安帥 謝晶磊 王欣 程蕓 張紅杰

摘要：對(duì)南方松熱磨機(jī)械漿纖維進(jìn)行PFI磨漿處理，通過(guò)“液橋法”分析纖維接觸角，進(jìn)而計(jì)算表面能用于表征纖維表面潤(rùn)濕性能，最終建立纖維表面潤(rùn)濕性能與纖維結(jié)合性能之間的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明，隨著機(jī)械處理程度的加深，纖維表面木素含量從87.13%降低到77.51%，纖維表面潤(rùn)濕性能得到改善（表面能從46.63 mJ/m2上升到54.45 mJ/m2，表面電荷從48.382 mmol/kg上升到60.382 mmol/kg），結(jié)合強(qiáng)度指數(shù)從4.63 N·m/g提升到10.9 N·m/g。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，纖維表面潤(rùn)濕性能與結(jié)合強(qiáng)度指數(shù)以及紙張的松厚度之間存在二次函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)均大于0.9。從表面潤(rùn)濕性能與松厚度之間的關(guān)系方程可知，紙張松厚度隨纖維表面潤(rùn)濕性能降低而降低的較小，在整個(gè)機(jī)械處理過(guò)程中從4.95 cm3/g下降到3.57 cm.3/g，這表明可通過(guò)改善纖維表面潤(rùn)濕性能來(lái)達(dá)到在不顯著影響紙張松厚度的前提下提高纖維結(jié)合性能的目的。

關(guān)鍵詞：木質(zhì)纖維；潤(rùn)濕性；表面能；表面木素；結(jié)合性能

中圖分類號(hào)：TS71.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254 508X.2018.12.001

木質(zhì)纖維具有可生物降解、可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如纖維復(fù)合材料領(lǐng)域[12]和制漿造紙領(lǐng)域[3]等。決定纖維應(yīng)用的關(guān)鍵因素是纖維本身的性能，包括纖維表面性能和內(nèi)部性能兩部分。其中，纖維表面潤(rùn)濕性能是纖維表面性能的重要指標(biāo)之一，在纖維表面化學(xué)組成中，碳水化合物是親水性物質(zhì)，而木素是疏水性物質(zhì)，二者的比例是決定纖維應(yīng)用的基礎(chǔ)，在從植物纖維原料中分離出單根纖維的過(guò)程中，傳統(tǒng)的制漿過(guò)程可以理解為是在此分離過(guò)程中努力平衡纖維表面親水性物質(zhì)和疏水性物質(zhì)間的比例?？梢?jiàn)纖維表面潤(rùn)濕性能發(fā)揮著重要的作用。

纖維表面潤(rùn)濕性能指的是液滴在纖維表面進(jìn)行鋪展和潤(rùn)濕的能力，通過(guò)纖維對(duì)某種液體的接觸角和纖維的表面能來(lái)反映。纖維表面潤(rùn)濕性能所涵蓋的內(nèi)容很廣，包括纖維表面化學(xué)組成、表面電荷、表面能以及與纖維表面潤(rùn)濕過(guò)程相關(guān)的其他物化性能[4]。當(dāng)纖維與液滴接觸的時(shí)候，對(duì)于制漿造紙而言，纖維表面的潤(rùn)濕能力會(huì)影響纖維的潤(rùn)脹，纖維之間的結(jié)合面積發(fā)生相應(yīng)變化[5]；此外，纖維表面潤(rùn)濕性能還會(huì)對(duì)纖維表面的化學(xué)組成和基團(tuán)產(chǎn)生影響，從而影響纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度。然而至今為止，關(guān)于纖維表面潤(rùn)濕性能與纖維結(jié)合性能的關(guān)系卻很少有報(bào)道。

纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度是紙張強(qiáng)度的主要來(lái)源，由纖維間氫鍵結(jié)合力和范德華力兩部分構(gòu)成[6]。纖維表面的化學(xué)組成、表面電荷以及表面能等都會(huì)對(duì)纖維之間的結(jié)合產(chǎn)生影響，尤其是纖維表面的化學(xué)組成及分布在纖維表面的基團(tuán)，會(huì)直接影響纖維之間形成氫鍵的多少[7]。相關(guān)研究表明[89]，分布在纖維表面的木素不利于纖維之間的結(jié)合，這是因?yàn)槟舅乇旧硎鞘杷?，無(wú)法在纖維之間形成氫鍵結(jié)合。對(duì)于高得率漿纖維，人們嘗試通過(guò)多種預(yù)處理方式來(lái)達(dá)到在不大量脫除木素的前提下改善纖維之間的結(jié)合性能，因此纖維表面潤(rùn)濕性能發(fā)揮著十分重要的作用。然而，文獻(xiàn)報(bào)道中很少有關(guān)于高得率漿纖維表面潤(rùn)濕性能的相關(guān)研究。

本研究通過(guò)對(duì)南方松熱磨機(jī)械漿（Thermo mechanical pulp，TMP）進(jìn)行機(jī)械處理，分析纖維表面潤(rùn)濕性能（包括纖維表面木素、表面電荷和表面能），建立纖維表面潤(rùn)濕性能與纖維之間結(jié)合性能的響應(yīng)關(guān)系。本研究的主要目的在于通過(guò)改善纖維表面潤(rùn)濕性能，在對(duì)成紙松厚度影響較小的前提下努力改善高得率漿纖維結(jié)合性能，為進(jìn)一步擴(kuò)大高得率漿的應(yīng)用范圍和提高使用比例起到一定指導(dǎo)作用。

3結(jié)論

南方松熱磨機(jī)械漿（TMP）纖維經(jīng)過(guò)不同程度的機(jī)械處理后，纖維表面木素含量降低，纖維表面電荷增多，纖維表面接觸角降低，纖維表面能從46.63 mJ/m2提高到54.45 mJ/m2，纖維表面潤(rùn)濕性能提高。纖維表面潤(rùn)濕性能與纖維結(jié)合強(qiáng)度指數(shù)和紙張松厚度之間分別存在二次函數(shù)關(guān)系，纖維表面潤(rùn)濕性能提高，纖維結(jié)合強(qiáng)度指數(shù)從4.63 N·m/g 提高至10.9 N·m/g，紙張松厚度略有降低。但紙張松厚度隨纖維表面潤(rùn)濕性能降低而降低的較小，從4.95 cm3/g下降至3.57 cm3/g，這表明可以通過(guò)改善纖維表面潤(rùn)濕性能在松厚度下降幅度不大的前提下提高高得率漿纖維的結(jié)合強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

[1] Li X， Strieder W. Emissivity of hightemperature fiber composites[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research， 2009， 48（4）： 2236.

[2] Ma C， Ma M G， Li Z W， et al. Nanocellulose composites—Properties and applications [J]. Paper and Biomaterials， 2018， 3（2）： 51.

[3] Gaudreault R， Cesare N D， Ven T G M V D， et al. Structure and strength of flocs of precipitated calcium carbonate induced by various polymers used in papermaking [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research， 2015， 54（24）： 6234.

[4] Yu R， Wang C， Qiu Y. Influence of aramid fiber moisture regain during atmospheric plasma treatment on aging of treatment effects on surface wettability and bonding strength to epoxy[J]. Applied Surface Science， 2007， 253（23）： 9283.

[19] hman L O， Wgberg L， Malmgren K， et al. Adsorption of aluminum（III） on cellulosic fibres in neutral to alkaline solutionsInfluence of charge and size of the particles formed [J]. Journal of Pulp & Paper Science， 1997， 23（10）： J467.

[20] Fardim P， Durn N. Modification of fibre surfaces during pulping and refining as analysed by SEM， XPS and ToFSIMS [J]. Colloids & Surfaces A Physicochemical & Engineering Aspects， 2003， 223（1/3）： 263.

[21] Wang B， Li R， He B， et al. The impacts of lignin coverage， relative bonded area， and fiber properties on sheet strength [J]. Bioresources， 2011， 6（4）： 4356.

[22] Skowronski J， Bichard W. Fibretofibre bonds in paper. I： Measurement of bond strength and specific bond strength [J]. Journal of pulp and paper science， 1987， 13（5）： 165.

[23] Arianie L. Potention of lignin， lignin sulfonate and lignin acetate from palm empty bunch as an additive substance in urea fertilizer as an effort to reduce the solubility of urea nitrogen[J]. Advanced Materials Research， 2010， 9394： 409.

[24] Banavath H N， Bhardwaj N K， Ray A K. A comparative study of the effect of refining on charge of various pulps [J]. Bioresource Technology， 2011， 102（6）： 4544.

[25] GAO Guilin， LIN Benping， SHEN Kuizhong， et al. The Effect of Lignin Content on Pulp Fiber Surface on the Sheet Strength [J]. Transactions of China Pulp & Paper， 2012， 27（1）： 9.

高桂林， 林本平， 沈葵忠， 等. 紙漿物理強(qiáng)度與纖維表面木素含量關(guān)系的探討 [J]. 中國(guó)造紙學(xué)報(bào)， 2012， 27（1）： 9.

[26]Chen H， Wang G， Cheng H T， et al. Effects of different chemical maceration methods on the surface wetting properties and section shapes of single bamboo fibers[J]. Journal of Beijing Forestry University， 2011， 33（1）： 115.

陳紅， 王戈， 程海濤， 等. 不同化學(xué)離析方法對(duì)單根竹纖維表面潤(rùn)濕性能及斷面形態(tài)的影響[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011， 33（1）： 115.

[27] WANG Xin， LI Zhiqiang， ZHANG Hongjie， et al. Study on the Characterization of Deformation Behavior of Lignocellulosic Fibers and Its Effect on Interfiberbonding Properties[J]. China Pulp & Paper， 2017， 36（12）： 14.

王欣， 李志強(qiáng)， 張紅杰， 等. 機(jī)械木漿纖維形變性表征及其對(duì)纖維間結(jié)合性能的影響[J]. 中國(guó)造紙， 2017， 36（12）： 14.

[28] Ishiguro M， Endo T. Addition of alkali to the hydrothermalmechanochemical treatment of eucalyptus enhances its enzymatic saccharification [J]. Bioresour Technol， 2014， 153（153C）： 322.

[29] Gharehkhani S， Sadeghinezhad E， Kazi S N， et al. Basic effects of pulp refining on fiber properties—a review [J]. Carbohydrate Polymers， 2015， 115： 785.

[30]ZHAO Huifang， ZHANG Meiyun， LU Jinbei. Configuration of PmiaPulp and Its Effect on Aramid Paper [J]. China Pulp & Paper， 2010， 29（02）： 1.

趙會(huì)芳， 張美云， 路金杯. 芳綸1313漿粕結(jié)構(gòu)形態(tài)及其對(duì)成紙性能的影響[J]. 中國(guó)造紙， 2010， 29（2）： 1.

[31]PENG Jinyong， LIU Hongbin， LI Ganlin， et al. The Main Factors Affecting Bulk of Paper and Board [J]. China Pulp & Paper， 2014， 33（06）： 64.

彭金勇， 劉洪斌， 李甘霖， 等. 影響紙和紙板松厚度的主要因素[J]. 中國(guó)造紙， 2014， 33（06）： 64.

[32] Li H， Zhang H， Legere S， et al. Estimating the interfiber bonding capacities of highyield pulp（HYP） fibers by analyzing the fiber surface lignin and surface charge[J]. Bioresources， 2017， 13（1）： 1122.

[33] Yan D， Li K. Measurement of wet fibre flexibility of mechanical pulp fibres by confocal laser scanning microscopy [J]. Journal of Materials Science， 2008， 43（8）： 2869.CPP

（責(zé)任編輯：馬忻）