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棉浆纤维磷酸酯化及其对打浆性能的影响

发布日期:2019-06-30   来源:浆纸技术

棉纤维细胞壁的初生壁与次生壁S1层在纤维表面的缠绕方式,有效地保护了次生壁S2层不被外力所破坏,从而对棉纤维的后期利用带来不利影响,如制浆造纸过程中不易发生外部细纤维化、制备纤维素衍生物时易造成反应性能的不均一性。

现有的研究已经证实,将磷酸根引入淀粉制备磷酸酯淀粉,不会破坏淀粉原有的结晶结构,但会对淀粉的表面结构带来影响,从而降低淀粉的糊化温度。因此,本实验将磷酸根引入棉纤维,制备纤维素磷酸酯,为棉纤维的进一步高值化利用提供基础。

在制备纤维素磷酸酯的反应过程中,磷酸盐的变化较为复杂,普遍认为各种无机磷酸盐都是通过焦磷酸盐途径与纤维反应,即磷酸盐在高温下受热脱水分解成焦磷酸盐,焦磷酸盐与纤维的-OH反应生成纤维素磷酸酯。

纤维素磷酸酯的半干法合成

在烧杯中加入一定量的去离子水、不同用量酯化剂,4%尿素(相对绝干纤维,尿素在磷酸酯化反应中起催化作用,尿素在水解过程中能促使纤维素分子中的葡萄糖残基打开氢键,游离出羟基,有利于酯化反应的进行),混合形成100g溶液体系,常温下搅拌均匀至试剂完全溶解;加入磷酸调节至一定pH值;取10g绝干棉浆纤维,加入上述体系中,在60℃水浴锅中润胀30min,然后置于室温风干水分,再放入指定温度的烘箱中反应数小时;用大量去离子水洗涤反应后的纤维至滤水呈中性,风干备用。

纤维打浆性能的测定

称取30 g(绝干)纤维,配成10%浆料浓度,在PFI磨浆机中进行磨浆,测量不同磨浆转数下纤维的打浆度。

处理前后纤维的形态分析

采用S-4800扫描电子显微镜,对纤维的表面形貌进行观察。样品均分散平铺在载台上,且观察前均进行表面喷金,加速电压为8.0kV。

实验结果

磷酸酯化对棉纤维保水值的影响

对棉纤维进行磷酸酯化后,其纤维的保水值得到提高,从92.86%提高到134.12%,增加了41.26%。这是由于磷酸盐与纤维素发生的酯化反应使纤维素分子结构中引入了亲水性的磷酸根,导致水分子更容易进入到纤维细胞壁内部。

磷酸酯化对棉纤维微观结构的影响

空白纤维和纤维素磷酸酯的SEM。空白纤维细胞壁光滑平整,其表面存在近乎以直角形式缠绕在细胞壁表面的微纤丝。经过磷酸盐酯化处理后,棉纤维表面发生了较为明显的变化。首先,纤维细胞壁发生塌陷,且产生局部扭曲;其次,经过磷酸酯化后,纤维细胞壁表面原有的微纤丝已经消失。这可能是由于磷酸根的引入,切断或破坏了纤维细胞壁表层微纤丝的氢键结合,从而使这部分微纤丝不能以网状形式缠绕于纤维细胞壁表面。

磷酸酯化对纤维打浆性能的影响

利用PFI对纤维素磷酸酯进行打浆,并与空白纤维进行对比。

与空白纤维相比,纤维素磷酸酯的打浆性能显著提升。在相同的打浆转数下,纤维素磷酸酯打浆度明显高于空白纤维。

结论

以棉浆纤维为原料,确定了制备纤维素磷酸酯的最佳条件为:酯化剂用量12%、反应温度120℃, pH值6.0 ,磷酸盐配比1:1,反应时间1.5h,尿素用量4%,在此条件下所制备的纤维素磷酸酯取代度为0.032,保水值从改性前的92.86%提高到134.12%。

经磷酸酯化改性后的纤维表面发生了明显的局部塌陷与扭曲,说明酯化处理破坏了保护纤维细胞壁S2层的初生壁及次生壁外层S1,显著改善了棉纤维的打浆性能。

责任编辑:单雯


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