化學漿的細纖維化程度對高得率漿性能的影響

張 榮 王高升 陳夫山

(1.天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室,天津,300457;2.青島科技大學化工學院,山東青島,266042)

化學漿的細纖維化程度對高得率漿性能的影響

張 榮1王高升1陳夫山2

(1.天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室,天津,300457;2.青島科技大學化工學院,山東青島,266042)

研究了漂白硫酸鹽漿 (BKP)的細纖維化程度及用量對高得率漿 (HYP)性能的影響。結(jié)果表明,在 HYP中添加 20%的經(jīng) PFI磨 8萬轉(zhuǎn)處理的 BKP使手抄片的抗張指數(shù)提高了 103%、z向強度提高了 80%,添加 20%的經(jīng) PFI磨 5萬轉(zhuǎn)處理的BKP使手抄片撕裂指數(shù)提高了 120%,說明高度細纖維化的BKP能明顯改善 HYP的機械強度。研究還發(fā)現(xiàn),高度細纖維化的 BKP對 HYP的緊度和光學性能影響很小。探討了高度細纖維化的BKP影響 HYP性能的機理,發(fā)現(xiàn)高度細纖維化的BKP與 HYP纖維形成的特殊橋聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能很好地改善纖維間的結(jié)合,提高了 HYP的機械強度。

高得率漿;漂白硫酸鹽漿;細纖維化;紙張性能;橋聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

高得率漿 (HYP)具有脫木素量少、得率高、成本較低、環(huán)境友好等優(yōu)點。用 HYP抄造的紙張具有較高的不透明度、光散射系數(shù)和松厚度,但 HYP纖維挺硬,長寬比小,細小纖維含量多,纖維表面大部分被木素包埋,不易分絲帚化,纖維的結(jié)合性較差,因此用 HYP抄造的紙張機械強度較低[1]。改善HYP性能的方法很多,普遍采用的方法是將 HYP與漂白硫酸鹽漿 (BKP)配抄,取長補短,以抄造出綜合性能較好的紙張。

PFI磨在打漿過程中能提供比較穩(wěn)定的作用力而使纖維分絲帚化,產(chǎn)生直徑更小的纖維或者纖絲[2]。研究表明,平均直徑為 13μm的 BKP纖維在 PFI磨 12.5萬的打漿轉(zhuǎn)數(shù)下可以得到大量直徑為1.3μm的微細纖維[3]。

由于 HYP具有優(yōu)異的不透明度和松厚度,但其機械強度較差,因此本實驗制備高度細纖維化的 BKP纖維,將其與 HYP配抄,使得成紙較好地保留 HYP不透明度和松厚度,同時改善 HYP的物理強度性能,并探討了 HYP纖維結(jié)合機理,為HYP得到更廣泛的應用提供參考。

1 實 驗

1.1 原料

高得率漿為BCT MP,加拿大水晶牌,使用Valley打漿機疏解 30 min,打漿度為 23°SR,纖維平均長度為 0.74 mm,平均寬度為 27.3μm;針葉木BKP為加拿大進口,漿板用Valley打漿機疏解 30 min,打漿度為 16°SR,纖維平均長度為 2.24 mm,平均寬度為32.2μm。

1.2 實驗方法

高度細纖維化 BKP的制備:使用 PFI磨對 BKP進行打漿處理 (參見 QB/T1463—1992),調(diào)節(jié) PFI磨的打漿轉(zhuǎn)數(shù) (1萬、5萬、6.5萬、8萬、9萬和 10萬轉(zhuǎn))制備細纖維化程度不同的 BKP,甩干并平衡水分,置于冰箱中 (4℃)備用。

纖維形態(tài)的觀察與分析:將細纖維化程度不同的BKP稀釋至漿濃 0.5%,疏解制片,通過電腦攝影生物顯微鏡 (MODEL WVCP4101G,Matsushita Communication Industrial Co.Ltd)觀察纖維形態(tài)。使用纖維分析儀 (FiberTester 912,L&W)測量纖維的平均長度和寬度。

抄片:使用 Estanit GbmH紙頁快速成形器抄造定量 60 g/m2的手抄片,在 -90 kPa、93℃下干燥5 min。

按國家相關(guān)標準測定以下性能:打漿度、緊度、抗張強度、撕裂強度、不透明度、光散射系數(shù)、z向強度。采用 84-92型 z向強度測定儀 (美國 T M I公司制造)測定 z向強度。

2 結(jié)果與討論

2.1 BKP的細纖維化程度對 HYP性能的影響

2.1.1 BKP的細纖維化程度對手抄片機械強度的影響

研究 BKP的細纖維化程度對手抄片性能的影響時,以 PFI磨的打漿轉(zhuǎn)數(shù)表示 BKP的細纖維化程度,手抄片中 BKP占 20%,HYP占 80% (以下同),結(jié)果見圖1～圖4。

圖1表明,手抄片的抗張指數(shù)隨 BKP細纖維化程度的增加而增加,PFI磨的打漿轉(zhuǎn)數(shù)為 8萬轉(zhuǎn)時,抗張指數(shù)幾乎達到最大值 (26.3 N·m/g),比空白樣的抗張指數(shù) (13.0 N·m/g)提高了 103%,繼續(xù)增加打漿轉(zhuǎn)數(shù) (增至 10萬轉(zhuǎn)),抗張指數(shù)增幅大大減緩。

z向強度是垂直于紙面的抗張力,更能反映紙張內(nèi)部纖維的結(jié)合強度。紙張的結(jié)合強度通過纖維間的氫鍵結(jié)合產(chǎn)生,因此纖維間的接觸點越多,產(chǎn)生的氫鍵越多,其結(jié)合強度就越大。圖2表明,手抄片的 z向強度隨BKP細纖維化程度的增加而增加,但增幅逐漸趨緩。將 PFI磨 8萬轉(zhuǎn)處理的 BKP添加到 HYP中,手抄片的 z向強度 (248 N)比空白樣 (138 N)提高了 80%,說明高度細纖維化的 BKP可以較好地改善 HYP纖維的結(jié)合。

圖3表明,隨 BKP細纖維化程度的增加,手抄片的撕裂指數(shù)先升高后降低,PFI磨處理 BKP的打漿轉(zhuǎn)數(shù)為 5萬轉(zhuǎn)時,撕裂指數(shù)幾乎達到最大 (6.25 mN·m2/g),比空白樣 (2.84 mN·m2/g)提 高 了120%,繼續(xù)增加打漿轉(zhuǎn)數(shù),撕裂指數(shù)開始下降。

如圖4所示,雖然手抄片的緊度隨著 BKP細纖維化程度的增加而有所增加,但是當 PFI磨打漿轉(zhuǎn)數(shù)由 0增加到 8萬轉(zhuǎn)時,其緊度僅提高了 18% (0.33 g/cm3增到0.39 g/cm3)。這說明 BKP細纖維化程度對紙張緊度的影響較小,HYP的松厚度得到了較好地保留,同時還使 HYP的機械強度得到改善。

2.1.2 BKP的細纖維化程度對手抄片光學性能的影響

圖5和圖6分別表示手抄片的不透明度和光散射系數(shù)與BKP細纖維化程度的關(guān)系。圖5表明,手抄片的不透明度雖然會隨 BKP細纖維化程度的增加而出現(xiàn)一定的波動,但其值均在 85%～87%之間,所以這種波動較小 (2%以內(nèi)),說明細纖維化的 BKP對 HYP不透明度的影響不大。圖6表明,隨 BKP細纖維化程度的增加,手抄片的光散射系數(shù)是先升高后降低的,其值均在 48～51 m2/kg之間,與不透明度一樣,這種變化趨勢也比較小 (3%以內(nèi)),表明細纖維化的BKP對 HYP光散射系數(shù)的影響也不明顯。這說明,BKP的細纖維化程度對手抄片的不透明度和光散射系數(shù)影響很小,HYP的光學性能得到了很好地保留。因此從紙張的光學性能來考慮,高度細纖維化的BKP可以作為 HYP的增強劑。

2.2 高度細纖維化的BKP用量對 HYP性能的影響

2.2.1 高度細纖維化的BKP用量對手抄片機械強度的影響

實驗研究了添加量分別為 10%、15%、20%、25%和 30%的經(jīng)過 PFI磨 8萬轉(zhuǎn)處理的 BKP(以下用 BKP-8表示)對手抄片性能的影響 (見圖7～圖10)。

圖7表明,手抄片的抗張指數(shù)隨 BKP-8用量的增加而增加,但是這種趨勢是逐漸減緩的。與空白樣(11.6 N·m/g)相比,添加 20%的 BKP-8使手抄片的抗張指數(shù) (26.3 N·m/g)提高了 126%,說明添加一定量高度細纖維化的 BKP可以很好地改善手抄片的抗張指數(shù)。

圖8表明,手抄片的 z向強度隨 BKP-8用量的增加而增加,BKP-8的用量從 0增加到 10%時,z向強度的增幅最大,繼續(xù)增加用量增幅很小。與空白樣 (118 N)相比,添加 20%的 BKP-8使手抄片的 z向強度 (248 N)提高了 110%,說明高度細纖維化的BKP可以大大改善 HYP纖維的結(jié)合,提高手抄片的內(nèi)結(jié)合強度。

圖9表明,手抄片的撕裂指數(shù)隨著BKP-8用量的增加而增加,而且增幅很大。與空白樣 (1.61 mN·m2/g)相比,BKP-8用量為 20%時手抄片的撕裂指數(shù) (6.03 mN·m2/g)提高了 275%,說明高度纖維化的BKP大大改善了手抄片的撕裂指數(shù)。

雖然手抄片的緊度隨 BKP-8用量的增加而有所上升,添加10%～30%的BKP-8,手抄片的緊度比空白樣 (0.32 g/cm3)增加了12%～35%,但與機械強度相比其增幅并不明顯,說明在一定范圍內(nèi)添加高度細纖維化的 BKP可以有效改善紙張的機械強度,并可使紙張的松厚度得到較好地保留。

2.2.2 高度細纖維化的 BKP用量對手抄片光學性能的影響

圖11和圖12表明高度細纖維化的 BKP用量會對手抄片的不透明度和光散射系數(shù)產(chǎn)生一定的影響,但影響不大。從圖11和圖12中可以看出,添加 10%的 BKP-8手抄片的不透明度和光散射系數(shù)均達到最大值,但僅比空白樣增加了3%和 4%。盡管 BKP-8的用量變化較大 (10%～30%),但是手抄片的不透明度為 86%～88%,光散射系數(shù)為 48～51 m2/kg,波動范圍在 2%和 3%以內(nèi),說明高度細纖維化的 BKP用量對 HYP光學性能的影響并不明顯。

2.3 影響 HYP性能機理的探討

PFI磨對纖維的作用主要表現(xiàn)在 3方面:纖維的外部細纖維化;纖維的內(nèi)部細纖維化;纖維的切斷以及細小纖維的產(chǎn)生[3]。當打漿轉(zhuǎn)數(shù)較低時,纖維的分絲帚化程度較低,主要發(fā)生的是 BKP纖維的外部細纖維化而使纖維表面游離出少量纖絲;隨打漿轉(zhuǎn)數(shù)的增加,BKP纖維開始內(nèi)部細纖維化,導致纖維內(nèi)部連接纖絲之間的化學鍵斷裂;繼續(xù)增加打漿轉(zhuǎn)數(shù),大量纖絲之間的化學鍵斷開,BKP纖維被高度細纖維化而游離出大量細長的纖絲并伴隨著纖維和纖絲的切斷。圖13表示隨著PFI磨打漿轉(zhuǎn)數(shù)的增加,BKP纖維細纖維化的變化過程。

利用電腦攝影生物顯微鏡對纖維的結(jié)合情況進行觀察,分析其影響手抄片性能的因素。研究發(fā)現(xiàn),由于 HYP纖維表面的分絲帚化程度很低,纖維挺硬,當結(jié)合成紙時它們僅僅是相互搭建在一起,如圖14(HYP的打漿度為 23°SR)所示,而且其表面又被大量木素所包裹,導致成紙時纖維間的氫鍵結(jié)合數(shù)量很少,因此單獨用 HYP抄造的紙張機械強度較低。雖然BKP在高度細纖維化的過程中平均長度損失很大,甚至低于原纖維 (平均長度為 2.24 mm)的 40%,如圖15所示,但是離解出來的纖絲寬度大約只有原纖維的 1/50,因此這些纖絲長寬比很大。當這些長寬比極大的纖絲與 HYP纖維結(jié)合時,就會出現(xiàn)如圖16所示的現(xiàn)象 (HYP的打漿度為 23°SR,其纖維的平均長度為 0.74 mm,平均寬度為 27.3μm;BKP-8的打漿度為 96°SR,其纖維的平均長度為 0.86 mm,平均寬度約為 1μm,BKP的纖絲與 HYP纖維相互“纏繞”在一起,形成一種特殊的橋聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不僅增加了纖維間的鍵結(jié)合面積和數(shù)量,還在HYP纖維間增加了纖絲自身的纏繞聯(lián)結(jié)作用。因此,當紙張被拉斷或者撕開時,不僅要拉斷纖維間的氫鍵結(jié)合,還要拉開或拉斷聯(lián)結(jié)在 HYP纖維間大量的纖絲,因此這大大提高了手抄片的機械強度。但如果打漿轉(zhuǎn)數(shù)過多將會導致 BKP的纖絲被過度切斷而降低手抄片的某些機械強度,如圖3所示,在打漿轉(zhuǎn)數(shù)超過一定值時撕裂指數(shù)開始下降。這可能是因為BKP纖絲被過度切斷,導致其與 HYP纖維形成的橋聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)過少,或二者之間不足以形成這種結(jié)構(gòu),這就使大部分 BKP纖絲可能只起到填充 HYP纖維空隙的作用,因此降低了手抄片的撕裂指數(shù)。圖16表明,纖絲與 HYP纖維形成的橋聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以有效地增加纖維間的鍵結(jié)合數(shù)量,大大提高纖維間的結(jié)合強度,最終達到改善紙張機械強度的目的。

離解的纖絲不僅會與 HYP纖維 “纏繞”而形成橋聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),而且還會對 HYP纖維形成的空隙起到填充作用。這種填充作用會隨著 BKP細纖維化程度的增加及其用量的增大而加劇,雖然這會在一定程度上影響紙張的緊度,但是這種影響是有限的 (圖4與圖10)。在本研究中由于未在手抄片中添加任何填料,其不透明度和光散射系數(shù)主要受紙張緊度的影響,但由于紙張緊度的變化較小,因此在總體趨勢上,高度細纖維化的 BKP對 HYP光學性能的影響并不是很明顯,并得到了證明 (圖5、圖6、圖11、圖12)。這說明高度細纖維化的BKP不僅能較好地保留HYP的松厚度和光學性能,而且還能大大改善 HYP手抄片的機械強度。

3 結(jié) 論

實驗研究了漂白硫酸鹽漿 (BKP)的細纖維化程度及用量對高得率漿 (HYP)性能的影響。

3.1 高度細纖維化的BKP能明顯改善手抄片的機械強度。添加 20%的經(jīng) PFI磨 8萬轉(zhuǎn)處理的 BKP使手抄片抗張指數(shù)提高了 103%、z向強度提高了 80%,添加 20%的經(jīng) PFI磨 5萬轉(zhuǎn)處理的 BKP使手抄片撕裂指數(shù)提高了 120%。

3.2 BKP的細纖維化程度和用量對手抄片的不透明度、光散射系數(shù)和緊度的影響較小,較好地保留了HYP的光學性能和松厚度。

3.3 BKP纖絲通過橋聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使 HYP纖維 “纏繞”結(jié)合,能大大增加纖維間的鍵結(jié)合數(shù)量,改善纖維間的結(jié)合,提高手抄片的機械強度。

[1] ZHANG Dongji.Forest and paper integration in China help boost HYP development[C]//Proceeding The 2nd International Symposium on technologies of Pulping,Papermaking and Biotechnology on Fiber plants.NanJing:NanJing ForestryUniversity,2004.

[2] Ayan chakraborty,MohiniM Sain,Mark T Kortschot,et al.Modeling Energy Consumption for the generation of Microfibres from Bleached Kraft Pulp fibres in a PFIMill[J].Bioresources,2006,2(2):210.

[3] Watson A J,Phillips F H.Beating characteristics of the PFImill III.Observations related to the beating mechanism[J].Appita,1964,18(3):84.

I mpact of Fibrillating Degree of BKP on the HYP Performance

ZHANG Rong1WANG Gao-sheng1,＊CHEN Fu-shan2
(1.Tianjin Key Lab of Pulp&Paper,Tianjin University of Science&Technology,Tianjin,300457;2.Chem ical Engineering College,Q ingdao University of Science&Technology,Q ingdao,Shandong Province,266042)

The impact fibrillating degree ofBKP refining by PFImill and the amountof fibrillated BKP on the performance of HYP was studied.The results showed thatwhen 20%ofBKP treated by PFImill for 80 thousand revolutions added into HYP,tensile index of the hand sheet increased by 103%;zdirection strength increased by 80%,and when 20%of BKP treated by PFImill for 50 thousand revolutions added into HYP,tear index of the hand sheet increased by 120%. It indicated that BKP with rich fibrils can obviously improve the mechanical strength of HYP.Also,the density and optical properties of HYP hand sheet are less influenced by highly fibrillated BKP.The influence mechanism of highly fibrillated BKP on HYP perfor mances was discussed.The bonding between the fibers is well improved by a special bridge-link network structure formed byBKP fiberwhiskers and HYP fibers,which greatly raises the strength properties of HYP.

HYP;BKP;fibril;paper perfor mance;bridge-link network structure

TS743+.1

A

0254-508X(2010)01-0018-05

張 榮先生,在讀碩士研究生;研究方向:造紙濕部化學。

(＊E-mail:gs wang@tust.edu.cn)

2009-07-03(修改稿)

國家科技支撐項目 “速生材高得率漿抄造性能的研究”(2006BAD32B05)。

(責任編輯:常 青)