細(xì)菌纖維素改善紙質(zhì)振膜性能的研究

劉 忠 龔 關(guān)

(天津科技大學(xué),天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津,300457)

細(xì)菌纖維素改善紙質(zhì)振膜性能的研究

劉 忠 龔 關(guān)

(天津科技大學(xué),天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津,300457)

研究了細(xì)菌纖維素作為紙張?zhí)砑觿?duì)紙質(zhì)振膜性能的影響。結(jié)果表明,細(xì)菌纖維素的添加量為 8%時(shí),不僅紙質(zhì)振膜的抗張指數(shù)和靜態(tài)彈性模量提高最多,動(dòng)態(tài)彈性模量和動(dòng)態(tài)比彈性率也較空白樣有明顯改善,分別提高 38.8%和 33.8%。

細(xì)菌纖維素;紙質(zhì)振膜;彈性模量

隨著多媒體時(shí)代的發(fā)展,人們對(duì)揚(yáng)聲器放音品質(zhì)提出了更高的要求。完全采用植物纖維原料抄造的紙盆已不能適應(yīng)這種聽覺上的高要求,生產(chǎn)原料的復(fù)合化趨勢(shì)已不可避免[1]。細(xì)菌纖維素 (簡稱 BC)是一種新型生物納米原料,因其獨(dú)特的性質(zhì),如高結(jié)晶度、高純度、高抗張強(qiáng)度、高彈性模量等,已被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)學(xué)材料、造紙等領(lǐng)域[2]。本實(shí)驗(yàn)通過將細(xì)菌纖維素添加到紙漿中,來研究細(xì)菌纖維素對(duì)紙質(zhì)振膜性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料

實(shí)驗(yàn)原料為針葉木漂白硫酸鹽漿、細(xì)菌纖維素(自制)和碳纖維。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

培養(yǎng)細(xì)菌纖維素所用菌種為木醋桿菌,取自天津市工業(yè)微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

細(xì)菌纖維素的培養(yǎng)過程:取一環(huán)木醋桿菌斜面種子接種到種子培養(yǎng)基中,在恒溫 30℃、搖床轉(zhuǎn)速為150 r/min的條件下培養(yǎng) 24 h,將種子以 6%接入量接入發(fā)酵培養(yǎng)基,30℃的條件下培養(yǎng)數(shù)天,然后將生成的細(xì)菌纖維素濕膜先用自來水沖洗,接著用 0.1 mol/L的 NaOH溶液煮沸 30 min,然后用自來水沖洗膜至中性,此時(shí)細(xì)菌纖維素濕膜呈乳白色半透明狀。

細(xì)菌纖維素濕膜的處理:將細(xì)菌纖維素濕膜撕成小塊,然后與水按一定比例混合,在標(biāo)準(zhǔn)疏解器中疏解 60000轉(zhuǎn)后備用。

抄紙:針葉木漂白硫酸鹽漿用瓦利打漿機(jī)打漿處理至 20°SR,然后與一定比例的細(xì)菌纖維素或碳纖維混合抄片,定量為 100 g/m2。

性能測(cè)定:將抄造好的紙張恒溫恒濕 (溫度23℃,濕度 50%)4 h以上,紙張各項(xiàng)性能均按國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定。靜態(tài)彈性模量采用L&W抗張強(qiáng)度儀測(cè)定。動(dòng)態(tài)彈性模量和損耗因子采用德國 KIPPLE聲學(xué)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定。細(xì)菌纖維素濕膜的壓榨和干燥過程及干膜性能的測(cè)定均同紙張。

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)菌纖維素膜的性質(zhì)

表1是不同培養(yǎng)時(shí)間下細(xì)菌纖維素膜的性質(zhì)。從表1可知,培養(yǎng)初期細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量提高很明顯,但是隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長,細(xì)菌纖維素的產(chǎn)出速率減慢,在第 8天時(shí)趨于停止。這是由于在發(fā)酵初期,培養(yǎng)基中營養(yǎng)物充足且 pH值很適合木醋桿菌生長,木醋桿菌快速生長并產(chǎn)生細(xì)菌纖維素,但是隨著時(shí)間的延長,培養(yǎng)基中細(xì)菌數(shù)量的增加及營養(yǎng)物質(zhì)逐漸被消耗掉,并且木醋桿菌的生長過程中會(huì)不斷產(chǎn)生酸性代謝物,使得培養(yǎng)基的 pH值持續(xù)降低從而影響木醋桿菌的生長[3],因此木醋桿菌產(chǎn)生細(xì)菌纖維素的速率減慢。

在細(xì)菌纖維素膜定量增加的同時(shí),其緊度也呈上升趨勢(shì)。正是因?yàn)榫o度的上升,細(xì)菌纖維素膜纖維之間結(jié)合更緊密,從而導(dǎo)致細(xì)菌纖維素膜力學(xué)性能的增強(qiáng)。從表1可以明顯看出,隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長,細(xì)菌纖維素膜的靜態(tài)力學(xué)性能如抗張指數(shù)、耐破指數(shù)、靜態(tài)彈性模量均在增大。

抗張指數(shù)、耐破指數(shù)等靜態(tài)力學(xué)性能能在一定程度上反應(yīng)了揚(yáng)聲器振膜性能的好壞,但最能直接反應(yīng)振膜性能優(yōu)劣的指標(biāo)是材料的動(dòng)態(tài)彈性模量和損耗因子。完美的振膜需要較高的動(dòng)態(tài)彈性模量和適宜的損耗因子,但是密度太高會(huì)影響振膜的靈敏度,因此動(dòng)態(tài)比彈性率更能客觀反映振膜性能的好壞。從表1中同樣可以發(fā)現(xiàn),動(dòng)態(tài)彈性模量和動(dòng)態(tài)比彈性率也隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長而增大,而損耗因子則相反?？傊?延長培養(yǎng)時(shí)間有助于細(xì)菌纖維素膜性能的提高。

細(xì)菌纖維素膜具有非常致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),見圖1。從圖1可以看出,與紙張相比,細(xì)菌纖維素膜由超微細(xì)纖維組成超微纖維網(wǎng),其纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比植物纖維交織的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)致密許多。

圖1 細(xì)菌纖維素膜 (左)和紙張 (右)的電鏡掃描圖

2.2 細(xì)菌纖維素對(duì)紙質(zhì)振膜性能的影響

2.2.1 細(xì)菌纖維素對(duì)靜態(tài)力學(xué)性能的影響

根據(jù)前面的研究結(jié)果,本實(shí)驗(yàn)選用培養(yǎng)時(shí)間為 8天的細(xì)菌纖維素,疏解后按一定比例加入到紙漿中,細(xì)菌纖維素濕膜疏解后的纖維形態(tài)見表2。

表2 細(xì)菌纖維素濕膜疏解后的纖維形態(tài)

為了作對(duì)比,選用了碳纖維 (簡稱 CF)這種常見的紙質(zhì)振膜添加材料。圖2是細(xì)菌纖維素纖維和碳纖維的添加量對(duì)紙質(zhì)振膜靜態(tài)力學(xué)性能的影響。分別添加細(xì)菌纖維素纖維和碳纖維后,紙張的緊度發(fā)生了不同的變化,見圖2(a)。添加細(xì)菌纖維素后,紙張的緊度增大,而添加了碳纖維后,緊度減小。這是因?yàn)榧?xì)菌纖維素纖維短且細(xì),加入到紙漿中填補(bǔ)了植物纖維結(jié)合產(chǎn)生的空隙,從而提高了纖維間的結(jié)合力,使紙張結(jié)構(gòu)之間的組織變得緊密。而碳纖維和植物纖維結(jié)合能力差導(dǎo)致了紙張緊度降低[4]。

細(xì)菌纖維素纖維和碳纖維的加入,在一定范圍內(nèi)提高了紙張的抗張指數(shù)和靜態(tài)彈性模量,但是對(duì)耐破指數(shù)產(chǎn)生了不利影響,見圖2(b)～圖2(d)。細(xì)菌纖維素纖維是由純纖維素組成,不含木素和半纖維素,因而含有更多游離羥基可以和紙漿纖維結(jié)合,從而提高紙張的抗張指數(shù)和靜態(tài)彈性模量,但是由于細(xì)菌纖維素纖維的長度較短,添加到紙漿中降低了其纖維平均長度,從而使耐破指數(shù)降低。而碳纖維是一種自身強(qiáng)度就很大的非植物纖維,所以隨著添加量的增多,紙張的抗張指數(shù)和靜態(tài)彈性模量會(huì)增大,但是碳纖維與紙漿纖維的結(jié)合力差,若添加量太大,碳纖維就破壞了纖維與纖維之間的結(jié)合力從而導(dǎo)致抗張指數(shù)和靜態(tài)彈性模量降低[5]。

表1 不同培養(yǎng)時(shí)間下細(xì)菌纖維素膜的性質(zhì)

2.2.2 細(xì)菌纖維素對(duì)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響

細(xì)菌纖維素纖維和碳纖維對(duì)紙質(zhì)振膜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響見圖3。

從圖3可以看出,紙漿中添加細(xì)菌纖維素纖維和碳纖維均能提高紙張的動(dòng)態(tài)彈性模量,并且隨著用量的增加先增加后降低,而紙張的損耗因子隨細(xì)菌纖維素和碳纖維用量的增加先降低后上升。細(xì)菌纖維素和碳纖維本身屬于高彈性模量的材料[6],添加到紙漿中能增強(qiáng)紙張的彈性模量。當(dāng)細(xì)菌纖維素添加量為8%時(shí),動(dòng)態(tài)彈性模量和動(dòng)態(tài)比彈性率均達(dá)到最大值,較空白樣分別提高 38.8%和 33.8%。并且與添加碳纖維相比,添加細(xì)菌纖維素更能提高紙張的動(dòng)態(tài)彈性模量和動(dòng)態(tài)比彈性率等聲學(xué)特性。

3 結(jié) 論

細(xì)菌纖維素的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常致密,因而其膜具有高強(qiáng)度、高彈性模量等優(yōu)秀特性。不僅如此,細(xì)菌纖維素濕膜經(jīng)過疏解后,可以作為紙張?zhí)砑觿└纳萍堎|(zhì)振膜的抗張強(qiáng)度和靜態(tài)彈性模量,且在細(xì)菌纖維素纖維添加量為 8%時(shí)增強(qiáng)效果最好。同時(shí),紙質(zhì)振膜的動(dòng)態(tài)彈性模量和動(dòng)態(tài)比彈性率也較空白樣分別提高 38.8%和 33.8%,大大改善了紙質(zhì)振膜的聲學(xué)特性,從而拓寬了細(xì)菌纖維素的應(yīng)用范圍。

[1] 杜劍榮.淺談改善振膜音質(zhì)的機(jī)理 [J].電聲技術(shù),2006(9):21.

[2] Iguchi M,Yamanaka S,Budhiono A.Bacterial cellulose-a masterpiece of nature's arts[J].Journal of Materials Science,2000,35(2):261.

[3] 譚玉靜.細(xì)菌纖維素的發(fā)酵生產(chǎn)及其物理化學(xué)性質(zhì)初探[D].上海:東華大學(xué),2006.

[4] 修慧娟,王志杰,李金寶.細(xì)菌纖維素纖維對(duì)紙張性能的影響[J].中國造紙,2005,24(3):14.

[5] 李 飛,賈原媛,湯衛(wèi)華,等.新型納米生物材料細(xì)菌纖維素的研究現(xiàn)狀與前景[J].中國造紙,2009,28(3):56.

[6] 王以真.實(shí)用揚(yáng)聲器工藝手冊(cè)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

Study on the Properties of Paper D iaphragm I mproved by Bacterial Cellulose

L IU Zhong＊GONG Guan
(Tianjin Key Lab of Pulp and Paper,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin,300457)

Effect of bacterial cellulose on the properties of paper diaphragm which is used for loudspeakerwas studied.Itwas found that tensile index and static elasticmodulusof the paper diaphragm were improved greatlywhen 8%bacterial cellulosewas added.Besides,dynamic elastic modulus and specific dynamic elasticity rate were improved by 38.8%and 33.8%respectively.

bacterial cellulose;paper diaphragm;elastic modulus

TS762

A

0254-508X(2010)12-0031-03

劉 忠先生,教授;主要研究方向:特種功能紙,木質(zhì)資源轉(zhuǎn)化高附加值產(chǎn)物的研究及加工利用。

(＊E-mail:mglz@tust.edu.cn)

2010-08-06(修改稿)

(責(zé)任編輯:馬 忻)