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高得率浆不仅能耗低、污染相对较少,而且与化学浆比较其得率要高出许多,这有助于缓解日益紧张的环境问题和能源问题。在一些纸品中,如低定量涂布纸和超级压光纸等,用漂白高得率浆来替代部分或全部价格较高的漂白化学浆是一种适宜并且经济的方法。但是,高得率浆除了机械强度和易返黄等影响因素外,影响其应用的一个最关键的因素是白度,高得率浆的白度问题是制约其广泛应用的主要瓶颈。
高得率浆的过氧化氢漂白是保留木质素型漂白,过氧化氢主要是消除纸浆中的木质素的发色基团,以提高纸浆的白度。木质素是一种无定型的、结构复杂的高分子聚合物。在制浆造纸工业中,制浆阶段主要是为脱除木质素,而漂白阶段除了进一步脱除木质素外,还要将木质素中的一些发色基团变为无色基团。所以研究木质素结构对于制浆造纸工业,特别是对保留木质素的高得率浆质量的提高有很大帮助。但是,天然木质素或者从纸浆中分离出来的木质素大分子结构十分复杂,不利于从分子水平专门对木质素的发色基团的特性进行研究。因此选用具有代表性的β-O-4型邻醌型木素模型物将非常直观的反映出高得率浆过氧化氢漂白时醌型发色基团的变化情况。借此为高得率浆过氧化氢漂白中醌型结构反应效率不高的难点问题,提供有效的解决途径。
本文是在前人研究的基础上,合成出了β-O-4型木质素二聚体模型化合物,并且利用这种模型化合物制备邻醌型模型物,研究该邻醌型模型物及简单邻醌物质——3,5-二叔丁基邻苯醌与过氧化氢反应的机理。
在合成β-O-4型木质素二聚体模型化合物时,起始物质为4-羟基-3-甲氧基苯乙酮,在溴化反应时使用溴化铜代替单质溴进行选择性溴化,提高了反应产物的得率。实验中分离产物时使用了柱层析法,还利用红外光谱、核磁共振氢谱和元素分析等手段对合成产物的结构进行分析、确认。在制备邻醌型模型物时,使用了化学法生成邻醌结构。反应的产物通过菲格尔(Feig1)颜色反应、核磁共振氢谱、显微熔点测定仪、红外光谱和元素分析确定结构。在红外光谱中可以看到在1649cm-1处有特征峰,根据资料表明在1640cm-1-1650cm-1之间表示的是邻醌结构,因此可以确定合成出来的物质具有邻醌结构。再通过对C、H、O的元素分析最终确定产物结构。
在研究邻醌型木素模型物与过氧化氢的反应特性时,采用KMnO4法、Na2S2O3法和Ce(SO4)2法三种不同的方法测定了过氧化氢的含量并对其结果进行了对比分析。对两种邻醌型物质与过氧化氢反应,采用GC-MS(气-质联用仪)对反应产物做定性及定量分析,经GC-MS测定结构,推断出木质素二聚体邻醌型模型物的官能团变化情况。研究发现,过氧化氢会与木质素邻醌模型物降解产物中的愈创木酚和乙酰基愈创木酚(主要是甲氧基苯酚结构)反应产生了新的醌型结构,该过程中过氧化氢消耗量较大,因此会导致残余过氧化氢含量不足。这样就可能导致高得率浆过氧化氢漂白的效率不高,白度难以提高,甚至出现返黄现象。使用紫外-可见光分光光度法和铈量法测定了反应体系中,邻醌型物质和残余过氧化氢的浓度变化情况,并且初步探讨了保护剂和化学改性保护酚羟基,来阻止木素降解产物中的酚羟基进一步被氧化为邻醌发色基团的效果。
文章最后采用过氧化氢与高得率浆(杨木APMP)在不同条件下进行漂白实验,测定了不同条件下纸浆白度、残余过氧化氢和pH值的变化情况,以及各因素对发色基团以及漂白效果的影响。并且与邻醌型木质素模型物和过氧化氢反应的特性进行了对比分析,进一步验证了高得率浆中过氧化氢消除木质素醌型发色基团不彻底,有新的醌型发色基团生成是影响其漂白效率不高,白度稳定性差的主要因素。