时间对溶胀工艺的影响优化：时间因素对溶胀工艺产生的影响

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：溶胀时间与溶胀温度对溶胀工艺的影响有密切的相关性，通常人们称其为温度—时间效应，即提高温度和延长溶胀时间具有同等的效果。因此，从这一意义上说，研究溶胀时间时同样对于NMMO水溶液的浓度有一定的限制，即采用73%～85%的初始浓度。实验中发现，各种不同浓度的NMMO/H2O溶液，都能在一定时间内达到溶胀平衡，但达到溶胀平衡所需的时间有很大的不同，且浆粕厚度的变化程度也不同。

溶胀时间与溶胀温度对溶胀工艺的影响有密切的相关性，通常人们称其为温度—时间效应，即提高温度和延长溶胀时间具有同等的效果。因此，从这一意义上说，研究溶胀时间时同样对于NMMO水溶液的浓度有一定的限制，即采用73%～85%的初始浓度。

溶胀实验中，通过测定溶剂浸泡后的浆粕厚度的变化或浸泡在溶剂中的单纤维直径的变化来评估浆粕的溶胀性能，普遍的规律为起始阶段变化最快，而后越来越慢，最后达到平衡点，达到平衡的时间一般在40～50min。徐虎等[2]用直接观察法测量了纤维素在溶胀过程中纤维直径随时间的变化，结论是：纤维素溶胀率随时间的增长而逐渐上升，溶胀率在开始阶段增加较快，而后，逐渐变缓，在40min左右达到平衡，此时，纤维素溶胀已经饱和，纤维素中单根纤维直径达到极限。李春花等[4]通过溶胀过程中浆粕厚度的变化研究了时间对溶胀工艺的影响。一系列实验表明，无论在什么温度条件下，都呈现先快后慢的规律，溶液中纤维素浆粕厚度随溶胀时间的延长而增大，当浆粕在80%NMMO（质量分数）的溶剂中溶胀时，其厚度增加速度最快，在10min内，厚度几乎呈直线增加，而后浆粕厚度变化趋于平缓，到第20min时基本达到平衡。在这一条件下，纤维素浆粕的溶胀厚度几乎增加了6倍。实验中发现，各种不同浓度的NMMO/H2O溶液，都能在一定时间内达到溶胀平衡，但达到溶胀平衡所需的时间有很大的不同，且浆粕厚度的变化程度也不同。

纤维素浆粕的溶胀过程可以粗略地分为以下几个层面。首先，是一种纯物理状态的分离，浆粕在制作过程中纤维被紧密压实，当有液体存在时，液体在纤维表面的浸润使纤维间发生分离，进而增加了纤维间的距离，而使浆粕块变厚。在实验中可以观察到，即便是纯水也能够使浆粕的厚度增加，且增加的速度很快。其次，是溶液进入纤维素自身具有的物理空隙，天然纤维素的结构并不是一个完美的构造，它具有多条能够让小分子进入的通道，当这些通道上充满溶剂时，浆粕的厚度就增加，显而易见，溶剂进入纤维间及纤维内物理通道相对容易，因此，它可以在较短时间内完成。再次，是溶液进入纤维素的无定形区域，纤维素紧密的结构与纤维素分子间形成的氢键有关。NMMO/H2O溶液能够不断破坏纤维素分子间的氢键，使纤维素分子间的空间不断扩大，从宏观上可以观察到浆粕厚度增加及纤维直径变大。溶胀的初期是溶剂分子迅速进入纤维素无定形区的过程。最后，溶剂分子会进入微胶束之间的空间，由于这部分结构不如晶区致密，因此，容易被溶剂分子所侵占，紧接着是溶剂进入晶区的外围，不断剥蚀晶区，由于纤维素结晶区域致密的结构使得溶剂分子较难迅速进入，它破坏氢键的过程只能逐步进行，形成了溶胀先快后慢，最终达到一定值的结果。而最终的破坏程度取决于溶剂分子破坏氢键的能力。换言之，如果没有足够的溶剂浓度，它就不可能有很大的破坏力，溶胀时使用的溶剂浓度都低于87%，它还不具备完全溶解纤维素的能力，因此，只能表现为有限的溶胀。

在所选择的溶剂浓度和温度下，浆粕在溶剂中的溶胀曲线在30min后基本趋于平稳，为了保证溶胀过程的充分，工业生产上将溶胀时间控制在40～50min。

时间对溶胀工艺的影响优化：时间因素对溶胀工艺产生的影响

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