果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系提升OCC造纸性能的研究

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废纸是制浆造纸行业重要的原材料,有数据表明,我国在2020年共计消耗纸浆约1亿吨,其中废纸浆消耗占比55%,利用废纸造纸可以减少制浆造纸工业中的原料压力,达到可持续发展的目的。但是废纸纤维在回用时不可避免地会发生纤维性能的衰变,例如力学性能、光学性能等降低,限制了废纸的使用范围和回用次数,因此要寻找一种高效且环保的方法来提升废纸纤维性能。本论文以废旧瓦楞箱纸板(OCC)为原料,采用果胶酶协同漆酶/谷氨酸处理OCC浆料,以达到提升OCC纤维回用性能的目的。本文先对果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系处理OCC浆料的工艺条件进行优化,并从纤维表面物质和微观结构两个方面对果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系处理OCC的作用机理进行探究,最后针对废纸纤维实际生产中会经历多次回用的问题,研究了果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系对多次回用的OCC纤维物理性能的提升作用。研究结果表明:(1)果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系处理OCC的最佳工艺条件为:果胶酶用量3.5U/g,漆酶用量12.2 U/g,谷氨酸用量1%,果胶酶处理时间62 min,漆酶处理时间160min,p H值6.0,温度45℃。在最优条件下经果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系处理后的OCC成纸的抗张指数、耐破指数、撕裂指数、环压指数分别较空白样提高24.75%、34.23%、25.51%、31.08%,成纸强度均优于单一酶处理的OCC浆,纤维保水值(WRV)较空白样提高14.89%,有利于纤维润胀性能的提升。(2)果胶酶能有效去除纸浆中的抽出物,果胶酶处理后的OCC抽出物含量较空白样降低66.67%,有利于漆酶/谷氨酸更好地与木素作用。利用X-射线光电子能谱(XPS)和原子力显微镜(AFM)研究果胶酶协同漆酶/谷氨酸对OCC纤维表面物质的作用,结果表明经果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系处理后的OCC表面O/C值较空白样增加27.99%,C1含量减少26.23%,木素和抽出物的含量减少,碳水化合物的含量增加,有利于纤维润胀性能提升;果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系处理后的OCC纤维表面覆盖物更少,粗糙度降低33.73%,纤维走向更明显,表明纤维表面更好地暴露,有利于纤维间交织,从而有利于纤维强度的增加。(3)采用傅里叶红外光谱(FT-IR)、X-射线衍射(XRD)、纤维质量分析(FQA)、和扫描电子显微镜(SEM)研究了果胶酶协同漆酶/谷氨酸对OCC纤维微观结构的作用。结果表明,果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系对OCC的处理可以氧化纤维中的木素,增加纤维的羧基含量,果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系处理后的OCC纤维的分子间氢键含量增加19.17%,有利于纤维间结合,增加成纸的强度。果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系可以破坏纤维结晶区,纤维结晶度降低4.52%,从而增加纤维的反应性能。同时果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系可以增加纤维长度和粗度,从而增强纤维自身的强度。另外,扫描电子显微镜照片显示,果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系处理后的OCC纤维表面分丝帚化明显,纤维表面孔结构明显,纤维间连接更加紧密,有利于改善纤维的成纸强度。(4)研究了果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系对多次回用的OCC物理性能的提升作用,并对多次回用的OCC纤维的保水值、纤维质量、结晶结构、纤维形貌进行分析。OCC纤维在多次回用之后成纸强度持续降低,其中前三次下降幅度较大,纤维逐渐变得扁平,表面出现裂缝。果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系可以明显提升OCC纤维的成纸强度,对于三次回用的OCC纤维,经过果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系处理后其成纸的抗张指数、耐破指数、撕裂指数、环压指数分别较空白样提高26.40%、14.08%、11.12%、29.06%,同时,果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系可以改善多次回用纤维的润胀性能,降低纤维的结晶度,同时可以减少长纤维的断裂,增加纤维粗度,果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系处理后的纤维更加饱满,纤维表面的孔结构明显,纤维的分丝帚化明显,纤维间联结变多,经过五次回用后,由于纤维本身质量下降较多,果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系处理对OCC纤维性能的提升作用不明显,从而导致果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系处理后的OCC纤维各指标和空白样的差别不明显。
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