离子液体预处理改善纸浆漂白特性的研究

摘要

绿色溶剂离子液体具有蒸汽压低,不挥发,不可燃,难氧化,热容量大,电导率高,电化学窗口宽,溶解性好,萃取能力强,稳定性好,结构可设计等特性。部分咪唑类离子液体可用于木质纤维素的溶解、改性及加工,其独特优势为传统制浆造纸生产工艺革新提供了新的思路。本文离子液体选取[Bmim]Cl(1-丁基-3-甲基-咪唑氯盐)和[Amim]Cl(1-烯丙基-3-甲基-咪唑氯盐),研究了无水离子液体预处理体系对漂白针叶木KP浆和杨木APMP浆打浆性能的改善,分析了预处理前后纸浆纤维特性的变化,探讨了含水离子液体体系处理改善杨木KP浆打浆性能,研究了离子液体预处理体系对杨木KP浆漂白性能的改善及作用机制。
　　 离子液体[Bmim]Cl和[Amim]Cl在无水环境、温和条件下对浆料的浸渍处理可改善化学浆和机械浆的打浆性能,表现在降低打浆能耗,改善纤维质量,提高成纸物理强度;相同处理条件下,KP浆打浆性能的改善较APMP浆更为显著。对于[Bmim]Cl预处理技术,纸浆的物理强度在低温处理较高,随浸渍时间增大先增大后降低,随着[Bmim]Cl用量增大有小幅增加,优化的工艺条件为:温度70℃,[Bmim]Cl用量3ml/g浆,时间40min。对于[Amim]Cl预处理技术,纸浆物理强度随温度先升高后降低,随浸渍时间和[Amim]Cl用量增大而逐渐增大,较高[Amim]Cl用量导致部分纸浆溶解,优化工艺条件为:温度60℃,时间45min,[Amim]Cl用量3ml/g浆。
　　 离子液体预处理前后纤维特性分析发现,KP浆纤维平均长度增大明显,短小纤维比例和细小组分含量显著降低,纤维形状变化显著,宽度明显增大;[Bmim]Cl润胀作用强,小于19.50μm组分纤维润胀明显,[Bmim]Cl浸渍后纤维表面变得平滑,表面附着纤维碎片大部分脱离,纤维结构更加疏松;[Amim]Cl浸渍处理后对表面形貌影响较小,润胀程度低,表面附着纤维碎片量仍较多。离子液体浸渍使纤维素部分降解,黏度稍有降低。浸渍对纤维结晶结构没有明显的破坏作用,主要作用于纤维的无定形区,结晶度稍有降低。APMP浆纤维质量变化很小,[Bmim]Cl浸渍后纤维表面的碎片明显减少,纤维表面更加平滑,润胀不明显;[Amim]Cl浸渍后纤维碎片有所降低,表面仍附着少量纤维碎片,润胀程度也很低,纤维结晶结构变化很小,结晶度稍有增大。
　　 含水离子液体预处理体系打浆技术的研究发现,打浆度随[Bmim]Cl体系水分含量增大逐渐降低,水分含量小于2.0％时对打浆性能影响不显著,纤维长度、宽度、弯曲指数、扭结角和扭结指数逐渐变小,细小组分含量逐渐增大,物理强度逐渐降低,较高的水分含量不能改善纸浆的强度性能,即预处理体系中水的存在不利于打浆性能的改善。对于[Bmim]Cl和[Amim]Cl组成的混合处理体系,纸浆物理强度随离子液体组成发生不同程度的变化,随[Amim]Cl含量先增大后降低,但变化幅度较小,组成以[Bmim]Cl:[Amim]Cl为40:60打浆性能改善为最优。打浆度随微波加热处理时间逐渐增大,微波加热5min与常规加热45min打浆度增幅相近,过长的微波加热时间不能进一步润胀纤维,且导致强度有所降低,尤其是撕裂指数;微波加热预处理技术温度以70-75℃为宜。相对于常规加热,微波加热效率高,时间短,但温度不宜过高。打浆度随超声波处理处理时间逐渐增大,处理15min后打浆度增幅很小。超声波预处理可强化离子液体作用性能,改善纤维质量,纸浆强度随处理时间逐渐增大,尤其是抗张指数。
　　 离子液体[Bmim]Cl预处理可显著改善KP浆漂白性能,随预处理体系水分含量升高白度逐渐降低,水分含量大于5％后白度下降幅度较大,水分含量高于15％后白度增幅很小,[Bmim]Cl预处理导致漂白浆黏度稍有降低,水分含量对黏度影响较小,黏度随水分含量升高稍有降低。较低水分含量可改善[Amim]Cl预处理体系作用性能,当体系水分含量进一步增大,白度增幅变小。与[Bmim]Cl预处理相比,[Amim]Cl在低水分含量处理时导致纤维降解较严重。相同化学漂剂用量下,[Amim]Cl预处理DP漂白浆白度提高10％ISO以上,随着化学漂剂用量的降低,漂白浆的白度逐渐降低,化学漂剂用量降低40％的预处理漂白浆白度仍高于对照样,黏度稍有降低。离子液体预处理改善化学浆漂白主要由于:离子液体作用于细小纤维和纤维的无定形区,破坏纤维氢键,弱化组分间作用力,润胀纤维,纤维结构更加疏松,化学组分扩散容易,部分木素溶出,对纤维的降解作用很小。