一种基于微波辅助低共熔溶剂提高溶解浆品质的方法

1.本发明属于造纸工业技术领域，具体涉及一种基于微波辅助低共熔溶剂提高溶解浆品质的方法。


背景技术：

2.溶解浆是一种高纯度的纤维素制品，其α-纤维素含量高达90％以上，目前主要被用于生产粘胶纤维和其他纤维素功能材料。粘胶纤维作为溶解浆的主导产品，对溶解浆品质，尤其是浆料黏度和反应性能具有一定要求，如适宜的浆料黏度(300-500ml/g)和较高的反应性能(fock反应性能高于50％)，以达到经济、环保、高效的生产要求。溶解浆的高黏度和低反应性能将导致溶解浆在粘胶生产过程中碱化与黄化不完全，易堵塞喷头，影响粘胶纤维再生过程及产品质量。尽管可通过增加化学药品(氢氧化钠和二硫化碳)用量以达到纤维素完全溶解，但二硫化碳是一种毒性试剂，其用量的增加不仅给增加了生产成本，也给生产环境带来压力。因此，采用一定的预处理或后处理手段提高溶解浆品质势在必行。
3.通常可采用硫酸等无机酸液处理提高溶解浆的反应性能。该方法通常耗时较长、反应温度较高。一方面，无机酸自身对溶解浆的活化效率有限；另一方面，通常与无机酸反应匹配的加热方式为传统水浴加热，该方式热量损耗大，加热相对缓慢，效率较低。同时，无机酸处理伴随着处理后废液回收困难的缺点。
4.低共熔溶剂是由氢键供体和氢键受体按照一定比例，采用简单的物理共混合成，具有易于制备、价格低廉、环境友好、生物相容性好、结构可设计性及可循环利用等独特优势。酸性低共熔溶剂在纤维素大分子链解聚、纤维形貌破坏及纤维结构润胀方面具有优势，但由于低共熔溶剂黏度相对较高、在致密的纤维结构中传质相对缓慢、导致处理时间相对较长、处理效率有待进一步提高。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于微波辅助低共熔溶剂提高溶解浆品质的方法，用以解决传统加热法中溶剂传质与反应相对缓慢、效率不高等问题的技术问题。
6.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.本发明公开了一种基于微波辅助低共熔溶剂提高溶解浆品质的方法，包括以下步骤：
8.将溶解浆浆板制成溶解浆浆料，随后将溶解浆浆料和低共熔溶剂混合后，置于微波消解反应器中进行反应，得到协同处理后的浆料；将协同处理后的浆料进行过滤、洗涤、风干后，得到经过微波/低共熔溶剂处理的溶解浆；
9.其中，所述在微波消解反应器中进行反应的反应温度为40～70℃，反应时间为30～300s。
10.进一步地，所述溶解浆浆板制成溶解浆浆料的方法为：将溶解浆浆板撕成碎片浸
泡于去离子水中，用疏解机打散，然后浓缩至溶解浆浆料的浓度为20％～25％；
11.所述溶解浆为木材溶解浆或非木材溶解浆；所述木材溶解浆包括预水解硫酸盐、冷碱抽提法制备的针叶木或阔叶木溶解浆，非木材溶解浆包括预水解硫酸盐、冷碱抽提法制备竹、蔗渣或稻麦草溶解浆。
12.进一步地，所述溶解浆的粘度为600～800ml/g，溶解浆的fock反应性能为20％-50％；所述浓缩的方式为采用目数小于等于200目的尼龙浆袋进行挤压浓缩。
13.进一步地，所述低共熔溶剂的制备方法为：将氢键受体和氢键供体混合，随后在50-80℃下搅拌直至形成透明澄清的液体；所述氢键受体为氯化胆碱；所述氢键供体为草酸、乳酸、甲酸或乙酸。
14.进一步地，当所述氢键供体为草酸、甲酸或乙酸时，所述氢键受体和氢键供体的摩尔比为(1：1)～(1：3)。
15.进一步地，当氢键供体为乳酸时，所述氢键受体和氢键供体的摩尔比为(1:5)～(1：10)。
16.进一步地，所述微波消解反应器为微波消解仪；所述微波消解仪进行加热时的最大功率为200～500w；所述溶解浆浆料和低共熔溶剂占微波消解仪中的反应釜总容积的1/2～3/5。
17.进一步地，得到将协同处理后的浆料进行过滤后得到反应后的低共熔溶剂，将反应后的低共熔溶剂采用旋转蒸发法进行浓缩净化，净化后重复再利用。
18.进一步地，将协同处理后的浆料进行过滤、洗涤后，得到洗涤液，将洗涤液采用旋转蒸发法进行浓缩净化，净化后重复再利用。
19.进一步地，所述溶解浆浆料和低共熔溶剂的固液质量比为(1:5)～(1:15)。
20.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
21.本发明公开了一种基于微波辅助低共熔溶剂提高溶解浆品质的方法，采用微波辅助低共熔溶剂提高溶解浆品质，可以在30～300s内即可实现溶解浆的快速降黏和反应性能提升，克服了传统加热方式中低共熔溶剂传质和反应缓慢、效率不高等问题。快速高效的处理效果主要基于低共熔溶剂对微波辐射的敏感响应性，通过促进低共熔溶剂的极化与共振作用(离子特性与分子极性)，强化了溶剂在纤维之间及内部的摩擦剪切作用，促进了低共熔溶剂的传质与反应，有利于提升溶解浆黏度控制和反应性能，从而起到降低预处理温度和反应时间的效果。该方法具有操作简单、瞬时高效、绿色低碳、成本低廉且可循环利用的特点。
具体实施方式
22.为使本领域技术人员可了解本发明的特点及效果，以下谨就说明书及权利要求书中提及的术语及用语进行一般性的说明及定义。除非另有指明，否则文中使用的所有技术及科学上的字词，均为本领域技术人员对于本发明所了解的通常意义，当有冲突情形时，应以本说明书的定义为准。
23.本文描述和公开的理论或机制，无论是对或错，均不应以任何方式限制本发明的范围，即本发明内容可以在不为任何特定的理论或机制所限制的情况下实施。
24.本文中，所有以数值范围或百分比范围形式界定的特征如数值、数量、含量与浓度
仅是为了简洁及方便。据此，数值范围或百分比范围的描述应视为已涵盖且具体公开所有可能的次级范围及范围内的个别数值(包括整数与分数)。
25.本文中，若无特别说明，“包含”、“包括”、“含有”、“具有”或类似用语涵盖了“由
……
组成”和“主要由
……
组成”的意思，例如“a包含a”涵盖了“a包含a和其他”和“a仅包含a”的意思。
26.本文中，为使描述简洁，未对各个实施方案或实施例中的各个技术特征的所有可能的组合都进行描述。因此，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，各个实施方案或实施例中的各个技术特征可以进行任意的组合，所有可能的组合都应当认为是本说明书记载的范围。
27.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
28.下列实施例中使用本领域常规的仪器设备。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。下列实施例中使用各种原料，除非另作说明，都使用常规市售产品，其规格为本领域常规规格。在本发明的说明书以及下述实施例中，如没有特别说明，“％”都表示重量百分比，“份”都表示重量份，比例都表示重量比。
29.实施例1
30.一种基于微波辅助低共熔溶剂提高溶解浆品质的方法，包括以下步骤：
31.将冷碱抽提的竹溶解浆浆板撕成碎片浸泡于去离子水中，用疏解机将纤维充分打散，用200目的尼龙浆袋挤压浓缩至溶解浆浆料质量浓度为23％，将溶解浆浆料分散成小于5mm
×
5mm的浆块保存在聚乙烯自封袋中平衡水分备用；
32.将氯化胆碱与草酸按照1:1的摩尔比在50℃下不断搅拌加热，直至形成透明澄清的液体，得到低共熔溶剂；
33.将2g溶解浆浆料和20g低共熔溶剂以1:10的固液质量比混合后，置于微波消解仪的反应釜中反应60s，得到协同处理后的浆料，将协同处理后的浆料采用滤网进行过滤、随后洗涤至中性、浓缩并分散成小于5mm
×
5mm的浆块，在恒温恒湿的条件下风干到质量浓度为95％，得到经过微波/低共熔溶剂处理的溶解浆；
34.其中微波消解仪的目标温度设为50℃，反应釜中的溶解浆浆料与低共熔溶剂的体积占反应釜总容积的1/2-3/5，确保温度传感插头的传感部位完全浸没在液体中微波消解仪，微波消解仪的最大加热功率设置为200w。
35.另外，将协同处理后的浆料采用滤网先后进行过滤和洗涤后分别得到高浓度低共熔溶剂和低浓度低共熔溶剂，将高浓度低共熔溶剂和低浓度低共熔溶剂分别采用旋转蒸发法进行浓缩净化后混合重复再利用。
36.表1为实施例1制备得到的经过微波/低共熔溶剂处理的溶解浆与其他溶解浆浆料的性能对比数据：
37.表1不同溶解浆浆料的性能对比(实施例1)
[0038][0039]
实施例2
[0040]
一种基于微波辅助低共熔溶剂提高溶解浆品质的方法，包括以下步骤：
[0041]
将预水解硫酸盐法制备的阔叶木溶解浆浆板撕成碎片浸泡于去离子水中，用疏解机将纤维充分打散，用200目的尼龙浆袋挤压浓缩至溶解浆浆料质量浓度为22％，将溶解浆浆料分散成小于5mm
×
5mm的浆块保存在聚乙烯自封袋中平衡水分备用；
[0042]
将氯化胆碱与乙酸按照1:2的摩尔比在60℃下不断搅拌加热，直至形成透明澄清的液体，得到低共熔溶剂；
[0043]
将2g溶解浆浆料和30g低共熔溶剂以1:15的固液质量比混合后，置于微波消解仪的反应釜中反应80s，得到协同处理后的浆料，将协同处理后的浆料采用滤网进行过滤、随后洗涤至中性、浓缩并分散成小于5mm
×
5mm的浆块，在恒温恒湿的条件下风干到质量浓度为93％，得到经过微波/低共熔溶剂处理的溶解浆；
[0044]
其中微波消解仪的目标温度设为70℃，反应釜中的溶解浆浆料与低共熔溶剂的体积占反应釜总容积的1/2-3/5，确保温度传感插头的传感部位完全浸没在液体中微波消解仪，微波消解仪的最大加热功率设置为400w。
[0045]
表2为实施例2制备得到的经过微波/低共熔溶剂处理的溶解浆与其他溶解浆浆料的性能对比数据：
[0046]
表2不同溶解浆浆料的性能对比(实施例2)
[0047][0048]
实施例3
[0049]
一种基于微波辅助低共熔溶剂提高溶解浆品质的方法，包括以下步骤：
[0050]
将预水解硫酸盐法制备的针叶木溶解浆浆板撕成碎片浸泡于去离子水中，用疏解机将纤维充分打散，用200目的尼龙浆袋挤压浓缩至溶解浆浆料质量浓度为22％，将溶解浆浆料分散成小于5mm
×
5mm的浆块保存在聚乙烯自封袋中平衡水分备用；
[0051]
将氯化胆碱与甲酸按照1:3的摩尔比在70℃下不断搅拌加热，直至形成透明澄清的液体，得到低共熔溶剂；
[0052]
将2g溶解浆浆料和30g低共熔溶剂以1:15的固液质量比混合后，置于微波消解仪的反应釜中反应200s，得到协同处理后的浆料，将协同处理后的浆料采用滤网进行过滤、随
后进行洗涤至中性、浓缩并分散成小于5mm
×
5mm的浆块，在恒温恒湿的条件下风干到质量浓度为93％，得到经过微波/低共熔溶剂处理的溶解浆；
[0053]
其中微波消解仪的目标温度设为50℃，反应釜中的溶解浆浆料与低共熔溶剂的体积占反应釜总容积的1/2-3/5，确保温度传感插头的传感部位完全浸没在液体中微波消解仪，微波消解仪的最大加热功率设置为300w。
[0054]
表3为实施例3制备得到的经过微波/低共熔溶剂处理的溶解浆与其他溶解浆浆料的性能对比数据：
[0055]
表3不同溶解浆浆料的性能对比(实施例3)
[0056][0057]
实施例4
[0058]
一种基于微波辅助低共熔溶剂提高溶解浆品质的方法，包括以下步骤：
[0059]
将冷碱抽提法制备的麦草溶解浆浆板撕成碎片浸泡于去离子水中，用疏解机将纤维充分打散，用200目的尼龙浆袋挤压浓缩至溶解浆浆料质量浓度为23％，将溶解浆浆料分散成小于5mm
×
5mm的浆块保存在聚乙烯自封袋中平衡水分备用；
[0060]
将氯化胆碱与乳酸按照1:8的摩尔比在50℃下不断搅拌加热，直至形成透明澄清的液体，得到低共熔溶剂；
[0061]
将2g溶解浆浆料和20g低共熔溶剂以1:15的固液质量比混合后，置于微波消解仪的反应釜中反应90s，得到协同处理后的浆料，将协同处理后的浆料采用滤网进行过滤、随后洗涤至中性、浓缩并分散成小于5mm
×
5mm的浆块，在恒温恒湿的条件下风干到质量浓度为93％，得到经过微波/低共熔溶剂处理的溶解浆；
[0062]
其中微波消解仪的目标温度设为60℃，反应釜中的溶解浆浆料与低共熔溶剂的体积占反应釜总容积的1/2-3/5，确保温度传感插头的传感部位完全浸没在液体中微波消解仪，微波消解仪的最大加热功率设置为300w。
[0063]
表4为实施例4制备得到的经过微波/低共熔溶剂处理的溶解浆与其他溶解浆浆料的性能对比数据：
[0064]
表4不同溶解浆浆料的性能对比(实施例4)
[0065][0066]
实施例5
[0067]
一种基于微波辅助低共熔溶剂提高溶解浆品质的方法，包括以下步骤：
[0068]
将冷碱抽提法制备的阔叶木溶解浆浆板撕成碎片浸泡于去离子水中，用疏解机将纤维充分打散，用200目的尼龙浆袋挤压浓缩至溶解浆浆料质量浓度为23％，将溶解浆浆料分散成小于5mm
×
5mm的浆块保存在聚乙烯自封袋中平衡水分备用；
[0069]
将氯化胆碱与乳酸按照1:10的摩尔比在60℃下不断搅拌加热，直至形成透明澄清的液体，得到低共熔溶剂；
[0070]
将3g溶解浆浆料和15g低共熔溶剂以1:5的固液质量比混合后，置于微波消解仪的反应釜中反应300s，得到协同处理后的浆料，将协同处理后的浆料采用滤网进行过滤、随后洗涤至中性、浓缩并分散成小于5mm
×
5mm的浆块，在恒温恒湿的条件下风干到质量浓度为93％，得到经过微波/低共熔溶剂处理的溶解浆；
[0071]
其中微波消解仪的目标温度设为50℃，反应釜中的溶解浆浆料与低共熔溶剂的体积占反应釜总容积的1/2-3/5，确保温度传感插头的传感部位完全浸没在液体中微波消解仪，微波消解仪的最大加热功率设置为200w。
[0072]
表5为实施例5制备得到的经过微波/低共熔溶剂处理的溶解浆与其他溶解浆浆料的性能对比数据：
[0073]
表5不同溶解浆浆料的性能对比(实施例5)
[0074][0075]
实施例6
[0076]
一种基于微波辅助低共熔溶剂提高溶解浆品质的方法，包括以下步骤：
[0077]
将稻麦草溶解浆浆板撕成碎片浸泡于去离子水中，用疏解机将纤维充分打散，用200目的尼龙浆袋挤压浓缩至溶解浆浆料质量浓度为20％，将溶解浆浆料分散成小于5mm
×
5mm的浆块保存在聚乙烯自封袋中平衡水分备用；
[0078]
将氯化胆碱与乳酸按照1:5的摩尔比在60℃下不断搅拌加热，直至形成透明澄清的液体，得到低共熔溶剂；
[0079]
将3g溶解浆浆料和15g低共熔溶剂以1:5的固液质量比混合后，置于微波消解仪的反应釜中反应30s，得到协同处理后的浆料，将协同处理后的浆料采用滤网进行过滤、随后洗涤至中性、浓缩并分散成小于5mm
×
5mm的浆块，在恒温恒湿的条件下风干到质量浓度为93％，得到经过微波/低共熔溶剂处理的溶解浆；
[0080]
其中微波消解仪的目标温度设为40℃，反应釜中的溶解浆浆料与低共熔溶剂的体积占反应釜总容积的1/2-3/5，确保温度传感插头的传感部位完全浸没在液体中微波消解仪，微波消解仪的最大加热功率设置为500w。
[0081]
具体地，在本发明其他具体实施例中，将竹材、麦草替换成其他棉，麻，芦苇，禾草等可以用来制备溶解浆的非木材原料，也可实现溶解浆反应性能的提升。
[0082]
从表1～表5可以看出，相同的处理条件下，单独微波处理或单独低共熔溶剂水浴
处理溶解浆纤维作用效果并不明显；微波协同低共熔溶剂在较低温度(40-70℃)和较短时间(30-300s)内即可通过高效的链剪切以及剧烈的形貌破坏使溶解浆的黏度和反应性能达到预期水平，充分验证了微波与低共熔溶剂的高度适配性，通过低共熔溶剂对微波能量的最大响应性促进了低共熔溶剂分子的旋转，共振和解离，加速了其在纤维内部的渗透与摩擦，从而达到瞬时高效的实验效果。
[0083]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。