蒸汽闪爆技术的由来首先是用于蒸汽闪爆制浆,它最初是用于植物纤维的高效分离,即用于制浆过程,由Mason于1927年首先提出来,并取得专利[120]。此后蒸汽闪爆制浆吸引了许多研究者的注意力。美国、加拿大、新西兰、法国、中国等国的研究人员进行了蒸汽闪爆制浆的进一步研究,并研究出蒸汽闪爆高得率制浆新方法,应用于针叶木、阔叶木、非木材纤维的制浆研究中。
蒸汽闪爆技术应用于纯纤维素—碱溶性纤维素制备,由日本Kamide[121]等于1984年,首先于特定的条件下,从纤维素的铜铵溶液中获得具有明显的纤维素非晶态结构的再生纤维素(纤维素Ⅱ)样品,该样品在4℃时能完全溶解于8%~10%(质量分数)NaOH水溶液中构成稳定的溶液。研究还发现,对纤维素的溶解度起重要和决定作用的是纤维二糖环的分子内氢键断裂的程度,即纤维素在NaOH水溶液中的溶解度不但取决于它的结晶度,而且取决于纤维素分子链上的分子内氢键。这里的分子内氢键主要是指在第三位碳原子的羟基与相邻的葡萄糖苷环的氧原子之间产生的键(O3·H…O′5)。基于以上认识,20世纪90年代初,Kamide及其同事将蒸汽闪爆技术应用于纯纤维素,以提高纤维素分子间和分子内氢键的断裂程度,从而制取了能在NaOH水溶液中以分子形式溶解的碱溶性纤维素(纤维素I)。蒸汽闪爆处理纯纤维素的原理是:纤维素先受到水的膨润并被水浸入深处,再在密闭的容器里高温加热,高温水蒸气对纤维素产生复合物理作用。水蒸气在2.9MPa的压力下通过浆粕纤维孔隙,渗入微纤束内。在渗透过程中,水蒸气发生快速膨胀,然后剧烈地排入大气中去,从而导致了纤维素超分子结构的破坏,使吡喃葡萄糖C3与C6位置上分子间氢键断裂比率增加。在处理中,纤维素分子受到内力与外力的双重作用。内力是由水分子急剧蒸发,产生所谓的闪蒸效应所导致的;外力主要是分子间的撞击和摩擦作用。在蒸汽闪爆处理中,纤维素超分子形态的变化程度取决于纤维素原料的孔隙度。而且,浆粕纤维素在高压蒸汽作用下产生的解聚,在动力学机理上与常见的纤维素酸解过程相似。因此,经过蒸汽闪爆处理后,可获得能完全溶解于NaOH的碱溶性纤维素。碱溶性纤维素(含水8%~12%)溶解于9.1%(质量分数)NaOH水溶液中,4℃条件下间歇搅拌保持8h。然后脱除杂质及气泡,送入湿法纺丝机进行纺丝。第一凝固浴槽长80cm,凝固剂采用20%(质量分数)H2SO4,凝固浴温度5℃;第二凝固浴槽长50cm,用20℃的水洗,水洗槽长100cm。沸水浴槽长50cm。纤维通过上油辊后进入四辊加热器(第一辊180℃,第二辊130℃,第三辊120℃,第四辊30℃),最后卷取得到新纤维素纤维。
蒸汽闪爆作为一项新技术,除了应用于碱溶性纤维素的制备外,在纤维素的衍生化和功能化的研究领域作为预处理活化手段的研究并不多见。相信随着研究的深入,蒸汽闪爆技术的优点将为更多的研究者所认识,在纤维素领域将得到更加广泛的应用。(www.xing528.com)
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