竹浆纤维——浆粕的制备研究

                                 摘要：研究用预水解硫酸盐蒸煮法制备再生竹纤维——浆粕。分析了预水解硫酸盐蒸煮的原理及工艺条件，简要介绍了多段漂白工艺，并测试了成品的质量指标。
关键词：竹浆粕，预水解，硫酸盐，蒸煮
    随着社会的发展，人们的生活水平日益提高，对纺织品的要求也越来越高，人们不单单是追求保暖，更希望得到穿着舒适并对健康有利的绿色纺织品。我国森林资源匮乏，棉田有限，寻求再生纤维原料已成为发展趋势。我国竹子资源丰富，占世界竹资源三分之一左右，并且竹纤维具有良好的品质，因此开发竹纤维，特别是再生竹纤维正引起人们的关注。
1  再生竹纤维的制备方法
    再生竹纤维的制备方法主要有溶剂纺丝法和粘胶纺丝法。
1．1溶剂纺丝法
    再生纤维素溶剂纺丝法一般采用干喷、湿喷纺丝工艺，纺丝原液的制备常采用N-甲基吗啉氧化物、二甲基亚砜／聚甲醛作溶剂。由于溶液纺丝法的生产工艺条件苛刻，对浆粕品质要求较高，溶液回收难，最终产品成本高，从而限制了其应用，采用溶剂法纺丝制备竹纤维到目前为止尚未见生产研究报导。
1．2粘胶纺丝法
    粘胶纺丝法首先用硫酸盐蒸煮、多段漂白工艺制备竹浆粕，α-纤维素含量由35％提高到93％以上，接着用碱和二硫化碳处理竹浆粕，使其溶解在NaOH溶液中制成粘胶溶液，用湿法纺丝工艺制成竹纤维。
2竹浆粕制备
2．1原料
    -干竹片1 kg。
    -Na₂S•9H₂O(天津化学试剂厂)、NaOH(北京化学试剂厂)、Na₂SO₄•10H₂O(天津化学试剂厂)、5％HCL(天津化学试剂厂)、液氯CL₂(抚顺铝厂)、漂白粉Ca(OCL)₂(沈阳市试剂一厂)及NaClO(沈阳试剂七厂)、Na₂S₂O₃(沈阳试剂七厂)、H₂O。
2．2制备工艺
    采用预水解硫酸盐法，首先用稀酸或水或蒸汽进行竹原料的水解预处理，然后用硫酸盐蒸煮，最后进行多段漂白。硫酸盐蒸煮阶段是制备竹浆粕的主要过程，反应剂是烧碱及硫化纳(NaOH+Na₂S)。药品损失，由Na₂SO₄在生产中转变为Na₂SO预水解硫酸盐法对原料要求低，对原料的适应性好，特别适合于半纤维素多、灰分高(SiO₂高)的原料。工艺流程如下：
    干竹片→预水解→蒸煮→疏解→筛选→洗涤处理→氯化→碱处理→第一次漂白→第二次漂白→酸处理→除砂→抄浆→烘干竹浆粕
3  蒸煮工艺分析
3．1  蒸煮原理
    预水解硫酸盐法蒸煮的原理与亚硫酸盐法不同，这是对竹原料进行预水解及硫酸盐蒸煮相结合的蒸煮方法。在预水解阶段，竹原料中的部分半纤维素在高温及酸性条件下与水解介质作用并转入溶液，残留在原料中的半纤维素也受到某种程度的水解，提高了以后碱煮时转入溶液的溶解度。预水解削弱或破坏细胞壁外层中木质素与碳水化合物之间或碳水化合物彼此间的连接，使细胞壁外层松散，从而为蒸煮液的渗透创造了有利条件。硫酸盐蒸煮液在竹片各部位的渗透速率相差不大，这是由于碱液能透过细胞壁并使其膨胀，故硫酸盐法蒸煮优于亚硫酸盐蒸煮。
    硫酸盐法蒸煮液的有效成分是NaOH及Na₂S，它们与木质素作用生成碱木质素及硫化木质素，这两种反应产物均能溶于碱溶液，而硫化木质素的溶出更为容易，因此硫酸盐法蒸煮时，脱木质素的速度常较亚硫酸盐法及苛性碱法蒸煮时快。
    硫酸盐法蒸煮过程可分为三个阶段：第一阶段主要是碱液向原料内部渗透，并从原料中溶出果胶、蜡质、部分半纤维素及少量木质素；第二阶段主要作用是胞间木质素的溶解；第三阶段溶出细胞壁内的木质素，在此阶段，细胞壁中的纤维素及半纤维素也不可避免地受到损伤和破坏。这三个阶段，实际是相互联系，相互交错的，不可能截然分开。
3．2 实验分析
3．2．1 预水解
    预水解采用水，水温为90℃，时间2 h。
3．2．2 硫酸盐蒸煮
    硫酸盐蒸煮的初始温度为90℃。蒸煮时间为达到最终温度时的控温时间。用碱量为总碱量对绝干竹原料的百分比，总碱量等于NaOH+Na₂S+Na₂SO₄。考虑到影响硫酸盐蒸煮效果的因素是温度、时间、用碱量、升温速度，我们选用四因素三水平的正交表L₉(3⁴)安排实验，每次实验测试3次，然后取平均值，实验数据列于表1和表2。
    根据表2实验数据可以看出，因素A(蒸煮温度)对浆得率影响最大，因素D(用碱量)、因素C(蒸煮时间)次之，因素B(升温速率)影响最小。从蒸煮过程分析来看，较佳工艺条件为A₂B₂C₃D₃。为了进一步考察单个因素对浆得率的影响，在较佳工艺条件下，我们进行实验，每次实验测试3次后加和为本次实验结果。
3．2．3单因素分析
    从图1中可以看出，随着温度的增加，浆得率增加，在443 K附近，浆得率达到最大值，超过443 K后随着温度的增加，浆得率逐渐降低。表明蒸煮温度不能过高，否则会影响浆得率。
    从图2可以看到，升温速率接近10 K／min时浆得率达到最大值，大于10 K／min时开始下降，因此升温过快不利浆粕制备。
    从图3中我们看到，随着蒸煮时间的延长，浆粕的得率增加。表明在适当的条件下，充分蒸煮，有利于提高浆粕的得率。
    从图4中看到，随着用碱量的增加，浆得率不断升高，当用碱量在40％附近时达到最大值。因此，用碱量过大，脱木质素作用虽较完全，但α-纤维素受破坏程度加剧，会导致浆得率降低。
4  漂白
4．1 浆粕漂白原理
    可溶性浆粕的漂白为氧化漂白，漂白剂为次氯酸钠，在水存在时，NaClO发生水解反应，生成HClO，其水解方程式为：
    NaClO+H₂O→NaOH+HClO   (1)
    HClO极不稳定，易于分解产生初生态氧，以[O]表示：
    HClO→HCl+［O］    (2)
    由于[O]具有氧化作用，使浆粕中的色素基团受到破坏，浆粕的颜色逐渐变浅转白，从而提高浆粕的白度。同时，纤维素本身也受到一定的氧化和破坏作用而发生降聚现象。在制浆过程中利用这一原理继续降低并调节纤维素的粘度。
4．2漂白工艺与条件
    漂白工艺流程如下：
    氯化→碱处理→第一次漂白→第二次漂白→脱氯→酸处理→水洗
    竹浆粕的漂白在碱性介质中进行，pH=10，温度为40℃，浆浓度为20％，用氯率为2％。
4．3脱氯
    脱氯剂用Na₂S₂O₃，其反应为：
    2NaOH+Na₂S₂O₃+4NaClO→4NaCl+H₂O+2Na₂SO₄    (3)
5  成品测试
    取浆得率为45．16％的竹浆粕成品进行检测，测试结果列于表3。
6  结论
    预水解硫酸盐蒸煮是制备竹浆粕的主要工艺过程，较佳的工艺条件是蒸煮温度为443 K，升温速率是10 K／min，蒸煮时间是120 min，用碱量为40％。而且漂白也是制浆的重要过程，适用多段漂白。通过检测，成品中α-纤维素的含量达到97％，灰分含量也达到了0．16。