棉漿纖維磷酸酯化及其對打漿性能的影響

棉纖維細胞壁的初生壁與次生壁S1層在纖維表面的纏繞方式，有效地保護了次生壁S2層不被外力所破壞，從而對棉纖維的后期利用帶來不利影響，如制漿造紙過程中不易發生外部細纖維化、制備纖維素衍生物時易造成反應性能的不均一性。

現有的研究已經證實，將磷酸根引入淀粉制備磷酸酯淀粉，不會破壞淀粉原有的結晶結構，但會對淀粉的表面結構帶來影響，從而降低淀粉的糊化溫度。因此，本實驗將磷酸根引入棉纖維，制備纖維素磷酸酯，為棉纖維的進一步高值化利用提供基礎。

在制備纖維素磷酸酯的反應過程中，磷酸鹽的變化較為復雜，普遍認為各種無機磷酸鹽都是通過焦磷酸鹽途徑與纖維反應，即磷酸鹽在高溫下受熱脫水分解成焦磷酸鹽，焦磷酸鹽與纖維的-OH反應生成纖維素磷酸酯。

纖維素磷酸酯的半干法合成

在燒杯中加入一定量的去離子水、不同用量酯化劑，4%尿素（相對絕干纖維，尿素在磷酸酯化反應中起催化作用，尿素在水解過程中能促使纖維素分子中的葡萄糖殘基打開氫鍵，游離出羥基，有利于酯化反應的進行），混合形成100g溶液體系，常溫下攪拌均勻至試劑完全溶解；加入磷酸調節至一定pH值；取10g絕干棉漿纖維，加入上述體系中，在60℃水浴鍋中潤脹30min，然后置于室溫風干水分，再放入指定溫度的烘箱中反應數小時；用大量去離子水洗滌反應后的纖維至濾水呈中性，風干備用。

纖維打漿性能的測定

稱取30 g（絕干）纖維，配成10%漿料濃度，在PFI磨漿機中進行磨漿，測量不同磨漿轉數下纖維的打漿度。

處理前后纖維的形態分析

采用S-4800掃描電子顯微鏡，對纖維的表面形貌進行觀察。樣品均分散平鋪在載臺上，且觀察前均進行表面噴金，加速電壓為8.0kV。

實驗結果

磷酸酯化對棉纖維保水值的影響

對棉纖維進行磷酸酯化后，其纖維的保水值得到提高，從92.86%提高到134.12%，增加了41.26%。這是由于磷酸鹽與纖維素發生的酯化反應使纖維素分子結構中引入了親水性的磷酸根，導致水分子更容易進入到纖維細胞壁內部。

磷酸酯化對棉纖維微觀結構的影響

空白纖維和纖維素磷酸酯的SEM。空白纖維細胞壁光滑平整，其表面存在近乎以直角形式纏繞在細胞壁表面的微纖絲。經過磷酸鹽酯化處理后，棉纖維表面發生了較為明顯的變化。首先，纖維細胞壁發生塌陷，且產生局部扭曲；其次，經過磷酸酯化后，纖維細胞壁表面原有的微纖絲已經消失。這可能是由于磷酸根的引入，切斷或破壞了纖維細胞壁表層微纖絲的氫鍵結合，從而使這部分微纖絲不能以網狀形式纏繞于纖維細胞壁表面。

磷酸酯化對纖維打漿性能的影響

利用PFI對纖維素磷酸酯進行打漿，并與空白纖維進行對比。

與空白纖維相比，纖維素磷酸酯的打漿性能顯著提升。在相同的打漿轉數下，纖維素磷酸酯打漿度明顯高于空白纖維。

結論

以棉漿纖維為原料，確定了制備纖維素磷酸酯的最佳條件為:酯化劑用量12%、反應溫度120℃, pH值6.0 ,磷酸鹽配比1:1，反應時間1.5h，尿素用量4%，在此條件下所制備的纖維素磷酸酯取代度為0.032，保水值從改性前的92.86%提高到134.12%。

經磷酸酯化改性后的纖維表面發生了明顯的局部塌陷與扭曲，說明酯化處理破壞了保護纖維細胞壁S2層的初生壁及次生壁外層S1，顯著改善了棉纖維的打漿性能。