化纤工业的蒸汽爆破技术

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1、化纤工业5.2.1汽爆纤维素制备纤维素是自然界中最为丰富的可再生资源，在国民经济的发展中占有十分重要的地位。近年来随着石油、煤炭储量的下降和对环境污染问题的日益关注和重视，纤维素的应用越来越受到重视。但是，纤维素资源大部分未能被有效利用，这是因为天然纤维素的分子内和分子间存在着大量的氢键，以及纤维素超分子结构的复杂性，使得纤维素对试剂的可及度低，溶解困难，反应性能差，这直接影响到纤维素制品的使用性能。因此，必须对纤维素进行适当的预处理和改性才能得到反应性能强、溶解性能好的再生纤维素。目前人们所采用的改性方法包

2、括物理、化学及生物方法等，其中物理改性中的蒸汽爆破技术，由于具有处理时间短，高效、无污染，能耗低等优点，是很有发展前途的改性技术。该技术有能够破坏纤维素的内、外层结构的潜在能力。这一点从原理上很容易理解：将高压水蒸气渗入到纤维素分子内部与纤维素内部羟基形成氢键，当突然卸压时，吸附在纤维素内孔及间隙的水蒸气瞬间冲出，通过这一过程可以打断纤维素内的氢键，导致纤维素超分子结构的破坏。解芳、吕秉峰等采用该技术制备了碱溶性纤维素，并对碱处理纤维素经闪爆改性后的性能和纤维素的衍生化，功能化进行了研究。将含水量为100％的

3、纤维素放入已加热到预定温度的汽爆器中，关闭容器，输入水蒸汽。待汽爆器压力恒定到所需值后，保压预定时间，关闭蒸汽输入阀，而后突然打开放汽阀卸压，实现爆破。汽爆出的纤维素借助压差进入收集器中，卸料后进行清洗、干燥处理，而后在一定浓度的NaoH溶液中进行溶解性测试，溶解温度4℃左右，间歇搅拌8h。用高转速离心机离心60min将不溶的部分除去。将带有碱溶液的不溶的部分纤维素用盐酸溶液来滴定中和，直至完全沉淀为止。将不溶的纤维素用水洗涤后在真空中干燥，然后称量其质量(W)。则纤维素的溶解度可由下式算出：S(％)=100

4、×(5一W)／5。改性纤维素的结构表征通过电镜观察和X-射线衍射进行。图5.4是硬木及软木纤维素蒸汽闪爆改性前后的SEM照片，从图5.4是硬木及软木纤维素蒸汽闪爆改性前后的SEM照片，从图中可以看出：蒸汽闪爆前，硬木表面有明显的密集纤束，纤束规则排列：软木表面多孔，微坑较多，原纤束不规则排列。蒸汽闪爆处理后，软木在压力P=3.0MPa，保压时间t=10s的条件下就发生了明显的形态变化，表面发生剥落现象，大部分纤维断裂，纤维长度变短，在3.5MPa，10s的条件下处理的纤维全部断裂、破碎，纤维长度明显减小；而硬

5、木4.0MPa，60s的条件下才出现类似的情况，且纤维不象软木破坏的那么严重。上述现象表明：不同纤维素对汽爆的反应程度也不一样，与硬木纤维相比，蒸汽爆破处理对软木纤维更有效。造成这种现象的原因可能是由于各种纤维素原料来源不同，原料中木素和半纤维素含量及联接方式的不同所引起的。软木含纤维素46％-53％，木素28％-33％，半纤维素10％-12％，且木素较多的深入到次生壁及内层中，相互间用较大的界核联接；而硬木一般含纤维素43％-52％，木素17％-23％，半纤维素20％-24％，其胞间层及细壁外层的木素较多，

6、由非常窄的小核联接。由于纤维素主要在次生壁中，当原料经制浆、蒸煮等工艺去掉木素等杂质后，不可避免的会使纤维素具有一定的孔隙度，而软木的孔隙度大于硬木的。这可从SEM图上清楚地看出。孔隙度越大，可及表面积、蒸汽渗入的范围、爆破中心等就越多，导致水蒸汽更容易的渗入到纤维素内部，爆破效果也越明显，所以水蒸汽分子进入纤维素的难易程度不同，造成了纤维素对蒸汽爆破的反应也不同。图5.4硬木及软木纤维闪爆前后扫描电镜图纤维素分子是由许多D一吡哺葡萄糖苷1—5彼此以β-1，4苷键连接而成的线性巨型分子，属半刚性高聚物，其大量

7、羟基的存在使纤维素分子内和分子间存在着大量的氢键。纤维素的聚集态结构是由结晶区与无定形区交错连接而成的两相体系，其中还存在相当多的空隙。从结晶区到无定形区是逐步过渡的，存在着一系列有序度不同的结构，无明显界线。通过蒸汽爆破技术可以有效地破坏纤维素的超分子结构。图5.5是硬木及软木纤维汽爆前后的X-射线衍射图。从图中可看出，纤维素样品经蒸汽爆破后，(002)面峰峰形变尖，半高宽都有所减少，强度都有所增加，说明纤维素有序程度提高了。而从表5.15所给出的纤维素样品结晶度Xc(X)可看出汽爆处理后纤维素的Xc(X)

8、都有所增加，且对同一种纤维素，随着汽爆条件的加强，Xc(X)增加的也越多，说明汽爆处理对纤维素有氢键重排、重结晶的作用；同时还可看出汽爆后样品经湿化处理后Xc(X)的增加量比未汽爆样品湿化后Xc(X)的增加量要大，这说明汽爆后的样品与未汽爆样品相比有更多的游离羟基和水分子结合形成氢键，对水的可及度增加了；另外还看到软木纤维素比硬木纤维素Xc(X)的变化要容易，这和SEM的分析结果一致，即说明因纤维素