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杉木CTMP高白度漂白技术及机理研究

沈葵忠  
【摘要】: 我国造纸工业纤维原料供应短缺,扩大原料供应品种,有利于我国造纸工业的健康发展和生态环境的保护。目前杉木CTMP漂白存在漂白困难、化学药品消耗高、纸浆存在黄颜色底色等问题,其解决可扩大我国造纸工业的原料供应途径,具有重大意义。本论文以我国南方大量种植的杉木为研究原料,以杉木CTMP浆高白度漂白技术及机理为研究课题,研究了机械浆漂白过程中过氧化氢的分解行为及抑制措施,杉木CTMP高温快速漂白,氧化活化改善过氧化氢漂白性能,过氧化物-TAED活化体系漂白,组合漂白中FAS的漂白性能,多段组合高白度漂白技术及漂白性能;探讨了杉木机械浆的可漂白性能及突破其浆料漂白白度增限的方法。在上面研究的基础上,重点探讨了杉木CTMP浆料漂白过程中的木质素结构和功能基团的变化,使用浆料红外光谱、UV-Vis光谱、和Raman激光光谱对漂白过程中的木质素发色基团的脱除机理进行了剖析,提出了一套杉木CTMP纸浆高白度漂白技术。 通过对杉木CTMP单段过氧化氢漂白工艺进行优化,提高了杉木CTMP漂白白度增限。优化后的工艺条件是:H_2O_26%,NaOH用量为4.5%,Na_2SiO_32%,DTPA0.1%,漂白浓度20%,温度70,时间180min。可以把原浆白度为45.6%ISO的杉木CTMP漂白至79.7%ISO。使用高温短时间漂白工艺(95oC,60min),能够漂白至77.9%ISO。 使用氧化型漂白剂在漂白前进行活化预处理,可以提高后续过氧化氢漂白的效率。几种预处理方式中,以酸性条件下ClO_2活化预处理效果最好,其次是酸性过氧化氢,不加漂白稳定剂的碱性过氧化氢活化效果不够理想。碱性条件下使用的次氯酸盐不适宜做漂白前活化处理剂。使用酸性ClO_2活化预处理(ClO_2用量0.5%,浓度10%,温度70oC,时间30min,用硫酸控制初始pH值4-4.5,终点pH5-6),经过6%H_2O_2漂白,白度可以达到77.7%ISO,比相同漂白用量(6.5%)的过氧化氢漂白白度增加1.2百分点。 对三种过氧化物-TAED活化体系漂白进行了研究比较。机械浆过氧化物-TAED活化体系漂白反应,可以在短时间内完成,漂白时间可以缩短到30 min ~ 60min。H_2O_2-TAED活化体系漂白,温度70oC、时间60min、H_2O_2用量6%、TAED与H_2O_2摩尔比0.1,可实现29.3%的白度增值。 FAS漂白应用于杉木CTMP组合漂白可以改善漂白效率,提高白度增限。FAS在两段漂白组合中的位置影响其漂白效果。PF比FP漂白白度约高1~2个白度点。FAS漂白可进行高温短时间漂白(90oC、30min),实现良好的漂白效果。 采用FAS还原型漂白作结束段的漂白组合可以取得较好的漂白效果。在10%的总漂剂用量下,使用P*PF漂序浆料白度可以达到83.2%ISO的高白度,且漂白得率损失小。紫外光老化和热湿返黄试验结果表明,以还原型漂白结束的三段组合漂白的白度稳定性良好。 机械浆漂白过程对纤维质量产生积极影响。漂白前后,纤维长度和宽度变化不大;但浆料纤维的卷曲和扭结程度有所改善。漂白是机械浆消潜操作的继续,可以改善纸张的抄造性能,提高纸页的强度性能。 杉木木质素是G型木质素,存在微量的H型结构;杉木CTMP木质素结构中存在如下官能团:甲氧基;羰基;酚型羟基、非酚型羟基(并以非酚型羟基为主);对位醌型结构。 纸浆的红外光谱分析表明, H_2O_2漂白过程对α和β-羰基都有破坏作用;H_2O_2漂白对木质素苯环结构有破坏作用,能使木质素中苯基丙烷部分分解;未醚化的酚单元更易被破坏和溶出。FAS漂白酚羟基的移除作用不大。纸浆的UV-Vis差谱分析表明,P-TAED活化体系漂白可以移除与苯环相连的共轭羰基发色基团;FAS漂白不仅能够移除与苯环共轭的羰基发色基团,还有效移除浆料木质素中的醌型发色结构;发现FAS漂白置于过氧化氢主漂白段之后可以更好地降低浆料的吸收强度,说明FAS漂白更适宜作为漂白结束段使用。纸浆的Raman光谱分析表明,漂白明显降低松柏醛的结构,进而改善浆料的稳定性能。 研究提出了漂白过程中FAS与木质素主要发色结构发生的化学反应的化学式。多段漂序结束段的FAS漂白,能够把木质素中的主要发色基团(α-羰基和醌型结构)还原为羟基,起到纸浆脱色和漂白作用。 随着FAS和TAED销售价格的降低,三段组合漂白工艺P*PF有望在工业上得到推广应用。


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