一種定量測量細菌纖維素在紙張抄造過程中留著率的方法與流程
2023-05-19 23:52:11
本發明涉及留著率的測量領域，具體涉及一種定量測量細菌纖維素在紙張抄造過程中留著率的方法。
背景技術：
二次纖維及非木材纖維原料在我國造紙工業中佔有非常大的比重。然而，大部分二次纖維及非木材纖維基紙張物理性能略低，不能適應現代工業對高性能紙基複合材料的需求，因而研發高效紙張增強劑具有重要意義；同時我國對功能性紙基製品的需求也越來越大。
細菌纖維素是一種新興的生物材料，由微生物分泌合成，具有極高的纖維素純度及結晶度、精細的微觀網狀結構，與植物纖維複合成紙能有效提高紙張的物理強度。此外，藉助於細菌纖維素與植物纖維較強地結合能力，通過對細菌纖維素的化學改性，提升其功能化特性，並賦予紙張特殊功能，也具有理想效果。
為提高細菌纖維素與植物纖維的結合效果，經機械分散後的細菌纖維素尺寸一般較小，極有可能在抄紙過程中隨著水分流走，因而研究留著率對製備細菌纖維素基造紙助劑具有重要意義。然而由於細菌纖維素與植物纖維素的化學結構相同，準確地定量檢測細菌纖維素在紙張中的留著率還鮮有報導。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種定量測量細菌纖維素在紙張抄造過程中留著率的方法，達到對細菌纖維素的高效利用。
為達上述目的，本發明採取的技術方案如下。
一種定量測量細菌纖維素在紙張抄造過程中留著率的方法，步驟如下：
(1)將細菌纖維素溼膜切割成小塊，加入水中，使用組織搗碎機分離成小碎塊，以靜置一段時間後仍不懸浮在水中為準。使用質量分數為3～6％的氫氧化鈉溶液對細菌纖維素進行潤脹，在常溫下使用磁力攪拌器攪拌氫氧化鈉-細菌纖維素混合液，體系中的細菌纖維素的固含量為0.07～0.23％；
(2)在步驟(1)得到的細菌纖維素-氫氧化鈉液中，加入季銨鹽溶液，使其與細菌纖維素中的葡萄糖單體的的摩爾比為1:1～5:1，在磁力攪拌器加熱至40～60℃的條件下，攪拌反應2～6小時；
(3)將步驟(2)獲得的固液混合體系使用離心機進行固液分離，並使用弱酸洗滌過量的季銨鹽試劑和氫氧化鈉，直到分離出的液體部分達到中性；
(4)將步驟(3)獲得的帶氮元素標記的陽離子化細菌纖維素使用組織搗碎機分離直到成為均勻絮狀，並在玻璃表面皿上乾燥成膜，取重量為mbc的樣品使用元素分析儀分析或者X射線光電子能譜儀分析，測量其氮元素質量分數Nbc；
(5)將步驟(3)中獲得的陽離子化細菌纖維素使用組織搗碎機分離，並以乾重百分含量0.5～10％與植物纖維漿料共混，使用漿料疏解機將纖維與細菌纖維素分散並混合均勻，在造紙設備上抄造紙張；
(6)將步驟(5)中抄造的紙張乾燥後，取重量為mp靠近紙張中心沒有瑕疵的樣品，使用元素分析儀，測量氮元素質量分數Np；
(7)通過結合步驟(4)中計算的陽離子化細菌纖維素中氮元素的質量分數以及步驟(6)中計算的紙張中氮元素的質量分數，計算細菌纖維素在紙張抄造過程中的留著率，計算公式如下：
其中，R為留著率％，mp為紙張的重量，mbc為陽離子化細菌纖維素的重量，Np為紙張中氮元素的質量分數，Nbc為陽離子化細菌纖維素中的氮元素的質量分數。
進一步地，所述季銨鹽試劑指含銨基、氯代基或環氧基的陽離子單體。
更進一步地，所述季銨鹽試劑為3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨、2,3-環氧丙基三甲基氯化銨、2,3-環氧丙基三乙基氯化銨和二甲基二苄基氯化銨中的一種以上。
進一步地，步驟(1)所述的細菌纖維素是細菌微生物在不同培養條件下分泌合成的纖維素，英文名Bacterial Cellulose(簡稱BC)，該細菌纖維素作為造紙助劑。
更進一步地，所述培養條件為靜態或動態發酵培養條件。
更進一步地，所述細菌微生物為葡萄糖醋桿菌屬(Gluconacetobacter)、醋酸菌屬(Acetobacter)、土壤桿菌屬(Agrobacterium)、假單胞桿菌屬(Pseudomonas)、無色桿菌屬(Achrombacter)、產鹼桿菌屬(Alcaligenes)、氣桿菌屬(Aerobacter)、固氮菌屬(Azotobacter)、根瘤菌屬(Rhizabium)和八疊球菌屬(Sarcina)中的一種及以上。
優選的，所述細菌微生物為葡萄糖醋桿菌屬(Gluconacetobacter)中的Gluconacetobacter europaeus,Gluconacetobacter intermedius,Gluconacetobacter hansenii和Gluconacetobacter xylinus中的一種以上。
進一步地，步驟(1)所述攪拌的時間為30min。
進一步地，步驟(3)所述離心機的速率為5000rpm。
進一步地，步驟(5)所述植物纖維漿料為木材纖維、非木材植物纖維或二次纖維通過機械或化學製漿法製備的纖維漿料。
進一步地，所述的元素分析儀還可包括其它能對材料的元素含量進行定量分析的設備。
更進一步地，所述的設備為X射線光電子能譜儀。
進一步地，步驟(5)所述陽離子化細菌纖維素以乾重百分含量1～10％與植物纖維漿料共混。
進一步地，步驟(4)、步驟(5)所述分離的時間為2分鐘。
與現有技術相比，本發明具有如下優點：元素分析儀對氮元素的測量靈敏度及準確率高，因而本發明提供的細菌纖維素作為造紙助劑在抄紙過程中在紙張中留著率的定量檢測方法可以達到對留著率的準確測定。
附圖說明
圖1是本發明一種定量測量細菌纖維素在紙張抄造過程中留著率方法的流程示意圖。
具體實施方式
以下通過實施例對本發明作進一步詳細描述，但本發明的實施不限於此。
實施例中的細菌纖維素由葡萄糖醋桿菌(Glucoacetobacter xylinus)分泌而成。細菌培養基的成分主要為：發酵椰子水50mL，硫酸銨0.1g，硫酸鎂0.1g，磷酸二氫鉀0.1g，蔗糖3.0g，蒸餾水50mL，用NaOH調節pH值至4.1，100℃滅菌5min。靜態發酵培養方法：將培養基置於250mL燒杯中，接種5％(V/V)葡萄糖醋桿菌在溫度為30℃下靜置培養6天。動態發酵培養方法為，在培養基中接種5％(V/V)葡萄糖醋桿菌，置於機械攪拌式發酵罐中培養6天，發酵條件為溫度30℃、通氣量1.8L空氣/min/L、以及攪拌轉速為200r/min。獲得的細菌纖維素固含量約為1.5％。
實施例中留著率的計算公式如下：
其中，R為留著率％，mp為紙張的重量，mbc為陽離子化細菌纖維素的重量，Np為紙張中氮元素的質量分數，Nbc為陽離子化細菌纖維素中的氮元素的質量分數。
實施例1
將採用動態發酵培養方式培養的葡萄糖醋桿菌(Glucoacetobacter xylinus)分泌的細菌纖維素溼膜30g切割成小塊，加入100mL水中，使用組織搗碎機分離成小碎塊，以靜置一段時間後仍不懸浮在水中為準，再加入質量分數為6％的氫氧化鈉溶液100mL，使體系的細菌纖維素的固含量達到0.23％，在常溫下使用磁力攪拌器攪拌體系30min；加入3.58mL 3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨65wt％水溶液，使其與細菌纖維素中的葡萄糖單體的摩爾比為5:1，在磁力攪拌器加熱至40℃的條件下，攪拌反應6小時；將體系使用離心機在5000rpm的條件下進行固液分離，並加入200mL 0.005M的鹽酸溶液清洗陽離子化細菌纖維素多次直到離心分離出的液體部分達到中性；將帶氮元素標記的陽離子化細菌纖維素使用組織搗碎機分離2分鐘直到成為均勻絮狀，並置於玻璃表面皿上乾燥成膜，取陽離子化細菌纖維素樣品5mg使用元素分析儀進行分析，測量氮元素的質量分數Nbc；將製備的陽離子化細菌纖維素以乾重百分比10％與蔗渣纖維漿料(打漿度240mL)共混，使用勻漿機將纖維與細菌纖維素在10000轉/min條件下分離並混合均勻，在紙業手抄機上抄造紙張，控制紙張乾重定量為1.4g/m2。乾燥後，取靠近紙張中心沒有瑕疵的紙張樣品5mg，使用元素分析儀，測量氮元素質量分數Np。使用元素分析儀，測得陽離子化細菌纖維素以及複合紙張的氮元素質量分數分別為0.92％和0.039％，最終計算出細菌纖維素留著率為38.0％。
實施例2
將採用動態發酵培養方式培養的葡萄糖醋桿菌(Glucoacetobacter xylinus)分泌的細菌纖維素溼膜20g切割成小塊，加入100mL水中，使用組織搗碎機分離成小碎塊，以靜置一段時間後仍不懸浮在水中為準，再加入質量分數為4.5％的氫氧化鈉溶液100mL，使體系的細菌纖維素的固含量達到0.15％，在常溫下使用磁力攪拌器攪拌體系30min；加入0.48mL 3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨65wt％水溶液，使其與細菌纖維素中的葡萄糖單體的摩爾比為1:1，在磁力攪拌器加熱至60℃的條件下，攪拌反應2小時；將體系使用離心機在5000rpm的條件下進行固液分離，並加入200mL 0.005M的鹽酸溶液清洗陽離子化細菌纖維素多次直到離心分離出的液體部分達到中性；將帶氮元素標記的陽離子化細菌纖維素使用組織搗碎機分離2分鐘直到成為均勻絮狀，並置於玻璃表面皿上乾燥成膜，取陽離子化細菌纖維素樣品5mg使用元素分析儀進行分析，測量氮元素的質量分數Nbc；將製備的陽離子化細菌纖維素以乾重百分比10％與蔗渣纖維漿料(打漿度240mL)共混，使用勻漿機將纖維與細菌纖維素在10000轉/min條件下分離並混合均勻，在紙業手抄機上抄造紙張，控制紙張乾重定量為1.4g/m2。乾燥後，取靠近紙張中心沒有瑕疵的紙張樣品5mg，使用元素分析儀，測量氮元素質量分數Np。使用元素分析儀，測得陽離子化細菌纖維素以及複合紙張的氮元素質量分數分別為0.21％和0.01％，最終計算出細菌纖維素留著率為42.9％。
實施例3
將採用靜態發酵培養方式培養的葡萄糖醋桿菌(Glucoacetobacter xylinus)分泌的細菌纖維素溼膜10g切割成小塊，加入100mL水中，使用組織搗碎機分離成小碎塊，以靜置一段時間後仍不懸浮在水中為準，再加入質量分數為3％的氫氧化鈉溶液100mL，使體系的細菌纖維素的固含量達到0.075％，在常溫下使用磁力攪拌器攪拌體系30min；加入0.48mL 3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨65wt％水溶液，使其與細菌纖維素中的葡萄糖單體的摩爾比為2:1，在磁力攪拌器加熱至50℃的條件下，攪拌反應4小時；將體系使用離心機在5000rpm的條件下進行固液分離，並加入200mL 0.005M的鹽酸溶液清洗陽離子化細菌纖維素多次直到離心分離出的液體部分達到中性；將帶氮元素標記的陽離子化細菌纖維素使用組織搗碎機分離2分鐘直到成為均勻絮狀，並置於玻璃表面皿上乾燥成膜，取陽離子化細菌纖維素樣品5mg使用元素分析儀進行分析，測量氮元素的質量分數Nbc；將製備的陽離子化細菌纖維素以乾重百分比5％與蔗渣纖維漿料(打漿度240mL)共混，使用勻漿機將纖維與細菌纖維素在10000轉/min條件下分離並混合均勻，在紙業手抄機上抄造紙張，控制紙張乾重定量為1.4g/m2。乾燥後，取靠近紙張中心沒有瑕疵的紙張樣品5mg，使用元素分析儀，測量氮元素質量分數Np。使用元素分析儀，測得陽離子化細菌纖維素以及複合紙張的氮元素質量分數分別為0.44％和0.011％，最終計算出細菌纖維素留著率為47.5％。
實施例4
將採用靜態發酵培養方式培養的葡萄糖醋桿菌(Glucoacetobacter xylinus)分泌的細菌纖維素溼膜10g切割成小塊，加入100mL水中，使用組織搗碎機分離成小碎塊，以靜置一段時間後仍不懸浮在水中為準，再加入質量分數為3％的氫氧化鈉溶液100mL，使體系的細菌纖維素的固含量達到0.075％，在常溫下使用磁力攪拌器攪拌體系30min；加入0.48mL 3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨65wt％水溶液，使其與細菌纖維素中的葡萄糖單體的摩爾比為2:1，在磁力攪拌器加熱至50℃的條件下，攪拌反應4小時；將體系使用離心機在5000rpm的條件下進行固液分離，並加入200mL 0.005M的鹽酸溶液清洗陽離子化細菌纖維素多次直到離心分離出的液體部分達到中性；將帶氮元素標記的陽離子化細菌纖維素使用組織搗碎機分離2分鐘直到成為均勻絮狀，並置於玻璃表面皿上乾燥成膜，取陽離子化細菌纖維素樣品5mg使用元素分析儀進行分析，測量氮元素的質量分數Nbc；將製備的陽離子化細菌纖維素以乾重百分比1％與蔗渣纖維漿料(打漿度240mL)共混，使用勻漿機將纖維與細菌纖維素在10000轉/min條件下分離並混合均勻，在紙業手抄機上抄造紙張，控制紙張乾重定量為1.4g/m2。乾燥後，取靠近紙張中心沒有瑕疵的紙張樣品5mg，使用元素分析儀，測量氮元素質量分數Np。使用元素分析儀，測得陽離子化細菌纖維素以及複合紙張的氮元素質量分數分別為0.44％和0.002％，最終計算出細菌纖維素留著率為50.9％。
本發明的流程示意圖如圖1所示。
以上列舉的僅是本發明的具體實施例。本發明不限於以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護範圍。