蒸煮及打漿過(guò)程中劍麻漿聚合度和纖維長(zhǎng)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(guó)Green Wood）；平板縫篩（德國(guó)PTI）；PFI盤(pán)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(dòng)切斷機(jī)（深圳華源鼎自動(dòng)化設(shè)備有限公司）；纖維形態(tài)測(cè)定儀（芬蘭 Valmet）；聚合度測(cè)定儀（北京恒誠(chéng)譽(yù)科技有限公司）；打漿度儀（德國(guó)PTI）；掃描電子顯微鏡（日本Hitachi）。

采用纖維形態(tài)測(cè)定儀測(cè)定紙漿質(zhì)均纖維長(zhǎng)度及細(xì)小纖維含量；采用GB/T 1548—2016所述方法測(cè)定紙漿聚合度；采用打漿度儀測(cè)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(shí)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(zhǎng)度在該過(guò)程發(fā)生變化^[4]。本研究以用堿量、蒸煮溫度及保溫時(shí)間3個(gè)因素探究了蒸煮過(guò)程中劍麻紙漿聚合度和纖維長(zhǎng)度的變化規(guī)律。

2.1.2　蒸煮溫度對(duì)劍麻紙漿聚合度及纖維長(zhǎng)度的影響

圖3為紙漿聚合度及纖維長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(shí)，纖維素開(kāi)始?jí)A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(shí)，剝皮反應(yīng)開(kāi)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(shí)紙漿聚合度與纖維長(zhǎng)度之間的關(guān)系。如圖4所示，蒸煮溫度變化時(shí)，紙漿聚合度與纖維長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)呈線性正相關(guān)。

圖3  蒸煮溫度對(duì)紙漿聚合度及纖維長(zhǎng)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(zhǎng)度的關(guān)系

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

2.1.3　保溫時(shí)間對(duì)劍麻紙漿聚合度及纖維長(zhǎng)度的影響

圖5為保溫時(shí)間對(duì)紙漿聚合度及纖維長(zhǎng)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(zhǎng)度均隨保溫時(shí)間增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。原因可能是隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)，紙漿中聚合度和長(zhǎng)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(zhǎng)度變大。當(dāng)保溫時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，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(zhǎng)度減小。從圖5中還可知，紙漿聚合度、纖維長(zhǎng)度與細(xì)小纖維含量的變化是同步的。圖6為保溫時(shí)間變化時(shí)紙漿聚合度與纖維長(zhǎng)度的變化關(guān)系。從圖6可以看出，保溫時(shí)間變化時(shí)紙漿聚合度與纖維長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)呈線性正相關(guān)。

圖5  保溫時(shí)間對(duì)紙漿聚合度及纖維長(zhǎng)度的影響

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

圖6  不同保溫時(shí)間下紙漿聚合度與纖維長(zhǎng)度的關(guān)系

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

打漿時(shí)纖維受機(jī)械力的影響發(fā)生切斷、分絲帚化、吸水潤(rùn)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(zhǎng)度在打漿過(guò)程中的變化是由物理作用造成的，屬于物理變化，該過(guò)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(guò)程中劍麻紙漿聚合度和纖維長(zhǎng)度的變化規(guī)律。

圖7為PFI和Valley打漿時(shí)紙漿聚合度和纖維長(zhǎng)度的變化規(guī)律。由圖7可知，紙漿聚合度及纖維長(zhǎng)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(shí)，聚合度從1378分別下降到1184和1145，纖維長(zhǎng)度從1.65 mm均下降到1 mm以下。

圖7  打漿對(duì)劍麻紙漿聚合度和纖維長(zhǎng)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(shí)，Valley打漿的紙漿比PFI打漿的紙漿纖維長(zhǎng)度更短，聚合度更高；在打漿后期，即打漿度為75~90°SR左右時(shí)，Valley打漿方式所得紙漿的聚合度及纖維長(zhǎng)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(shí)纖維原纖化程度較PFI打漿低，纖維長(zhǎng)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(kāi)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(guò)程中紙漿聚合度的下降主要是因?yàn)槔w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(guò)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(duì)劍麻紙漿聚合度及纖維長(zhǎng)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(zhǎng)度相差0.43 mm，但聚合度相近。線壓力降低使打漿過(guò)程的切斷作用減弱，纖維分絲帚化及吸水潤(rùn)脹等作用不變，因此，打漿過(guò)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(duì)劍麻紙漿聚合度的影響。從表4可知，紙漿纖維經(jīng)全自動(dòng)切斷機(jī)切斷為不同長(zhǎng)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(zhǎng)度大約僅為5000 nm，相當(dāng)于10000個(gè)葡萄糖單元的長(zhǎng)度，且蒸煮過(guò)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(duì)纖維造成的切斷是微米/毫米尺度的變化，該變化對(duì)納米尺度的纖維素分子鏈的長(zhǎng)度影響極小^[15]。打漿過(guò)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(shí)被破壞的薄弱環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)在打漿時(shí)由于纖維之間的揉搓作用而吸水潤(rùn)脹、結(jié)合力減弱，從而發(fā)生斷裂^[16]。打漿過(guò)程還會(huì)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(guò)程中劍麻紙漿聚合度與纖維長(zhǎng)度的關(guān)系。從圖10可以看出，在蒸煮和打漿過(guò)程中，紙漿聚合度與纖維長(zhǎng)度的變化均存在強(qiáng)相關(guān)性。說(shuō)明在這2個(gè)工段，纖維長(zhǎng)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(cè)紙漿質(zhì)量。

圖10  蒸煮與打漿過(guò)程中紙漿劍麻聚合度與纖維長(zhǎng)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(guò)程中，紙漿聚合度均在纖維長(zhǎng)度較大時(shí)隨纖維長(zhǎng)度的減小緩慢下降，而當(dāng)纖維長(zhǎng)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(shí)，纖維原料同時(shí)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(shí)，碳水化合物也相應(yīng)降解，因此蒸煮完成時(shí)紙漿的聚合度有一定上限。以此上限為起點(diǎn)，此時(shí)蒸煮條件相對(duì)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(zhǎng)度快速減小，而此時(shí)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(zhǎng)度隨蒸煮條件同步變化；而在打漿過(guò)程中，紙漿聚合度及纖維長(zhǎng)度的變化由兩種不同的作用造成，切斷作用使纖維長(zhǎng)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(duì)纖維的切斷作用在打漿初期更強(qiáng)、打漿后期較弱，對(duì)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)。