纺织用竹浆粕的制备及其机理研究

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本论文以毛竹为研究对象,研究毛竹酸预水解、硫酸盐法制浆、生物酶漂白竹浆粕的工艺,浆粕质量指标与后加工性能之间的关系,探讨半纤维素和木素溶出规律对浆粕后加工性能的影响,为纺织材料用竹浆粕规模化生产和理论研究提供理论依据。1.毛竹原料化学组成分析及草酸预水解工艺研究通过实验得出毛竹的化学组成结果:45.38%的纤维素含量,21.93%的聚戊糖含量,22.62%的酸不溶木素含量,1.06%的灰分含量,10.89%的水分含量,6.06%的热水抽出物含量,26.70%的1%NaOH抽出物含量,7.10%的苯醇抽出物含量。草酸预水解毛竹的单因子试验结果发现,酸预水解工艺条件为液比1:10,预水解温度170℃,预水解时间20min和草酸含量2%。根据上述结果,进一步通过响应面法分析优化结果发现,酸预水解最优工艺条件为:预处理温度为174℃,预处理时间为26min,草酸浓度为3%,在此条件下,纤维素含量、木素去除率和半纤维素溶解率的理论值分别为63.91%、77.98%、96.67%。通过扫描电镜(SEM)观察分析后发现,经过草酸预水解后,浆料中纤维素表面的沟槽比预水解前更多,纤维素外层变得松散,纤维细胞壁也被破坏。由傅立叶红外光谱(FTIR)分析后可以看出,毛竹浆料的红外谱图经草酸预水解后,其图谱变化不明显。通过X射线衍射(XRD)分析,浆的结晶度从52.5%上升到65.12%,这表明浆料纤维素的聚集态结构发生了一定的变化。2.草酸预水解动力学模型研究应用Saeman模型研究了高温、低草酸浓度条件下半纤维素水解过程的动力学,从而得出木糖生产速率常数(k1)和木糖降解速率常数(k2)表达式为:k1=μ1[Ac]n1exp (-E1/RT)=2.232×1012[Ac]1.324exp (-11699.5/T)k2=μ2[Ac]n2exp (-E2/RT)=2.33×1010[Ac]0.5011exp (-16403/T)3.水解硫酸盐蒸煮工艺研究优化毛竹原料的蒸煮条件后,其最佳的蒸煮条件如硫化度、用碱量、蒸煮温度、保温时间、液比、蒸煮起始温度和升温速率分别为25%、18%、155℃、60min、1:8、90℃和4-5℃/10min。在最佳蒸煮条件下获得的竹浆,其化学组分如蒸煮得率、α-纤维素含量、卡伯值、平均聚合度、蒸煮后黑液的pH、纤维素含量、聚戊糖含量和酸不溶木素含量分别为31.36%、93.33%、21.07、935、12.33、92.98%、8.12%和1.37%。由FTIR观察分析竹浆后发现,其纤维形态特征有较大改变,通过XRD分析竹浆的结晶度后发现,纤维素结晶度有很大的增加,结晶度由蒸煮前的65.12%上升到87.8%。4.硫酸盐蒸煮脱木素反应历程和动力学研究蒸煮过程中脱木素动力学由主要和残余脱木素阶段组成,并且均为拟一级反应,两种阶段的化学反应活化能分别为93.97kJ/mol和85.73kJ/mol。氢氧化钠浓度对脱木素在主要和残余脱木素阶段的反应级数分别为0.347和0.444。硫化钠浓度对脱木素在主要和残余脱木素阶段的反应级数分别为0.003和0.010。主要脱木素阶段:-dL/dt=A·e-11303/T·L·[OH-]0.347·[S*]0.003残余脱木素阶段:-dL/dt=A·e-10312/T·L·[OH-]0.444·[S*]0.0105.木聚糖酶和漆酶协同漂白竹浆粕工艺及机理研究木聚糖酶和漆酶各自的酶制剂最优工艺条件如下:最佳温度为65℃,有效pH为5;单一木聚糖酶处理最佳条件为:酶用量1.4%,反应pH值5.2,反应温度60℃,漂白时间20min,浆浓度8%,浴比l:10;单一漆酶处理最佳条件为:酶用量1.4%,反应pH值5.0,反应温度65℃,漂白时间25min,浆浓度8%,浴比l:10;(L+X)复合酶漂白竹浆工艺条件为木聚糖酶用量为0.5%,漆酶用量为0.4%,浓度8%,时间20min,pH值5,温度65℃,浴比1:10;5种不同酶体系漂白竹浆后的白度、卡伯值和粘度研究发现,(L+X)、LX和XL漂白竹浆后,三种漂白效果较好,而(L+X)漂白效果最好,说明复合酶能够提高漂白的效果。利用紫外、红外、X衍射仪和电镜扫描分别对酶漂白前后竹浆料和废液进行检测分析后发现,酶漂白竹浆降低了竹浆中的木素含量,其中木聚糖酶和漆酶复合酶漂白浆的木素含量降低最多,木聚糖酶漂白浆降低最少;浆料经酶漂白处理后,己烯糖醛酸含量都有一定下降。经紫外光吸收光谱分析发现,在190-400nm范围内,木素的结构没有发生明显的变化,它们的吸收谱图基本相同;由FTIR谱图可知,无酶漂白浆和酶漂白浆红外光谱图非常相似,经酶处理后,浆中的发色基团减少。
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