多次回用對OCC漿料強度及纖維表面性能的影響

巫 山唐艷軍,2趙 宇薛國新,＊

(1.浙江理工大學,浙江杭州,310018;2.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東廣州,510640)

多次回用對OCC漿料強度及纖維表面性能的影響

巫 山1唐艷軍1,2趙 宇1薛國新1,＊

(1.浙江理工大學,浙江杭州,310018;2.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東廣州,510640)

研究了舊瓦楞紙箱(OCC)漿料多次回用過程中纖維物理強度的變化,并借助掃描電鏡(SEM)和傅里葉紅外光譜(FTI R)表面分析手段對回用纖維的表面性能進行了分析。研究表明,回用過程中紙張物理強度性能呈下降趨勢。與原紙的裂斷長、耐折度、撕裂指數(shù)、環(huán)壓指數(shù)和耐破指數(shù)相比,2次回用紙分別減少了34.0%、80.0%、42.2%、45.5%、49.6%;而從2次回用紙到5次回用紙時裂斷長、撕裂指數(shù)、環(huán)壓指數(shù)和耐破指數(shù)分別減少了27.3%、37.1%、23.9%、35.3%。在回用過程中OCC漿料纖維的保水值也呈下降趨勢,原漿到2次回用漿時減少了12.5%;而從2次回用漿到5次回用漿時減少了20.6%。SEM分析結果顯示,隨著回用次數(shù)的增加,纖維表面變得越來越粗糙,當回用次數(shù)達到3次時纖維有裂開的痕跡。FT-IR分析表明,隨著OCC漿料回用次數(shù)的增加,氫鍵特征吸收頻率發(fā)生偏移,表明纖維-纖維間不可逆氫鍵增加。

OCC漿料;回用;不可逆氫鍵;纖維角質化

近年來造紙原料日益短缺,特別是制漿工業(yè)面臨的環(huán)境污染和能耗問題,使人們對二次纖維即廢紙的利用越來越重視。廢紙已成為我國造紙業(yè)最重要的一種纖維原料,2008年消費廢紙漿的比例已經(jīng)超過60%[1]。隨著二次纖維回用次數(shù)的增加,回用紙的嚴重缺陷——纖維角質化影響了廢紙回收利用。本研究以舊瓦楞紙箱(OCC)為原料,進行了二次纖維的多次回用實驗。通過檢測成紙性能來分析回用對纖維品質產(chǎn)生的影響,同時,對多次回用的纖維的表面性能進行分析,旨為二次纖維品質衰變規(guī)律和衰變機理提供理論支持。

1 實 驗

1.1 原料

高得率闊葉木漿為主的舊瓦楞紙箱(OCC)取自浙江某紙業(yè)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 OCC漿料的回用

將舊瓦楞紙箱撕成15 mm×15 mm的碎片,浸泡一段時間;調整漿料濃度為10%,用美國Adirondack Machine公司N-100T高濃水力碎漿機碎解15 min;平衡水分,待打漿備用。采用ZQS2-23型打漿機打漿,打漿濃度為2%,使OCC漿料打漿度至(31± 1)°SR。在ZQJ1-B-Ⅱ型紙樣抄取器上抄制瓦楞原紙,定量為112 g/m2?；赜眉垶橄冉?jīng)老化、浸泡后再抄造的紙[2]。

1.2.2 纖維保水值的測定[3]

采用離心法測定纖維保水值。稱取絕干質量相當于1.5 g的漿料,疏解后在2800 r/min的轉速下離心處理15 min。稱取濕、干漿料的質量,兩者之差與絕干漿料質量的比值即為纖維保水值。

式中:m1為離心后濕漿的質量,g;m2為絕干漿的質量,g。

1.2.3 纖維表面性能分析

對OCC原漿、回用次數(shù)為1次、3次、5次下所抄瓦楞原紙進行掃描電鏡觀察。將預先制備好的紙樣使用中鏡科儀公司TPM-900數(shù)顯紅外烘烤燈干燥5min左右,然后使用日本JEOL公司JFC-1600真空離子濺射儀進行噴金處理,最后使用日本JEOL公司JS M-5610LV掃描電子顯微鏡在放大倍數(shù)為1000倍下對回用纖維進行觀察。利用美國熱電公司Nicolet 5700型傅里葉變換紅外光譜儀采用衰減全反射表征纖維樣品的紅外光譜變化。

1.2.4 紙張物理強度檢測

按照國家標準檢測瓦楞原紙物理強度[3]。

2 結果與討論

本實驗采用浙江某紙業(yè)公司同一批次舊瓦楞紙箱為原料,在進行漿料的1次疏解和抄片之后,對所抄造的瓦楞原紙采用實驗室標準老化處理以間接反映紙產(chǎn)品進入流通過程中所承受的各種物理化學變化,即一次實驗室標準老化過程相當于紙的一次使用流通過程[2]。

2.1 多次回用對瓦楞原紙物理性能的影響

隨著回用次數(shù)的增加,纖維的物理和化學性能發(fā)生衰變,從而引起紙張物理強度的變化。一般來說,化學漿纖維經(jīng)多次回用后,撕裂度和挺度變化不明顯,而伸長率、裂斷長和耐折度有所下降。而對于機械漿和化學機械漿,其情況則有所不同[4]。由于各研究者的實驗條件不同,許多前期研究的結果在強度指標變化規(guī)律上不盡相同,甚至有相反的現(xiàn)象[5-6]。

為了解OCC漿料的回用性能,對回用過程中瓦楞原紙的主要物理強度指標進行了測試并比較。實驗采用機械處理、老化處理對OCC漿料再生循環(huán)使用5次進行了模擬實驗。隨著回用次數(shù)的增加,瓦楞原紙的裂斷長、耐折度、撕裂指數(shù)、環(huán)壓指數(shù)和耐破指數(shù)的變化情況如圖1～圖3所示。

從圖1可以看出,隨著OCC漿料不斷回用,瓦楞原紙的裂斷長和耐折度均有不同程度的降低,但經(jīng)過2次回用后,其變化較為平緩。裂斷長由最初的2.62 km下降到2次回用時的1.73 km,下降幅度近34.0%;而從第2次回用到第5次回用中紙張裂斷長下降到1.25 km,下降了27.3%。耐折度2次回用時已從最初的5次降至最低次數(shù)1次,下降了近80.0%;而從2次回用到5次回用的過程中,瓦楞原紙的耐折度沒有變化,均為1次。

由圖2可知,隨著纖維回用次數(shù)的增加,瓦楞原紙的撕裂指數(shù)和環(huán)壓指數(shù)都在前2次回用過程中有著較大幅度的降低。但從第2次回用到第5次回用時變化較為平緩。撕裂指數(shù)從最初的5.55 mN·m2/g下降到2次回用時的3.21 mN·m2/g,下降了42.2%;而從第2次回用到第5次回用時撕裂指數(shù)下降到2.02 mN·m2/g,下降了37.1%。環(huán)壓指數(shù)由最初的6.46 N·m/g下降到2次回用時的3.52 N·m/g,下降了45.5%;而從第2次回用到第5次回用,紙張環(huán)壓指數(shù)下降到2.68 N·m/g,下降幅度為23.9%。

圖3顯示,OCC漿料多次回用導致瓦楞原紙的耐破指數(shù)也明顯下降;由最初的1.35 kPa·m2/g下降到2次回用時的0.68 kPa·m2/g,下降了49.6%;而從第2次回用到第5次回用時耐破指數(shù)下降到0.44 kPa·m2/g,下降幅度為35.3%。

綜上所述,隨著OCC漿料回用次數(shù)的增加,紙張強度性能都有著不同程度的下降。紙張性能衰變一般可歸因于兩方面[4]。一方面,隨著回用次數(shù)的增加,纖維角質化程度逐漸增強,纖維與纖維之間氫鍵的親合程度減弱,從而導致纖維之間結合力減小,促使紙張性能下降;另一方面,碎解、打漿作用會使纖維長度變短且產(chǎn)生大量的微細組分,這些微細組分在纖維回用時只起填充紙張的作用,而對纖維間的結合強度毫無貢獻,因而使紙張強度下降。

2.2 多次回用對漿料保水值的影響

保水值表征漿料與水親合能力的大小,即纖維的潤脹程度。保水值的大小與纖維的活性密切相關,保水值越大表示纖維越容易交聯(lián)且結合強度也越大。保水值隨纖維素材料超分子結構及聚合狀態(tài)等內部結構的改變而改變,可以反映內部試劑可及的程度以及纖維細纖維化的程度[7]。圖4反映了OCC漿料回用次數(shù)與漿料保水值之間的關系。

圖4 多次回用對漿料保水值的影響

從圖4可以看出,隨著回用次數(shù)的增加,漿料保水值呈下降趨勢。從OCC原漿的保水值為250.8%下降到2次回用漿時的219.4%,減少了12.5%;而從2次回用漿到5次回用漿時下降到174.2%,下降的幅度達到20.6%。

纖維表面豐富的羧基能提高纖維的潤脹性和柔軟性,增強紙張中纖維的成鍵能力。但多次回用導致纖維表面的親水性基團減少,纖維潤脹能力下降,從而導致漿料保水值降低。

2.3 不同回用次數(shù)下纖維的形態(tài)

對OCC原漿、1次回用、3次回用、5次回用漿料在同一區(qū)域內不同纖維進行掃描電鏡觀察。觀察不同纖維表面狀況,選取具有區(qū)域代表性的纖維表面進行拍照(見圖5～圖8)。

從圖5～圖8可以明顯看出,隨著回用次數(shù)的增加,纖維表面變得越來越粗糙,而且OCC漿料從第3次回用到第5次回用時纖維表面都有裂開的痕跡。這說明纖維本身強度在下降,纖維存在角質化現(xiàn)象,從而導致纖維潤脹性降低,加快了纖維強度的衰變。這也是紙張裂斷長、耐折度、撕裂指數(shù)、環(huán)壓指數(shù)、耐破指數(shù)以及漿料保水值下降的內在原因。

2.4 不同回用次數(shù)下纖維的氫鍵分析

有文獻指出[8],紙張干燥過程中纖維-纖維間的不可逆氫鍵對纖維強度衰變有一定程度的影響。在OCC漿料多次回用過程中,纖維經(jīng)干燥再潤濕,其間的某些氫鍵無法再打開,不能與水分子形成氫鍵結合,從而導致纖維潤脹性能下降,保水值降低以及引起纖維角質化。

紅外光譜分析是表征纖維氫鍵的有效方法之一,吸收波數(shù)和譜帶寬度的變化是氫鍵強度的一種量度。圖9為OCC漿料多次回用過程中纖維的紅外光譜圖。

圖9 不同回用次數(shù)下纖維的FT-IR譜

從圖9不難看出,纖維在3600～3200 cm-1和 1300～800 cm-1之間有較寬的譜帶,這說明纖維有著較強的氫鍵。另外,根據(jù)FT-I R數(shù)據(jù)分析,隨著回用次數(shù)增加,纖維在3600～3200 cm-1間的吸收峰向低波數(shù)方向偏移。這與文獻[8]所報道的桉木漿回用過程中纖維紅外光譜表征結果是一致的?？梢哉J為,隨著回用次數(shù)的增加,纖維-纖維間不可逆氫鍵增加,使得回用纖維的潤脹性能下降,從而加快了纖維強度的衰變。

3 結 論

3.1 進行了OCC漿料的多次回用實驗,探討了多次回用過程纖維強度的衰變規(guī)律。隨著回用次數(shù)的增加,瓦楞原紙的裂斷長、耐折度、撕裂指數(shù)、環(huán)壓指數(shù)和耐破指數(shù)均呈明顯下降趨勢,漿料的保水性能也明顯變差。

3.2 對多次回用過程纖維的表面性能進行了分析, SEM結果表明,多次回用后,纖維表面變得越來越粗糙,當回用3次以后纖維表面出現(xiàn)裂痕。這可以直觀反映出纖維本身強度在下降,纖維出現(xiàn)角質化現(xiàn)象。

3.3 FT-IR分析顯示,隨著回用次數(shù)的增加,纖維在3600～3200 cm-1間的吸收峰向低波數(shù)方向偏移。隨著回用次數(shù)的增加,纖維-纖維間不可逆氫鍵增加,使纖維的潤脹性能下降,加快了纖維強度的衰變。

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Abstract:In this paper,the change ofphysical strength of recycledOCC fiberswas studied,and the surface propertiesof recycled fiber sampleswere characterized by SEM and FT-I R techniques.Itwas shown that the physical strength of recycled fibers dropped sharplywith the increase of recycling time.After recycling for the first2 times,the breaking length,folding strength,tear index,ring crush index and burst index of the recycled fiberswas reduced by 34.0%,80.0%,42.2%,45.5%,49.6%,respectively.Up to the fifth-time recycling,a significant change in the physical strength of the recycled fibers happened,correspondingly.Moreover,the water retention value decreased by 12.5%after the first 2 times recycling,also decreased by 20.6%from the second to the fifth-time recycling ofOCC fibers.Itwas observed by SEM that the surface of the recycled fibers seemed to exhibit rougher and rougher,even appeared the trace of crack,which was probably due to the fiber’s hornification in the recycling process.According to the spectra of FT-IR,itwas inferred thatwith the recycling time increasing,the hydrogen bond of fiber-fiber increased which promoted the decay of fiber surface strength.

Keywords:OCC pulp;recycling;irreversible hydrogen bond;fiber hornification

(責任編輯:關 穎)

Influence of Recycling on OCC Pulp Strength and FiberSurface Properties

WU Shan1TANG Yan-jun1,2ZHAO Yu1XUE Guo-xin1,＊

(1.Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou,Zhejiang Province,310018;

2.State Key Lab of Pulp and Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640)
(＊E-mail:guoxin@zstu.edu.cn)

TS724

A

1000-6842(2010)03-0038-04

2010-04-02(修改稿)

浙江省科技計劃一般項目(2009C31054)和制漿造紙工程國家重點實驗室開放基金(200818)。

巫 山,1985年生,男;在讀碩士研究生;研究方向:二次纖維回用技術。

＊通信聯(lián)系人:薛國新,E-mail:guoxin@zstu.edu.cn。