性的研究

【摘要】：木材纖維資源短缺是長期以來制約我國造紙行業(yè)發(fā)展的瓶頸。竹材原料的纖維特性與木材最為接近，且在我國分布廣泛，慈竹是最適宜用作造紙?jiān)系闹穹N之一。DDS置換蒸煮（Digester Diagnosis System）的最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能、環(huán)保。因此，開發(fā)慈竹DDS置換蒸煮不僅可解決我國原料短缺的問題，而且符合造紙產(chǎn)業(yè)綠色、低碳、環(huán)保的發(fā)展趨勢。本論文以慈竹為原料，采用DDS置換蒸煮和清潔漂白技術(shù)，對慈竹DDS置換蒸煮、添加助劑的無硫蒸煮系統(tǒng)的研究，揭示了慈竹的低污染制漿特性；結(jié)合慈竹氧脫木素以及無元素氯（ECF）漂白和全無氯（TCF）漂白的研究，構(gòu)建了慈竹DDS置換蒸煮與紙漿清潔漂白的相關(guān)性，揭示了慈竹在制漿不同階段纖維形態(tài)的差異及纖維表面特性的變化。豐富了慈竹清潔制漿的理論體系，并對其生產(chǎn)實(shí)際具有指導(dǎo)意義。 研究了慈竹化學(xué)組成及存放時(shí)間對慈竹化學(xué)組分的影響。結(jié)果顯示，慈竹皮和桿中的化學(xué)組成有一定差異，皮中灰分、苯-醇抽出物含量高于桿中的含量，用作造紙?jiān)系拇戎衩撉?~2個(gè)月為宜。研究了預(yù)處理工藝對慈竹纖維化學(xué)組分及后續(xù)蒸煮的影響。確定了氫氧化鈉和硫化鈉共同預(yù)浸漬的預(yù)處理技術(shù)，通過實(shí)驗(yàn)該預(yù)處理可以使原料中木素含量降低、綜纖維素少量降解。經(jīng)預(yù)處理的慈竹與未預(yù)處理的慈竹在相同蒸煮工藝條件下，前者蒸煮成漿的得率下降，但卡伯值降低更為顯著，黏度有所降低，均能達(dá)到可漂漿的要求，可為蒸煮工藝的制定及生物質(zhì)資源的利用提供參考。 采用Design-Expert軟件對慈竹DDS置換蒸煮進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果評價(jià)、分析及優(yōu)化。結(jié)果表明，熱充段用堿量、硫化度、最高蒸煮溫度和保溫時(shí)間對卡伯值、細(xì)漿得率和白度影響明顯；熱充段用堿量對黏度的影響明顯。在任一卡伯值下，紙漿的細(xì)漿得率、黏度和白度無法同時(shí)達(dá)到最優(yōu)水平。基于Design-Expert的慈竹DDS置換蒸煮數(shù)學(xué)模型具有良好的預(yù)測和優(yōu)化功能。在給定的工藝條件下，可以預(yù)測蒸煮的結(jié)果（卡伯值、細(xì)漿得率、黏度和白度）；在達(dá)到要求的蒸煮指標(biāo)時(shí)，可通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化制定出最佳的蒸煮工藝條件（預(yù)浸漬段用堿量、溫充段用堿量、熱充段用堿量、硫化度、最高蒸煮溫度和保溫時(shí)間）。對比DDS置換蒸煮與傳統(tǒng)硫酸鹽法蒸煮，慈竹DDS置換蒸煮成漿卡伯值低、得率高，且用堿量低。 研究了慈竹無硫普通蒸煮工藝，討論了添加助劑的慈竹無硫蒸煮與成漿性能的關(guān)系，并對比綠氧和自制蒸煮助劑對慈竹無硫蒸煮的影響。當(dāng)綠氧用量為0.06%，用堿量為18%、最高蒸煮溫度為160和用堿量為19%、最高蒸煮溫度為155時(shí)所得紙漿性能相當(dāng)，卡伯值為22左右，細(xì)漿得率49%左右，黏度1200mL/g，白度31%ISO左右。蒸煮時(shí)分別添加E、H、I三種自制助劑的用量為0.06%時(shí)，成漿卡伯值、細(xì)漿得率、黏度以及白度都和添加綠氧時(shí)相當(dāng)。 通過正交實(shí)驗(yàn)分析得出，采用DDS無硫置換蒸煮工藝，當(dāng)助劑添加量分別為預(yù)浸漬段0.02%，溫充段0.02%，熱充段0.03%時(shí)，成漿卡伯值為23.6，細(xì)漿得率達(dá)到50.1%，黏度為1237mL/g，成漿性能幾乎與慈竹DDS硫酸鹽法蒸煮的紙漿性能相當(dāng)。通過FT-IR分析可知，不同的蒸煮方式脫木素程度不同，紙漿中殘余木素的結(jié)構(gòu)有一定差異；自制助劑和綠氧結(jié)構(gòu)不同，并且均有別于蒽醌，自制助劑在性能上和蒽醌有本質(zhì)區(qū)別，提高了水溶性，并具有優(yōu)良的蒸煮效果，但其具體結(jié)構(gòu)還有待進(jìn)一步分析。 在慈竹硫酸鹽法DDS置換蒸煮過程中，熱充段用堿量、最高蒸煮溫度對紙漿己烯糖醛酸的含量的影響顯著；溫充段用堿量、硫化度和保溫時(shí)間的影響較小；預(yù)浸漬段用堿量影響最小。己烯糖醛酸含量的高低和紙漿卡伯值、細(xì)漿得率及紙漿黏度均沒有明顯對應(yīng)關(guān)系。較少的有效堿用量、較低的蒸煮溫度和較短的保溫時(shí)間提高紙漿中己烯糖醛酸的含量，但紙漿的細(xì)漿得率也較高。 研究了慈竹DDS置換蒸煮與紙漿ECF漂白和TCF漂白的相關(guān)性。結(jié)果顯示，采用高溫氧脫木素技術(shù)，當(dāng)未漂漿卡伯值在18~20之間，氧脫木素后漿料性能較優(yōu)。要達(dá)到85%ISO以上的目標(biāo)白度，當(dāng)未漂漿卡伯值小于10時(shí)，ECF（D0EopD1）漂白后紙漿黏度和得率均最低；當(dāng)未漂漿卡伯值在12到20之間時(shí)，ECF漂白的有效氯用量和反應(yīng)時(shí)間隨卡伯值提高而增大，漂后漿黏度和得率均逐漸增加，當(dāng)未漂漿卡伯值大于20時(shí)，漂后漿黏度略有下降、得率小幅度增加?？ú挡煌奈雌瘽{經(jīng)TCF（QP1P2）漂白均不能達(dá)到85%ISO以上的白度。當(dāng)未漂漿卡伯值小于10時(shí)，TCF漂白后紙漿黏度和得率均最低，分別為580mL/g和37.51%，總H2O2用量為3%，總漂白時(shí)間為270min，白度達(dá)到83.6%ISO；當(dāng)未漂漿卡伯值在12到19之間時(shí)，TCF漂白的H2O2用量隨卡伯值提高而增大，總H2O2用量在3.5%~4.0%，漂后漿白度在81.3~77.8%ISO，漂后漿黏度和得率均逐漸增加，黏度在634~650mL/g之間，得率在40.04%~40.98%之間；當(dāng)未漂漿卡伯值大于19時(shí)，漂后漿黏度在634~588mL/g之間，得率在42.53%~43.48%之間，此時(shí)總H2O2用量在4.5%~5.0%，總漂白時(shí)間為270min，紙漿白度在76.1%~71%ISO之間。研究結(jié)果顯示，ECF漂白在漿料白度、得率、黏度具有明顯優(yōu)勢；而TCF漂白對漿料白度提高有限，只能在氧脫木素后卡伯值低于5時(shí)使用。 采用FQA分析對比了慈竹DDS未漂漿、漂白漿和磨漿后的纖維形態(tài)、細(xì)小纖維含量等變化，纖維重均長度先略有增加后不斷下降，纖維卷曲指數(shù)、紙漿中細(xì)小纖維含量逐漸下降，纖維扭結(jié)指數(shù)先下降后有所增加。磨漿后纖維重均長度由1.035mm降低到0.810mm，卷曲指數(shù)、扭結(jié)指數(shù)均下降，細(xì)小纖維含量增加幅度較大，升高為21.59%，這也是竹漿纖維與針葉木和闊葉木磨漿后漿料性能相差較大的原因之一。采用XRD、SEM和AFM對比研究了慈竹DDS置換蒸煮成漿ECF漂白和TCF漂白后纖維的特性，揭示了慈竹紙漿在制漿、磨漿不同階段纖維表面形態(tài)的差別及表面特性的變化。慈竹DDS置換蒸煮成漿經(jīng)漂白、磨漿后紙漿纖維素結(jié)晶度提高。慈竹DDS置換蒸煮后纖維表面有木素沉積，凹凸起伏較大；氧脫木素后去除了沉積在纖維表面的木素，纖維表面出現(xiàn)了長縫狀的凹陷區(qū)域，起伏幅度減?。籈CF漂白后纖維表面S1層微細(xì)纖維結(jié)構(gòu)出現(xiàn)錯(cuò)位，分層現(xiàn)象，纖維表面粗糙度增加，說明對纖維影響程度較大；TCF漂白后纖維表面變化不明顯，S1層微細(xì)纖維結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)錯(cuò)位，分層現(xiàn)象，表明TCF漂白較ECF漂白溫和，對纖維影響程度較?。荒{后纖維表面局部的損傷程度顯著增加，與前面SEM分析結(jié)果相同，進(jìn)一步說明纖維素的部分無定形區(qū)受到破壞，紙漿結(jié)晶度提高顯著。 【學(xué)位授予單位】：陜西科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TS74

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