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本论文研究了白腐菌预处理竹片进行化学机械制浆的工艺和机理。通过对比研究筛选出了性能优良的竹种和处理效果最佳的白腐菌菌株,利用SEM、TEM、AFM、XPS等现代仪器分析技术对白腐菌腐蚀竹片的机理和竹浆表面形态变化作了较为系统的研究。研究结果如下:
(1)通过对比分析三种竹子的化学组成、纤维形态结构以及制浆性能筛选出粉单竹作为优良竹种进行化机浆和生物化机浆的研究对象。从化学组成看,粉单竹含有较高的纤维素和半纤维素含量,以及较低的木素和抽出物含量;从纤维形态结构看,粉单竹纤维长度和纤维长宽比属优以上,薄壁纤维细胞含量较多;从制浆性能看,粉单竹化学机械制浆得率、白度和强度高。
(2)通过对比分析三种白腐菌在一段培养周期内的质量损失率、木素去除率、综纤维素损失率以及选择性降解木素的选择因子变化筛选出生长快速且能够选择性的有效去除木素的白腐菌Trametes hirsuta19-6。在一至四周的培养周期中,白腐菌Trametes hirsute19-6预处理的竹片具有最高的质量损失率从8.53%到12.66%,最大的木素去除率从16.88%到20.68%,较少的综纤维素损失从3.21%到5.84%,选择因子随培养时间增加而降低,选择性脱木素主要集中在早期。因此,认为白腐菌Trametes hirsute19-6预处理竹片的最佳培养时间为两周。
(3)利用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)观测粉单竹的纤维细胞壁结构特点以及白腐菌Trametes hirsute19-6预处理引起的纤维细胞壁结构变化。粉单竹含有较多的薄壁细胞,细胞壁较薄而细胞腔较大,细胞壁又具有薄的初生壁和厚的次生壁。多层的次生壁结构宽层和窄层交替组成,竹片的木素含量主要集中在胞间层、细胞角隅和次生壁的窄层。生物预处理竹片两周后,竹片细胞壁结构变松弛,纤维发生层间分离。白腐菌对竹片的生物降解从细胞腔开始,进入次生壁开始脱除木素,然后延伸到胞间层。
(4)生物预处理前后评估竹子化机浆的制浆性能。从白腐菌预处理前后纸浆性能对比来看,白腐菌预处理提高了竹子化机浆的纤维质量,改善了纸浆的强度性能,降低了化机浆的PFI磨浆能耗,减轻了制浆废液污染。通过纤维质量分析,生物预处理后纤维长度增加、纤维的卷曲和扭结减少;生物预处理后竹子化机浆更容易打浆和细纤维化,从而节约能耗。随着打浆度由44°SR提高到64°SR,竹子化机浆和生物化机浆的撕裂指数、抗张指数、耐破指数都增加。且在相同的打浆度下,生物化机浆的纸张强度要高于竹子化机浆。
(5)光学和电子显微镜(SEM和TEM)用于鉴定生物预处理前后竹浆和纸张纤维表面形态和内部结构的变化。竹子化机浆纤维较为挺硬,纤维长短不一,表面有轻微的起毛现象,且有很多的纤维碎片脱落,放大的纤维表面仍光滑,完整,纤维挺直且组织结构紧密。而竹子生物化机浆表面有明显的分丝帚化和起毛现象。竹子化机浆纤维的分离主要发生在初生壁和胞间层之间,纤维之间没有完全分离,次生壁保持完整没有遭到任何破坏。竹子生物化机浆的次生壁出现了层间剥离。竹子化机浆抄片后纸张横截面高低不平、有大量未坍塌的纤维和碎片,纤维长度长短不一;竹子生物化机浆抄片后纸张横截面光滑、纤维之间的压缩性和一致性都很好。因此,白腐菌预处理后纤维表面和内部结构的变化有助于竹子化机浆纸张强度的改善和提高。
(6)利用SEM和AFM对纤维表面形貌的分析结果表明,白腐菌预处理可以减少覆盖在纤维表面的木素和抽提物,使纤维表面暴露出富含碳水化合物的S1层,有利于纤维间结合强度的提高。而通过AFM相图分析,同样证实了白腐菌预处理后竹子化机浆纤维表面的木素和抽提物等疏水性物质减少,纤维表面的粗糙度下降。
(7)利用XPS对纤维表面氧碳比(O/C)及Cls峰的分析结果表明,白腐菌预处理后竹子化机浆纤维表面的氧碳比(O/C)上升,Cl峰有所下降,同时Cls峰位向高结合能方向漂移,说明生物化机浆纤维表面木素和抽提物减少,暴露出了更多的亲水性基团,碳水化合物的含量提高,有利于促进抄纸时纤维间氢键结合的形成。从分析结果来看,白腐菌预处理后竹子化机浆纤维表面木素和抽提物含量分别降低了15.74%和78.7%,而浆中总木素含量和总抽提物含量仅分别下降了14.41%和27.5%,可见,白腐菌对纤维表面木素和抽提物有一定的降解作用。