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《齐鲁工业大学》 2015年
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再生植物纤维性能恢复的研究

张志礼  
【摘要】:随着植物纤维原料的短缺、木材资源的匮乏以及人们环境保护意识的加强,再生植物纤维作为一种重要的造纸纤维原料,越来越受到人们的重视。在全球范围内,再生浆用量逐年增加,但随着纤维回用次数的增加,纤维出现不同程度上的角质化现象。纤维经过干燥收缩后部分微细纤维间的氢键不再打开,细小纤维紧贴在纤维,使纤维不容易再吸水润胀,产生了角质化现象。角质化降低了纤维质量严重下降,使成纸物理强度下降,这极大程度地限制了再生纤维的回收利用。针对上述问题,本文以旧书刊杂志纸为原料,探讨了预处理条件对废纸浆纤维性能的影响,优化确定了较适宜的预处理条件,分析了作用机制。研究了纸浆含水量对1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([AMIM]Cl)、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([BMIM]Cl)口1-乙基-3-甲基磷酸二甲酯盐([EMIM]DMP)三种离子液体预处理的影响。在纸浆含水量较高时,1-乙基-3-甲基磷酸二甲酯盐预处理效果优于其他两种离子液体。优化的离子液体[EMIM]DMP预处理条件为:含水量应65%.[EMIM]DMP用量20wt%(相对绝干浆)、预处理温度80℃。相应纸抗张指数为39.02 N-m/g,提高了32.45%;撕裂指数为805mN·m2/g,提高了46.47%;耐破指数为2.53 KPa.m2/g,提高了56.95%;耐折次数增加到82次,较未处理样有明显提高。对纤维质量进行分析发现,[EMIM]DMP预处理后纤维长度及宽度分别增加4.50%和3.03%,细小纤维含量降低了10.20%。纤维质量的改善有利于纤维间的结合,从而提高纸张的强度性能。采用SEM.XRD.FT-IR分析了1-乙基-3-甲基磷酸二甲酯盐预处理后纤维形态及官能团的变化。由环境扫描电镜分析可知,[EMIM]DMP预处理后纤维表面细小纤维化现象较明显,该编号利于提高纤维保水值,从而减轻了二次纤维因回用造成的强度下降及纤维角质化现象。纤维素结晶度的降低利于改善纤维在多次回用过程中造成的角质化现象。纸浆红外光谱分析表明,离子液体预处理后的浆料并没有新的吸收峰,表明离子液体预处理对纤维的化学结构没有影响。此外,在3404cm-1处的O-H伸缩振动吸收强度提高4.50%,表明离子液体预处理纸浆能够产生更多的游离羟基,促进纸浆纤维的吸水润胀能力,减轻纤维角质化现象。优化的NaOH预处理再生纸浆条件为:NaOH用量4%、预处理温度40℃、150min,相应纤维加权平均长度为0.562mm,纤维宽度提高到17.0μm,成纸白度提高到80.9%ISO,抗张指数、撕裂指数及耐破指数分别提高到43.21N-m/g、7.02mN·m2/g和2.77KPa·m2/g,依次提高73.46%、27.87%和72.05%。结合[EMIM]DMP预处理工艺条件,采用NaOH/ILs体系对再生纸浆进行预处理,条件为:NaOH用量4%,150min,40℃,浆浓10%;[EMIM]DMP用量20wt%,含水量65%、80℃。预处理后纤维质量及成纸光学性能及物理强度强度明显高于未处理样以及单独的离子液体或者NaOH预处理样,其中抗张指数、耐破指数和撕裂指数分别提高到50.49 N·m/g、2.93 KPa·m2/g和7.09 mN·m2/g。扫描电镜图可以看出NaOH/ILs体系预处理后,分丝帚化现象明显,纤维表面暴露出更多的细小纤维,这种变化有利于改善了纤维的吸水润胀能力,从而降低再生纸浆韧性降低及角质化现象。由XRD和FT-IR分析可知,预处理后纤维素结晶度降低,在3404cm"1处的O-H伸缩振动相对吸收强度提高6.42%,表明预处理能够产生更多的游离羟基,利于促进纸浆纤维的吸收润胀能力,减轻纤维角质化现象。采用木聚糖酶预处理可恢复废纸浆的性能,较优条件为木聚糖酶用量20IU/g,时间120min。预处理后成纸抗张指数为32.82N·m/g,耐破指数为1.77KPa·m2/g,相比对照样分别依次提高31.75%和9.80%。同样结合[EMIM]DMP预处理,采用木聚糖酶/ILs体系对再生纸浆进行预处理,条件为木聚糖酶用量20IU/g, 120min,浆浓10%;[EMIM]DMP用量20wt%,含水量65%、80℃。预处理后抗张指数提高到46.23N·m/g,较对照样提高了85.59%,这主要取决于木聚糖酶/ILs体系预处理后可以改善纤维角质化后出现的脆性提高、韧性降低的现象,从而提高纤维与纤维间的结合力。此外,木聚糖酶/ILs体系预处理后纤维长度有所提高,提高了纤维与纤维间结合点。由XRD和FT-IR分析可知,木聚糖酶/ILs体系预处理的纤维变得疏松多孔,表面暴露出更多的细小纤维,这些微细的纤维具有较大的比表面积,对水的吸附作用更为强烈,从而提高纤维吸水润胀能力,改善纤维角质化现象。纤维素结晶度降低,表明离子液体可以进入纤维结晶区内部,改善纤维角质化,恢复再生纤维的性能。在红外谱图3100-3400cm-1处相对吸收强度,木聚糖酶预处理后,相对吸收强度比空白组提高2.13%,表明木聚糖酶预处理可以降解纸浆中的木聚糖及部分半纤维素,促使其产生更多的游离羟基,提高纤维吸水润胀能力,改善纤维角质化。木聚糖酶/ILs体系预处理后羟基相对吸收强度较未处理样提高5.24%,经木聚糖酶预处理后纤维表面暴露出较多的微孔及细小纤维,便于后续离子液体的渗透,提高离子液体作用效率,释放更多的游离羟基。
【学位授予单位】:齐鲁工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TS727

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