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用乙醇制浆法从秸秆中提取高结晶度的纤维素作为产品,制浆废液中的成分十分复杂,主要含有大量的木素、乙醇、水及少量的糠醛、醋酸、甲酸、糖浆等组分。每种物质都有较高的使用价值和经济价值。如果能把这些有用组分从废液中提取出来,善加利用,变废为宝,无论对环境保护、资源利用,还是对造纸企业本身都具有十分重要的意义。
通过改变影响溶解度参数的浓度、温度、pH等工艺参数来沉淀回收麦草乙醇制浆废液中的乙醇木素,再通过羟甲基化、接枝共聚和磺化化学改性,制备了纸张增强剂和水泥减水剂,初步探索了乙醇木素改性制备纸张增强剂和水泥减水剂的工艺条件及作用机理。
回收乙醇木素的最佳工艺条件为:废液稀释倍数1,pH2.5,温度20℃。乙醇木素和碱木素的FT-IR、1HNMR、TGA分析表明:乙醇木素含有更多的羟基,羰基和甲氧基;乙醇木素和碱木素的失重区域主要分为3个区域,不同之处是:在表示木素大分子剧烈降解的高温区域,乙醇木素出现明显的失重峰,这表明乙醇木素中大分子量的木素远远大于碱木素。乙醇木素和碱木素的成分分析表明:相比于碱木素,乙醇木素纯度更高,木素含量达到91.28%。
为了增加乙醇木素的反应活性,对乙醇木素进行了羟甲基化改性。确定其最佳的反应条件为:甲醛与乙醇木素质量比0.25,反应温度70℃,反应时间2.5h,pH10。羟甲基化反应后,乙醇木素的羟甲基含量增加3.8%,能够与纸张中的纤维产生较好的氢键结合,使得纸张的抗张强度和环压强度分别提高23%和25%左右。羟甲基乙醇木素和乙醇木素的FT-IR分析表明:乙醇木素与甲醛已成功的发生羟甲基化反应。
为了进一步提高乙醇木素对纸张的增强作用,制得的羟甲基乙醇木素与丙烯酰胺进行了接枝共聚改性。对过氧化氢-亚铁、过硫酸钾和硝酸铈铵三种引发剂体系进行筛选,结果表明:在过氧化氢-亚铁体系引发下乙醇木素接枝率最高;通过正交实验的筛选和单因素实验,确定羟甲基乙醇木素与丙烯酰胺接枝共聚的最佳条件为:丙烯酰胺与羟甲基木素质量比1.5、引发剂与羟甲基木素质量比0.06、反应温度60℃、反应时间3h;改性木素浆内添加实验表明,改性乙醇木素的加入,纸张抗张强度、撕裂强度和耐破强度分别提高41%、32%和30%,添加量2%时较为适宜;纸张表面和断面的扫描电镜(SEM)结果表明,改性木素的加入对纸张物理性能有明显的增强作用;红外光谱分析表明,改性木素中出现-CONH2基团,丙烯酰胺己成功接枝到羟甲基乙醇木素上。
对羟甲基乙醇木素,进行了磺化改性。正交实验的筛选和单因素实验表明,羟甲基乙醇木素磺化的最佳条件为:磺化剂与羟甲基化木素质量比1:3,反应温度95℃,反应时间3h,反应pH11。乙醇木素经过改性后,增加了亲水基团,具有阴离子表面活性剂的结构特征。当水泥颗粒吸附足够的减水剂后,借助于极性亲水基团与水分子中氢键的缔合作用,再加上水分子间的氢键缔合,使水泥颗粒间形成一层稳定的溶剂化水膜,阻止了水泥颗粒间的直接接触,并在颗粒间起润滑作用。这就使得同样的水灰比时,加入改性产物的水泥净浆流动度有很大提高。磺化木素掺入水泥,短针状晶体的生成明显减少,空隙率减少,提高了水泥的密实性,这有利于混凝土强度的提高,也有利于抗渗透性能的提高。从乙醇木素和磺化乙醇木素的红外光谱图的对比中可以看出,磺化乙醇木素除了具有乙醇木素的基本骨架外,还具有-SO3H的特征吸收峰,可断定乙醇木素在改性发生了磺化反应。