制浆过程木材浸渍研究进展
2012-09-10王永贵周衙欣岳金权
王永贵 周衙欣 岳金权
(东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨,150040)
木材浸渍研究是研究木材在浸渍过程中浸渍液在木材结构中传输的过程,与木材干燥、制浆造纸、木材胶合、木材软化、油漆、染色、阻燃、防腐、增硬等木材改良与利用有密切的关系[1]。在制浆造纸领域,浸渍或蒸煮药液在木片中的传输一直受到广泛的关注,其对化学浆和化机浆制浆过程中的成浆性能、蒸煮时间、磨浆能耗等均具有较大的影响[2-3]。
木材属于非均一三相体系,浸渍液从不同方向向各向异性的木材内部浸渍需要依靠不同的机理来完成,浸渍过程中浸渍液传输机理主要有两种[4-5],一是渗透,即流体在压力梯度作用下沿木材结构中的毛细管系统移动的过程,一般以Darcy定律为理论基础;二是扩散,即在浓度梯度作用下,浸渍液中的溶质离子和水分子等从高浓区向低浓区扩散的自发浓度均匀化过程,一般遵循Fick扩散定律。
1 理论模型
1.1 基于渗透理论的浸渍模型
渗透理论为木材浸渍研究的基本理论,在木材渗透研究中主要以Darcy定律为基本出发点,同时根据木材特性对Darcy定律的形式进行修正。为了将Darcy定律应用于结构复杂的木材浸渍研究中,木材科学工作者提出了一些简化的木材结构模型,并以气体作为主要的渗透流体来研究木材的渗透性能,主要模型有以下几种:
(1)均匀并联毛细管模型[1,6]
作为最简单的流体纵向渗透结构模型,该模型视木材内流体渗透路径由数目众多、大小均匀、互不相通且平行排列的毛细管组成,并假定流体流经管胞腔和导管时,呈黏性稳态流动,符合Poiseuille定律。该模型适于研究部分针叶木和阔叶木散孔材纤维方向的流体渗透。
(2)Sebatian 针叶木模型[1,6-8]
Sebatian等人认为对于针叶材不论气体纵向渗透还是横向渗透,都可看作管胞腔流阻和纹孔膜微孔流阻的串联。若纹孔膜微孔半径足够小,相比之下管胞腔流阻可忽略,则根据Klinkenberg方程描述的渗透系数与平均压力倒数间的线性关系,便可求得木材纹孔的有效半径及其数量密度。该模型用于气体纵向与横向渗透,它开辟了一个通过木材渗透性测量来探索木材内部毛细管结构特性的新方法。
(3)Bramhall木材纵向渗透有效截面衰减模型[9-10]
Bramhall在实验中发现木材气体渗透系数会随着试件长度增加而减少,据此提出了木材纵向渗透有效截面衰减模型。木材内的气体纵向渗透经由许多不连通的通道进行,组成这些通道的细胞中某个可能被堵塞,通道越长堵塞的几率越大,这样就得到了木材中流体渗透截面、渗透系数随长度作指数衰减的公式,即Bramhall衰减公式,见式 (1)。
式中,K0为L→0时的渗透系数,L为试件长度,b为衰减常数。
(4)Petty 模型[1,11-12]
大量实验表明,纵向渗透性和木材试件的平均压力倒数间往往成曲线关系,而非Klinkenberg方程所表达的直线关系。Petty等人认为木材内存在流导值相差悬殊的两大类等效毛细管,如针叶材管胞腔与纹孔膜微孔,阔叶材导管腔与纹孔膜微孔。木材流导就是由许多个这两种毛细管串联通道平行排列所构成,一个通道的流阻如式 (2)所示:
式中,gτ为管胞或导管的流导,gL为纹孔膜微孔的流导,g为两流阻串联的等效流导,木材的渗透系数则为单位渗透截面所有通道等效流导的并联值。这就是常用的Petty模型,该模型可以用来说明木材流体纵向渗透的渗透系数与平均压力倒数间的非线性关系。
(5)Comstock 针叶木模型[1,6,13-14]
Comstock假定针木木纹孔全部位于管胞的径面并集中在两端,所有纹孔膜微孔大小相同;管胞端部均有两个纹孔对将上下左右相邻的管胞连通,一系列平行排列的成串管胞构成木材渗透通道,连接相邻管胞的纹孔对不仅是流体纵向渗透通道,也是流体横向渗透通道,故这一模型适用于针叶材纵向和横向渗透。Comstock根据上述模型,导出了轴向上的渗透系数关系式、横向上的渗透系数关系式及两者的比值关系式。
(6)针叶木纵向气体渗透三维流阻网络模型[15-16]
理论上,每一个针叶木管胞对于渗透气体都具有纵、径、弦向的流阻,气体在针叶木中渗透等效于在针叶木管胞流阻构成的网络中流动。鲍甫成等人利用针叶木管胞气体渗透流阻和管胞在纵、径、弦向的连接特性,建立一个描述针叶木纵向气体渗透的三维流阻网络;并运用重正化变换求解流阻网络的流阻,计算针叶木气体纵向渗透系数。
1.2 基于扩散理论的浸渍模型
木材浸渍过程中,扩散是木材水分饱和后药液进入木材的主要方式,扩散过程中溶液中的离子或其他可溶性物质在浓度梯度下进入木材内部,化学物质在木片中的扩散速率主要取决于扩散系数[17]。木材浸渍扩散研究主要是扩散系数的测定,多年来相关学者进行了大量的研究,提出了多种用于木材浸渍扩散研究的数学模型,其中用于制浆造纸领域的模型主要有以下几种:
(1)Magnus等人[18]将载流子的漂移速率运用到木材碱浸渍稳态扩散研究中,通过Einstein关系式(见式 (3))建立起了由漂移速率测定扩散系数的理论模型。同时,引入了有效扩散长度和有效扩散面积的概念。
式中,D为扩散系数,m2/s;μ为迁移率,m2/(V·s);R为普适气体常量;T为绝对温度,K;z为转移电子数;F为法拉第常数。
(2)Vicente等人[19]认为木材制浆碱浸渍过程中扩散与化学反应均影响浸渍液的传输,由此得出了基于Fick第一定律的木材碱浸渍扩散-反应模型,该模型能够很好地预测不同浸渍温度下木材内部药液浓度,从而预测化学浆制浆终点或高得率浆的浸渍终点。
(3)Zanuttini等人[20]用实验方法确定了浸渍过程中木片厚度方向上碱浓、碱含量、液体含量以及乙酰基含量的变化曲线,并用“收缩核”模型来描述碱浓度和乙酰基含量在木片厚度方向上的变化。
(4)Kazi等人[21]基于实验数据,运用Fick第二定律建立了用于测定木片纵横向液体传输速度的碱浸渍模型。实验结果发现扩散系数随温度成指数增长,符合Arrhenius-type相关关系。
2 研究方法
木材浸渍研究主要是研究一定条件下液体进入木材内部的途径、方式以及液体的进入量等信息,主要分为定性法和定量法。
定性法一般通过切片分析药液的传输途径及方式,主要有染色分析法、放射性示踪法、核磁共振法、图形分析法和电子显微镜法等[2]。同时,放射性示踪法和核磁共振法也可作为定量分析方法,但具有较高的技术要求。
定量法是木材浸渍研究中普遍采用的方法,主要有沉没测试法、液体吸收法、夹持法及木片浸渍连续测量法[2,17]等。目前,制浆造纸领域木材浸渍研究以连续测定法为主,主要有质量连续测定法[4]、体积连续测定法[22]及扩散连续测定法[18-19]3种,具体测定装置示意图见图1~图3。
图1为质量连续测定装置,上部质量感应器是其核心元件,它与浸渍器中心网笼相连。实验时木块置于网笼内,木块质量可通过与质量感应器连接的数据显示器读出,从而连续测量木块浸渍过程的质量变化。该装置结构紧凑、密闭性好、具有多个进气通道,可进行不同浸渍条件下的木材浸渍研究,如加压浸渍、真空浸渍、汽蒸、气体置换等。
图1 质量连续测定装置
图2为体积连续测定装置,用于测定木材浸渍过程中浸渍液进入木材中的体积流量。实验时,先通过中间的加液槽向装置中注入浸渍液,使液位到达木块支架底部,此时左右两边液位相等。然后将木块固定到支架上,使木块与液面接触,浸渍液向木块中传输,右侧刻度管液面下降,下降值可通过连接的压力变送器读出,从而对浸渍过程中木块吸收浸渍液的体积进行连续测量。
图3为扩散连续测定装置,主要用于研究木材浸渍过程中强电解质浸渍液在木材中的扩散速率。该装置用带通孔的隔板将容器分成A、B两室。实验时将木片密封于通孔上,并将浸渍液和去离子水分别盛于A、B两室。在通氮气、搅拌、系统恒温条件下,浸渍液从A室经过木片向B室扩散,通过连续测定B室电导率的变化来表征浸渍液在木材中的扩散速率。
3 影响因素
木材浸渍过程涉及木材、流体及浸渍条件三方面,因此控制和影响木材浸渍程度的因素也由此三方面组成,其中最主要的影响因素是木材本身的性质。
3.1 木材性质
3.1.1 内部结构
木材作为一种具有复杂多孔毛细管结构的天然生物材料,主要由大毛细管系统和微毛细管或超微毛细管系统构成。其中针叶木的管胞腔、树脂道,阔叶木的导管腔、纤维管胞腔、木射线细胞腔等,构成木材的大毛细管系统;纹孔膜和细胞壁上的微纤维或纤丝之间的缝隙,形成微毛细管和超微毛细管系统。木材复杂的毛细管系统构成了木材浸渍过程中流体传输的主要通道,也是木材浸渍的主要影响因素。
鲍甫成等人[23]通过对针叶木浸渍过程理论计算发现,液体在针叶木中的纵、横向流动渗透阻力几乎全由纹孔来控制,对于阔叶木,由于其结构复杂,液体浸渍渗透性除取决于纹孔外,还与导管腔中侵填体和复合穿孔板等有关。因此,木材中的有效纹孔膜微孔大小和数量是影响木材渗透性最主要的结构因素,有效纹孔膜微孔大而多者,渗透性高。
Inalbon等人[24]研究发现,有效毛细管横截面积对木材浸渍的渗透及扩散过程均具有显著影响。此外,鲍甫成等人[25]通过对杉木与马尾松渗透性能的研究发现,每管胞开放纹孔数、纹孔闭塞率、单位面积开放纹孔数、纹孔膜微孔堵塞程度、管胞长度及管胞搭接率等木材微细结构也会显著影响木材的渗透性能。
3.1.2 化学成分
浸渍过程的流体毛细管上升、纤维润胀以及化学反应等都与木材的化学组成有关。因此木材的化学组成对木材浸渍过程同样重要,其中抽出物的影响最为显著。
流体在木材中传输主要有两个途径,其一是纹孔系统;其二是细胞壁毛细管系统,抽出物会对这两个传输通道造成堵塞,影响木材的浸渍。木材抽提物含量高使细胞壁各层及细胞腔内壁沉积包裹的基质和结壳物质增加,降低表面润湿性,堵塞微毛细管系统,对浸渍起到消极的作用[26]。通过对我国东北4种常见木材 (红松、兴安落叶松、白桦、山杨)的研究发现,经过4种方法 (冷水、热水、碱和苯乙醇)的抽提以后木材渗透性均有不同程度的提高,木材渗透性的提高与抽提时间成线性关系[27]。此外,细胞腔中树脂或树胶的含量与分布对浸渍流体传输过程也有较大影响,树脂或树胶含量高,则流通通道易堵塞,渗透性差,这也是富含树脂落叶松渗透性差的主要原因之一[28]。
3.1.3 物理性能
木材含水率、胞腔内空气含量及尺寸等物理性能也会对木材浸渍过程产生影响。一般认为,木材毛细管中的残余空气是浸渍过程流体传输的主要障碍[2]。木材浸渍过程受毛细管作用力的影响,孔隙内的空气压力上升阻碍液体渗透。同时,空气含量较高的木材浸渍过程中会形成较多的气-液界面,产生毛细管张力,阻止毛细管中气体外溢,使浸渍阻力增加[23]。此外,木材水分含量对其浸渍过程也有较大影响。木材含水量低于纤维饱和点时,细胞壁会吸收液体产生一定程度的润胀,增加细胞壁的润湿性能,减少液体流动阻力。王金满等人[29]研究发现,在吸湿范围内木材含水率对木材渗透性的影响成二次函数关系。其中,在径向和弦向渗透性与含水率成负二次曲线关系,在轴向成正二次函数关系。
由于木材结构的各向异性,使得木材不同方向上的渗透速率不同。Stone等人发现[30],木材纵向渗透能力最强,是横向和径向的5~200倍。因此,木材纵向长度是影响浸渍最重要的尺寸因素,纵向长度减少有助于提高液体浸渍效果[31]。另外,木材横向厚度会影响浸渍过程中空气的排出,较小的厚度为空气的扩散排出创造了更短的通道[32]。
3.2 浸渍药液
木材浸渍效果与浸渍液种类、极性、分子大小及构造、黏度和浓度等因素有关。一般来说,液体黏度越低,分子空间体积越小,极性参数与木材越相近,则越有利于浸渍液的传输。浸渍液的黏度和气-液界面表面张力是影响木材内液体传输的主要因素,黏度越低,流体流动过程的黏滞阻力越小;气-液界面的表面张力越小,浸渍过程中由于毛细管凝结而形成的气-液界面阻力越小,渗透越容易。
3.3 浸渍工艺条件
与浸渍工艺条件有关的影响因素主要有温度、压力和浸渍时间等[26]。一般升高温度可降低液体黏度从而加速液体的渗透;施加压力和延长渗透时间均可不同程度提高木材浸渍效果。压力差是液体进入木材的主要动力,因此提高外部压力可以提高液体的浸渍效果;同时,提高压力可以改变毛细管结构,使纹孔膜延伸或膨胀,纹孔膜上的开口增大;压力高有助于木材孔隙内空气的溶解,降低孔隙内空气阻力,从而提高传输速率[30]。
3.4 化学反应
在早期制浆碱浸渍研究中主要将碱浸渍过程看成单纯的Fick扩散过程,即将木材看做是惰性物质,在碱浸渍过程中其化学成分恒定[33-34]。实际上,未处理木材对碱来说并非惰性物质,Kazi等人[35]对云杉浸渍过程的研究发现,单纯依据Fick扩散定律得出的结果与实际并不相符。研究表明,木材碱浸渍过程是一个包括毛细管渗透、扩散及化学反应的综合过程。木材碱浸渍过程中,碱液主要与木材中的葡萄糖醛酸及其酯类、乙酰基等发生反应,同时会造成部分半纤维素的溶出,其中脱乙酰基反应是木片浸渍过程中研究最多的化学反应[36]。
木材半纤维素中含有大量的乙酰基,主要集中在阔叶木的聚木糖及针叶木的聚半乳糖甘露糖中[37]。木材在酸、碱或热处理过程中,半纤维素中的乙酰基会快速脱出,称为脱乙酰基反应。Zanuttini等人[38]对木材碱浸渍脱乙酰基反应研究发现,碱浓和温度对碱浸渍脱乙酰基反应有显著影响。同时,发现在阔叶材碱法高得率制浆中,脱乙酰基反应是造成碱消耗的主要原因[39],也对木材细胞壁结构具有显著影响,例如脱乙酰基作用会明显提高木材纤维细胞壁的可及度[37]。Obataya 等人[40-41]对乙酰化过的日本鱼鳞云杉样品不同溶剂亲和性能的研究发现,在氢键力小的液体 (如苯、甲苯)中,乙酰化的木片样品较未乙酰化的木片样品润胀速度快、润胀程度高;在水、烯乙二醇、乙醇中,乙酰化的木片样品基本不产生润胀。基于以上研究可以发现,脱乙酰基反应对木材碱浸渍过程具有重要影响,从而影响碱法制浆的成浆性能。因此,对以脱乙酰基为主的化学反应的研究对完善碱法制浆过程中碱浸渍理论具有重要意义。
4 改善措施
改善木材浸渍效果必然要从其影响因素入手寻找解决途径,改善途径大致归纳为以下几个方面:①改善木材本身特性,如增加浸渍液传输通道、改善表面性能、改变纹孔结构及排除空气等;②改善流体特性,如减小分子质量、降低黏度等;③改善浸渍工艺,如通过提高温度、改变渗透压力差等方式制造含水率梯度、浓度梯度、温度梯度、压力梯度等,从而改善浸渍过程的渗透及扩散性能。考虑到制浆造纸领域木材浸渍过程浸渍液比较固定,而调整工艺条件属于工艺设计与优化范畴,故本文对这两方面的内容不做介绍,只对木材本身的改性措施进行论述。
4.1 增加传输通道
增加浸渍液传输通道是指通过物理、化学及生物等手段改善木材毛细管结构或使木材产生变形、裂纹等以增加额外的传输通道,提高木材浸渍效果。常见的有机械挤压法、汽蒸爆破法、微生物法等。
机械挤压法分为静态挤压和动态挤压。Law等人[42]通过对静态挤压处理后的白桦进行TMP制浆研究表明,挤压作用容易使纤维细胞壁在P-S1或S1-S2处分层,有利于木片吸收药液。Ikuho Iida等人[43-44]发现压榨后在相同时间内木材吸液量可提高7~25倍。电镜分析发现压榨过程对木材纹孔结构有较大影响,如纹孔膜破裂、脱落等。动态挤压是指木材的连续压榨过程,其中用于制浆造纸领域的主要是螺旋挤压[30]。螺旋挤压过程中,在加压区木片体积减小,离开时木片尺寸回弹产生抽吸力,使得药液渗透增加并且药液浸渍更加均匀。
汽蒸爆破法是利用高温蒸汽软化木材,进而通过瞬时降压局部破损木材最薄弱的纹孔膜及薄壁组织从而改善木材浸渍效果的方法。汽蒸爆破后,许多纹孔膜部位选择性破坏,纤维细胞壁急剧膨胀,细胞腔增大,细胞壁膨松;当爆破强度较大时会发生胞间层分离,次生壁内外层部分剥离等现象[45]。
微生物法是利用微生物对木材薄壁组织及纹孔膜进行轻度侵蚀,增加流体传输通道以提高木材浸渍效果的方法。微生物侵蚀一般可分为细菌处理、真菌处理和酶处理3种[46]。大量研究表明,微生物处理能够破坏纹孔膜、纹孔塞及薄壁组织等,同时还会去除一部分抽出物。
4.2 排除空气
木材毛细管中残留气体是浸渍过程中流体传输的主要阻力[2],浸渍前对其适当去除能够显著提高木材浸渍效果。目前,排除空气的方法主要有汽蒸法、抽真空法及气体置换法。
汽蒸法是一种最常用且有效的通过排除空气来改善木片浸渍的方法。汽蒸排除木材内部空气的途径主要有3方面:①蒸汽加热作用使得木材空隙中的空气受热膨胀而排出;②汽蒸使得木材内部水蒸气分压提高排除空气;③水蒸气的穿透能力很强,可直接驱赶木材中的空气。其中汽蒸导致的水蒸气压力提高是排除空气的主要原因[47]。此外,汽蒸还具有降低抽出物含量、导致部分纹孔膜和纹孔塞破裂等作用[48]。
抽真空法是指通过抽真空排除木材内空气,形成木材内外压力差,借此将液体注入木材内的一种改善木材浸渍的方法。抽真空排除空气的效率主要取决于所用的真空度,由于受到木材水分及毛细管特性的影响,木材内的空气很难彻底排出,但在适当真空度条件下可以排除木材中大部分气体。目前,制浆造纸领域已经有利用真空浸渍来改善制浆性能的相关报道,如真空-压力浸渍蒸煮制浆工艺[49-50]。
气体置换法是指用可凝或可溶气体置换木材中的空气以改善木材浸渍的方法。浸渍前可凝气体首先进入木材孔隙中驱赶空气,当木材开始浸渍时孔隙内的可凝气体会溶解在液体中,从而产生负压,将浸渍液吸入。气体置换法可操作性较差,目前其研究仅仅停留在实验室阶段。
4.3 改善表面性能
木材毛细管表面特性对木材的浸渍过程具有重要影响。木材表面改性就是通过物理、化学等手段对木材表面进行改性以提高其浸渍效果。目前,添加表面活性剂是木材浸渍过程表面改性的主要手段。
表面活性剂是指具有固定的亲水亲油基团,在溶液的表面能定向排列,并能使表面张力显著下降的物质。木材浸渍过程加入表面活性剂能够对木材空隙及液体表面进行改性,降低木材表面的接触角并提高润湿性,从而改善浸渍效果。然而,由于表面活性剂的种类、浸渍液以及木材表面性能的差异性,增加了通过添加表面活性剂改善木材浸渍的不确定性,因此表面活性剂的应用要综合考虑表面活性剂本身、浸渍液及木材等多种因素。
5 结语
木材浸渍过程是一个包含流体渗透、分子扩散及化学反应的综合流体传输过程。目前,基于渗透理论及扩散理论的浸渍模型均存在基础理论运用单一的问题,无法对浸渍过程各种流体传输形式进行全面表征,从而制约了木材浸渍的相关研究。此外,研究方法及设备的不完善也是木材浸渍研究的主要制约因素。就木材浸渍连续测定方法来说,目前的测定装置均为研究者自制设备,缺乏一定的标准及规范。因此在今后木材浸渍研究中应合理选择理论模型并注重多种理论模型及分析手段的综合应用,同时不断完善木材浸渍的研究方法,使其向标准化、规范化发展。
木材浸渍影响因素的研究是木材浸渍研究的重点,国内外相关学者对其做了大量的工作,也取得了一定成果。但由于浸渍过程影响因素众多,各因素之间又相互作用,增加了研究难度,目前对一些影响因素的影响机制仍未形成一致的结论。今后,应进一步借助 SEM-EDX、TEM、FTIR、NRM、CT等先进手段,深入分析木材的主要流体传输通道,以更精准地确定浸渍过程的主要影响因素及影响机理。
机械挤压及汽蒸法是目前制浆造纸领域工业化应用较成熟的木材浸渍改善措施,汽蒸爆破法和抽真空法也有小规模的应用,而其余大部分的改善方法仍处于实验室研究阶段,工业化应用较少。因此,应加大木材浸渍改善措施的工业化应用研究,并注重不同改善措施的综合运用,更好地改善木材浸渍效果,提高成浆性能。
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