蒸煮及打漿過程中劍麻漿聚合度和纖維長度的變化規(guī)律

本研究所用劍麻取自廣西，其成分如表1所示。

NaOH（廣州化學(xué)試劑廠）；蒽醌（上海麥克林生化科技有限公司）；旋轉(zhuǎn)式多罐蒸煮器（美國Green Wood）；平板縫篩（德國PTI）；PFI盤磨（挪威HAMJERN MASKIN）；Valley槽式打漿機(jī)（廣東弗艾博纖維技術(shù)研究有限公司）；全自動切斷機(jī)（深圳華源鼎自動化設(shè)備有限公司）；纖維形態(tài)測定儀（芬蘭 Valmet）；聚合度測定儀（北京恒誠譽(yù)科技有限公司）；打漿度儀（德國PTI）；掃描電子顯微鏡（日本Hitachi）。

采用纖維形態(tài)測定儀測定紙漿質(zhì)均纖維長度及細(xì)小纖維含量；采用GB/T 1548—2016所述方法測定紙漿聚合度；采用打漿度儀測定紙漿打漿度；采用掃描電子顯微鏡觀察纖維表面微觀形貌。

蒸煮時纖維在堿液的作用下發(fā)生一系列反應(yīng)，其中纖維素因堿性水解和剝皮反應(yīng)被堿性降解。堿性水解作用使纖維素大分子鏈配糖鍵斷裂，剝皮反應(yīng)使其還原性末端基脫落，紙漿聚合度及纖維長度在該過程發(fā)生變化^[4]。本研究以用堿量、蒸煮溫度及保溫時間3個因素探究了蒸煮過程中劍麻紙漿聚合度和纖維長度的變化規(guī)律。

2.1.2　蒸煮溫度對劍麻紙漿聚合度及纖維長度的影響

圖3為紙漿聚合度及纖維長度隨蒸煮溫度變化的情況。由圖3可知，紙漿聚合度及纖維長度隨蒸煮溫度的升高逐步減小，且紙漿聚合度在蒸煮溫度為150~160℃時下降幅度較大。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是蒸煮溫度大于100℃時，纖維素開始堿性水解反應(yīng)，水解程度隨著蒸煮溫度增加持續(xù)增大，且當(dāng)蒸煮溫度大于150℃時，剝皮反應(yīng)開始，纖維素大分子鏈降解速度進(jìn)一步加快。圖4為蒸煮溫度變化時紙漿聚合度與纖維長度之間的關(guān)系。如圖4所示，蒸煮溫度變化時，紙漿聚合度與纖維長度的變化趨勢呈線性正相關(guān)。

圖3  蒸煮溫度對紙漿聚合度及纖維長度的影響

Fig. 3  Effect of cooking temperature on DP and fiber length

圖4  不同蒸煮溫度下紙漿聚合度與纖維長度的關(guān)系

Fig. 4  Relationship between DP and fiber length with different cooking temperature

2.1.3　保溫時間對劍麻紙漿聚合度及纖維長度的影響

圖5為保溫時間對紙漿聚合度及纖維長度的影響。如圖5所示，與2.1.1和2.2.2不同，紙漿聚合度及纖維長度均隨保溫時間增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。原因可能是隨著保溫時間延長，紙漿中聚合度和長度較低的細(xì)小纖維組分及半纖維素逐漸降解為葡萄糖分子而流失，造成紙漿聚合度及纖維長度變大。當(dāng)保溫時間繼續(xù)延長，大量纖維素大分子鏈發(fā)生嚴(yán)重降解，造成紙漿聚合度及纖維長度減小。從圖5中還可知，紙漿聚合度、纖維長度與細(xì)小纖維含量的變化是同步的。圖6為保溫時間變化時紙漿聚合度與纖維長度的變化關(guān)系。從圖6可以看出，保溫時間變化時紙漿聚合度與纖維長度的變化趨勢呈線性正相關(guān)。

圖5  保溫時間對紙漿聚合度及纖維長度的影響

Fig. 5  Effect of time at max temperature on DP and fiber length

圖6  不同保溫時間下紙漿聚合度與纖維長度的關(guān)系

Fig. 6  Relationship between DP and fiber length with different time at max temperature

打漿時纖維受機(jī)械力的影響發(fā)生切斷、分絲帚化、吸水潤脹、細(xì)纖維化及產(chǎn)生纖維碎片等變化。紙漿聚合度及纖維長度在打漿過程中的變化是由物理作用造成的，屬于物理變化，該過程并不發(fā)生化學(xué)變化和產(chǎn)生新的物質(zhì)^[5]。本研究采用兩種不同的打漿方式探究打漿處理過程中劍麻紙漿聚合度和纖維長度的變化規(guī)律。

圖7為PFI和Valley打漿時紙漿聚合度和纖維長度的變化規(guī)律。由圖7可知，紙漿聚合度及纖維長度在兩種打漿方式下均隨打漿度升高逐漸減小。紙漿經(jīng)PFI和Valley打漿至打漿度約為90°SR時，聚合度從1378分別下降到1184和1145，纖維長度從1.65 mm均下降到1 mm以下。

圖7  打漿對劍麻紙漿聚合度和纖維長度的影響

Fig. 7  Effect of beating on DP and fiber length of sisal pulp

從圖7還可以看出，在打漿初期，即打漿度為20~65°SR左右時，Valley打漿的紙漿比PFI打漿的紙漿纖維長度更短，聚合度更高；在打漿后期，即打漿度為75~90°SR左右時，Valley打漿方式所得紙漿的聚合度及纖維長度均比PFI打漿的紙漿小。Valley打漿是低濃打漿，以切斷纖維為主；而PFI打漿是中濃打漿，以纖維摩擦產(chǎn)生分絲帚化為主。結(jié)合圖8、圖9所示的纖維微觀結(jié)構(gòu)變化，可知紙漿纖維在兩種不同打漿方式下的變化歷程：Valley打漿初期，紙漿的打漿度上升主要依靠纖維切斷作用，此時纖維原纖化程度較PFI打漿低，纖維長度較短，聚合度較高；到打漿后期，Valley漿中大量切斷變短的纖維開始分絲帚化、細(xì)纖維化，其紙漿整體原纖化程度比PFI打漿的紙漿更大，聚合度更低。由此可知，打漿過程中紙漿聚合度的下降主要是因為纖維的分絲帚化、細(xì)纖維化等作用，而與纖維切斷作用關(guān)系不大。

圖8  PFI打漿過程中纖維的微觀結(jié)構(gòu)變化

Fig. 8  Changes of fiber microstructure during PFI beating process

表3為打漿線壓力對劍麻紙漿聚合度及纖維長度的影響。由表3可知，打漿線壓力降低后，打漿轉(zhuǎn)數(shù)相同的兩種紙漿的纖維長度相差0.43 mm，但聚合度相近。線壓力降低使打漿過程的切斷作用減弱，纖維分絲帚化及吸水潤脹等作用不變，因此，打漿過程造成紙漿聚合度下降的原因主要是纖維的分絲帚化、細(xì)纖維化等作用。

表4為切斷程度對劍麻紙漿聚合度的影響。從表4可知，紙漿纖維經(jīng)全自動切斷機(jī)切斷為不同長度后，紙漿聚合度的變化非常小。原因可能是天然纖維素分子鏈長度大約僅為5000 nm，相當(dāng)于10000個葡萄糖單元的長度，且蒸煮過程的化學(xué)降解作用還使其迅速縮短。而切紙機(jī)或打漿機(jī)對纖維造成的切斷是微米/毫米尺度的變化，該變化對納米尺度的纖維素分子鏈的長度影響極小^[15]。打漿過程造成紙漿聚合度下降的原因可能是纖維上存在一些在蒸煮時被破壞的薄弱環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)在打漿時由于纖維之間的揉搓作用而吸水潤脹、結(jié)合力減弱，從而發(fā)生斷裂^[16]。打漿過程還會造成纖維分絲帚化、細(xì)纖維化及產(chǎn)生纖維碎片等，這些納米尺度的纖維結(jié)構(gòu)變化才能使紙漿聚合度下降。

圖10為蒸煮與打漿處理過程中劍麻紙漿聚合度與纖維長度的關(guān)系。從圖10可以看出，在蒸煮和打漿過程中，紙漿聚合度與纖維長度的變化均存在強(qiáng)相關(guān)性。說明在這2個工段，纖維長度可以間接反映紙漿聚合度水平，從而更加方便快捷地監(jiān)測紙漿質(zhì)量。

圖10  蒸煮與打漿過程中紙漿劍麻聚合度與纖維長度的關(guān)系

Fig. 10  Relationship between DP and fiber length of sisal pulp during cooking and beating

由圖10還可知，在蒸煮和打漿過程中，紙漿聚合度均在纖維長度較大時隨纖維長度的減小緩慢下降，而當(dāng)纖維長度持續(xù)減小，聚合度下降速度加快。原因可能是在堿法蒸煮時，纖維原料同時進(jìn)行脫木素反應(yīng)和碳水化合物降解反應(yīng)，當(dāng)木素脫除至原料能夠成漿時，碳水化合物也相應(yīng)降解，因此蒸煮完成時紙漿的聚合度有一定上限。以此上限為起點，此時蒸煮條件相對較弱，木素還未脫除完畢，當(dāng)蒸煮條件加強(qiáng)，剩余木素的脫除使纖維素分子鏈間的黏結(jié)作用迅速減弱，導(dǎo)致纖維長度快速減小，而此時碳水化合物的降解程度是隨蒸煮條件的加強(qiáng)穩(wěn)步增大。當(dāng)蒸煮條件已能將原料中的木素脫除完畢，紙漿聚合度與纖維長度隨蒸煮條件同步變化；而在打漿過程中，紙漿聚合度及纖維長度的變化由兩種不同的作用造成，切斷作用使纖維長度變短，分絲帚化、細(xì)纖維化等作用使紙漿聚合度減小。且如圖7、圖10所示，本研究所用兩種打漿工藝對纖維的切斷作用在打漿初期更強(qiáng)、打漿后期較弱，對纖維的分絲帚化、細(xì)纖維化等作用則是穩(wěn)定或逐漸加強(qiáng)。