棉漿纖維磷酸酯化及其對(duì)打漿性能的影響

棉纖維細(xì)胞壁的初生壁與次生壁S1層在纖維表面的纏繞方式，有效地保護(hù)了次生壁S2層不被外力所破壞，從而對(duì)棉纖維的后期利用帶來不利影響，如制漿造紙過程中不易發(fā)生外部細(xì)纖維化、制備纖維素衍生物時(shí)易造成反應(yīng)性能的不均一性。

現(xiàn)有的研究已經(jīng)證實(shí)，將磷酸根引入淀粉制備磷酸酯淀粉，不會(huì)破壞淀粉原有的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，但會(huì)對(duì)淀粉的表面結(jié)構(gòu)帶來影響，從而降低淀粉的糊化溫度。因此，本實(shí)驗(yàn)將磷酸根引入棉纖維，制備纖維素磷酸酯，為棉纖維的進(jìn)一步高值化利用提供基礎(chǔ)。

在制備纖維素磷酸酯的反應(yīng)過程中，磷酸鹽的變化較為復(fù)雜，普遍認(rèn)為各種無機(jī)磷酸鹽都是通過焦磷酸鹽途徑與纖維反應(yīng)，即磷酸鹽在高溫下受熱脫水分解成焦磷酸鹽，焦磷酸鹽與纖維的-OH反應(yīng)生成纖維素磷酸酯。

纖維素磷酸酯的半干法合成

在燒杯中加入一定量的去離子水、不同用量酯化劑，4%尿素（相對(duì)絕干纖維，尿素在磷酸酯化反應(yīng)中起催化作用，尿素在水解過程中能促使纖維素分子中的葡萄糖殘基打開氫鍵，游離出羥基，有利于酯化反應(yīng)的進(jìn)行），混合形成100g溶液體系，常溫下攪拌均勻至試劑完全溶解；加入磷酸調(diào)節(jié)至一定pH值；取10g絕干棉漿纖維，加入上述體系中，在60℃水浴鍋中潤脹30min，然后置于室溫風(fēng)干水分，再放入指定溫度的烘箱中反應(yīng)數(shù)小時(shí)；用大量去離子水洗滌反應(yīng)后的纖維至濾水呈中性，風(fēng)干備用。

纖維打漿性能的測定

稱取30 g（絕干）纖維，配成10%漿料濃度，在PFI磨漿機(jī)中進(jìn)行磨漿，測量不同磨漿轉(zhuǎn)數(shù)下纖維的打漿度。

處理前后纖維的形態(tài)分析

采用S-4800掃描電子顯微鏡，對(duì)纖維的表面形貌進(jìn)行觀察。樣品均分散平鋪在載臺(tái)上，且觀察前均進(jìn)行表面噴金，加速電壓為8.0kV。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

磷酸酯化對(duì)棉纖維保水值的影響

對(duì)棉纖維進(jìn)行磷酸酯化后，其纖維的保水值得到提高，從92.86%提高到134.12%，增加了41.26%。這是由于磷酸鹽與纖維素發(fā)生的酯化反應(yīng)使纖維素分子結(jié)構(gòu)中引入了親水性的磷酸根，導(dǎo)致水分子更容易進(jìn)入到纖維細(xì)胞壁內(nèi)部。

磷酸酯化對(duì)棉纖維微觀結(jié)構(gòu)的影響

空白纖維和纖維素磷酸酯的SEM。空白纖維細(xì)胞壁光滑平整，其表面存在近乎以直角形式纏繞在細(xì)胞壁表面的微纖絲。經(jīng)過磷酸鹽酯化處理后，棉纖維表面發(fā)生了較為明顯的變化。首先，纖維細(xì)胞壁發(fā)生塌陷，且產(chǎn)生局部扭曲；其次，經(jīng)過磷酸酯化后，纖維細(xì)胞壁表面原有的微纖絲已經(jīng)消失。這可能是由于磷酸根的引入，切斷或破壞了纖維細(xì)胞壁表層微纖絲的氫鍵結(jié)合，從而使這部分微纖絲不能以網(wǎng)狀形式纏繞于纖維細(xì)胞壁表面。

磷酸酯化對(duì)纖維打漿性能的影響

利用PFI對(duì)纖維素磷酸酯進(jìn)行打漿，并與空白纖維進(jìn)行對(duì)比。

與空白纖維相比，纖維素磷酸酯的打漿性能顯著提升。在相同的打漿轉(zhuǎn)數(shù)下，纖維素磷酸酯打漿度明顯高于空白纖維。

結(jié)論

以棉漿纖維為原料，確定了制備纖維素磷酸酯的最佳條件為:酯化劑用量12%、反應(yīng)溫度120℃, pH值6.0 ,磷酸鹽配比1:1，反應(yīng)時(shí)間1.5h，尿素用量4%，在此條件下所制備的纖維素磷酸酯取代度為0.032，保水值從改性前的92.86%提高到134.12%。

經(jīng)磷酸酯化改性后的纖維表面發(fā)生了明顯的局部塌陷與扭曲，說明酯化處理破壞了保護(hù)纖維細(xì)胞壁S2層的初生壁及次生壁外層S1，顯著改善了棉纖維的打漿性能。