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超声波处理再生植物纤维

发布日期:2018-12-12   来源:中华纸业

在造纸工业中再生植物纤维经过几次回用后纤维细小化,导致纸张性能差,限制了再生植物纤维作为造纸原料的回用。超声波辐射作为一种促进化学反应和物质传质的有效方式,在水溶液中产生高温高压伴有强烈的冲击波和冲击力,起到破碎物质、破乳分散介质,促进传质反应等作用。本文将从超声波预处理对再生植物纤维结构变化,分析超声波预处理促进再生植物纤维水解的影响机理。

超声波处理再生植物纤维

将1g再生植物纤维原料置于盛有100ml蒸馏水的烧杯中,在JY2-Ⅱ型超声波细胞粉碎机(超声频率23-25KHz)10mm探头下超声处理,超声时间与间歇时间分别为3s和2s。探头要放在液面以下,烧杯置于盛有冰块的大烧杯中,间断地搅拌再生植物纤维浆,并随时更换融化的冰块以便控制纤维浆的温度不超过50℃。调节不同超声波功率及控制超声处理时间。以超声仪器的功率代表超声强度。

再生植物纤维粒径测定

岛津SALD-201V激光粒度仪测定超声处理再生植物纤维样品(70目),观察超声波处理对再生植物纤维形态的影响。仪器测试粒度范围在1——500μm。

低温氮吸附法测定超声处理再生植物纤维空隙大小及分布

孔径分布测定仪ASAP2010M(USA, Micromertics)对纤维孔结构分析。在水中浸泡后超声处理的再生植物纤维风干后经过冷冻干燥24h。此次超声处理参数为:超声强度(功率)200W,超声处理之前润张2h。

再生植物纤维保水值测定

用离心法测定再生植物纤维保水值。再生植物纤维吸水1h 后超声波处理,抽滤后于3000g离心力15min,称纤维湿重W1,再将样品在105℃烘箱中烘干至恒重,质量记为W2。计算公式如下。

超声波辅助酸水解

将2g原料置于盛有50ml 1%(质量分数)稀H2SO4烧杯中,在一定超声功率和不同处理时间处理后移入压力容弹,密封放入油浴加热器中,在一定温度和时间下反应。反应结束后迅速在流动水中冷却后,用0.2mol/L NaOH调节PH至中性左右,过滤得水解反应液。

还原糖测定

中和后的水解液稀释适当倍数后依据3,5-硝基水杨酸(DNS)比色法测定反应液中还原糖含量。

FI-IR分析

超声处理再生植物纤维氢键网络发生变化,纤维表面有更多的游离羟基产生。超声处理可以改善回用纸浆纤维的性能,超声处理后纸浆制备的纸张密度、抗张指数增加,纤维氢键结合能力得到一定程度再生,超声处理可以解释再生植物纤维在超声过程中发生簇状凝聚现象。

X-衍射分析

超声处理后再生植物纤维结晶度有增加的现象,与打浆会使再生植物纤维素的结晶度有小幅度增加现象一致,说明超声处理再生植物纤维表现了一定地打浆作用。在200W强度超声处理条件下,再生植物纤维结晶度没有随超声时间增加而明显改变。

超声波处理对再生植物纤维粒度的影响

超声波处理产生的“空化效应”伴随着机械作用,使再生植物纤维多层结构分离,更多微细纤维被分离出来,纤维细小化。超声波处理纤维先以细纤维化作用为主;随处理时间增加,超声润张作用显著,但是纤维的细纤维化和纤维的吸水润胀是互相促进的,吸水润胀为纤维的细纤维化创造有利条件;反之,纤维的细纤维化又能促进纤维更进一步的吸水润胀,两者作用相互促进。

超声波处理对再生植物纤维保水值的影响

纤维素的可及度是反应试剂与纤维素化学反应的一个重要因素。纤维素的可及度可用离心法测定保水值(WRV)反映。纤维保水值与纤维比表面积具有一定相关性。超声波处理时间的增加,再生植物纤维保水值增加。

超声处理再生植物纤维微观空隙大小及分布

超声处理能够打开纤维封闭的空隙结构,使较多的水分子进入,增强了纤维的润胀,提高了纤维参与反应的可及度。

超声处理时间、功率对再生植物纤维酸水解的影响

增加超声强度或者增加超声处理时间辅助酶水解或者超声预处理,都会明显地提高纤维素酶水解速率和产物产量。延长超声波处理时间,使纤维素纤维次生壁S1层脱除更明显,暴露含有较多微细纤维的S2层,纤维表面分丝细纤维化,更多细小纤维受到酸质子的攻击,发生糖苷键解聚产生还原性多聚糖。

结论

超声波处理再生植物纤维作用表现细纤维化作用的同时也有超声润胀作用,都可以显著地增加纤维表面积,提高再生植物纤维可接触性和反应活性,促进纤维水解产生更多地还原糖。超声处理再生植物纤维纤维结晶结构变化不大,超声处理影响水解的主要原因在于增加再生植物纤维反应有效接触面积,而不是改变再生植物纤维结晶结构降低结晶度来促进水解反应。超声处理时间是影响超声处理效果的主要因素。

责任编辑:葛


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