三葉形粘膠纖維對(duì)過(guò)濾紙性能的影響

仲昭琳 梁 云 王貴州 胡 健 曾靖山

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640)

三葉形粘膠纖維對(duì)過(guò)濾紙性能的影響

仲昭琳 梁 云 王貴州 胡 健 曾靖山

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640)

對(duì)兩種纖度相同的三葉形粘膠纖維和普通粘膠纖維的形態(tài)和濾水性能進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步就兩種粘膠纖維的用量對(duì)過(guò)濾紙物理性能和過(guò)濾性能的影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明，粘膠纖維含量低于50%時(shí)，兩種纖維對(duì)過(guò)濾紙平均孔徑、透氣度和耐破度的影響差別不大，但含三葉形粘膠纖維的紙張厚度比含普通粘膠纖維的要大。隨著三葉形粘膠纖維含量的增加，濾紙的過(guò)濾阻力降低、納污容量增大，但過(guò)濾精度有所下降;當(dāng)粘膠纖維加入量為30%時(shí)，對(duì)于含三葉形粘膠纖維和含普通粘膠纖維的兩種濾紙，二者的過(guò)濾精度無(wú)顯著差異，前者的納污容量是后者的1.28倍。

過(guò)濾紙;三葉形粘膠纖維;物理性能;過(guò)濾性能;納物容量

粘膠纖維是以天然纖維素為基本原料，經(jīng)纖維素黃酸酯溶液紡制而成的再生纖維素纖維［1］。普通粘膠纖維的截面為圓形鋸齒狀，是異形纖維的一種，隨著異形纖維的發(fā)展，粘膠纖維的異形化產(chǎn)品越來(lái)越多，其中產(chǎn)量?jī)H次于普通粘膠纖維的是三葉形粘膠纖維，對(duì)于三葉形粘膠纖維的應(yīng)用研究也越來(lái)越受到人們的重視。

三葉形粘膠纖維的覆蓋性和蓬松性比普通粘膠纖維好，使得其制品更蓬松，透氣度更好。汽車(chē)用過(guò)濾器的紙質(zhì)濾芯最重要的3個(gè)性能指標(biāo)是:過(guò)濾阻力、過(guò)濾效率和納污容量。其中過(guò)濾阻力與濾芯的透氣性以及厚度緊密相關(guān)，納污容量與孔隙率以及厚度密切相關(guān)［2］。三葉形粘膠纖維的立體結(jié)構(gòu)使得纖維間排列疏松，孔隙豐富，除了纖維搭接形成的孔隙，自身所具有的溝槽結(jié)構(gòu)也增加了孔隙的復(fù)雜多變性，同時(shí)增大了紙張的厚度，理論上有助于提高納污容量，良好的透氣性能夠降低濾芯的過(guò)濾阻力?；谶@兩點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)比研究了三葉形粘膠纖維與普通粘膠纖維在濾紙抄造上的適用性及在過(guò)濾方面應(yīng)用的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

三葉形粘膠纖維 (3.3dtex，6 mm)、普通粘膠纖維 (3.3dtex，6 mm)，闊葉木閃急干燥漿 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)木漿)。

1.2 纖維的形態(tài)分析

用LEO1530up場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡 (德國(guó))觀察纖維的截面形態(tài)，測(cè)定三葉形粘膠纖維的葉片長(zhǎng)度，外接圓半徑，內(nèi)接圓半徑，計(jì)算得出三葉形粘膠纖維的異形度指標(biāo)［3］，用Image-Pro Plus 6.0專(zhuān)業(yè)圖像分析軟件測(cè)出粘膠纖維的截面周長(zhǎng)和截面積，結(jié)合粘膠纖維的長(zhǎng)度和密度，估算出纖維的比表面積。

1.3 纖維濾水性的測(cè)定

粘膠纖維本身打漿度很低，一般不會(huì)采用打漿度評(píng)價(jià)其濾水性能，同時(shí)由于粘膠纖維較長(zhǎng)，易吸水潤(rùn)脹，產(chǎn)生絮聚團(tuán)，容易掛在動(dòng)態(tài)濾水儀的攪拌轉(zhuǎn)子上方，也不能采用動(dòng)態(tài)濾水儀評(píng)價(jià)其濾水性能，所以本實(shí)驗(yàn)采用以下設(shè)定的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定。

稱(chēng)取絕干質(zhì)量2.15 g的漿料，按0.05%的濃度，用95568標(biāo)準(zhǔn)纖維疏解機(jī) (奧地利)疏解，將疏解好的漿料倒入ME-255手抄片器 (英國(guó))內(nèi)，上水到刻度線處，泄水的同時(shí)用秒表計(jì)時(shí)，將泄水完畢發(fā)出的聲響定為計(jì)時(shí)終點(diǎn)，記錄漿料的泄水時(shí)間。

1.4 纖維保水值的測(cè)定

稱(chēng)取絕干質(zhì)量1.5 g的漿料，按0.05%的濃度，用標(biāo)準(zhǔn)纖維疏解機(jī)疏解，疏解后用800電動(dòng)離心機(jī)離心處理15 min(轉(zhuǎn)速3000 r/min)。稱(chēng)取漿料的濕漿和烘干后的絕干質(zhì)量，纖維的保水值 (WRV)由式(1)計(jì)算得出。

式中，m1為離心后的濕漿質(zhì)量，g;m2為絕干漿質(zhì)量，g。

1.5 手抄片的抄造

將三葉形粘膠纖維和普通粘膠纖維分別與木漿按一定的配比混合抄造手抄片，手抄片定量為105 g/m2，粘

膠纖維的含量設(shè)定為60%、50%、40%、30%、20%、10%、0，用95568標(biāo)準(zhǔn)纖維疏解機(jī) (奧地利)對(duì)兩種纖維分別疏解，再與木漿混合疏解，用ME-255手抄片器 (英國(guó))進(jìn)行抄片。將原紙用苯丙乳液浸漬，上膠量20%，紙張性能的測(cè)試按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1.6 過(guò)濾性能的測(cè)定

用08FB018多次通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái) (國(guó)產(chǎn))，采用A3細(xì)灰 (亞利桑那試驗(yàn)塵)作為試驗(yàn)塵，測(cè)定浸膠后濾紙的過(guò)濾阻力、過(guò)濾效率及納污容量。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維截面形態(tài)的表征

圖1和圖2分別為三葉形粘膠纖維和普通粘膠纖維截面的電鏡照片。

由圖1可見(jiàn)，三葉形粘膠纖維的內(nèi)接圓半徑約為2 μm，葉片長(zhǎng)約17.5 μm，即外接圓半徑約為17.5 μm，葉片厚度約為2 μm，且較均勻。由圖2可見(jiàn)，普通粘膠纖維的截面有明顯的溝槽，但溝槽數(shù)量和溝槽深度不均勻，其平均內(nèi)接圓半徑約為9 μm，平均外接圓半徑約為16 μm。

衡量異形纖維截面形狀異形化 (偏離正常圓形)程度最常用的指標(biāo)為異形度，即異形纖維截面外接圓與內(nèi)接圓半徑之差占外接圓半徑的百分?jǐn)?shù)，由電鏡照片測(cè)得數(shù)據(jù)計(jì)算可得出三葉形粘膠纖維的異形度為88.6%，普通粘膠纖維的異形度為43.7%，約為三葉形粘膠纖維異形度的1/2。

通過(guò)軟件計(jì)算得出三葉形粘膠纖維的截面積為236 μm2，截面周長(zhǎng)為110 μm，普通粘膠纖維的截面積為217 μm2，截面周長(zhǎng)為62 μm，粘膠纖維的密度為1.50 g/cm3，計(jì)算得出普通粘膠纖維的比表面積為0.19 m2/g，三葉形粘膠纖維的比表面積為0.31 m2/g，約為普通粘膠纖維的1.6倍。

2.2 纖維的濾水性能

漿料的濾水性能是成紙性能的主要指標(biāo)之一，濾水性能直接影響著紙張的抄造性能。三葉形粘膠纖維和普通粘膠纖維的濾水時(shí)間和保水值如表1所示。

表1 纖維的性能

由表1可知，兩種纖維的濾水時(shí)間都很短，多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，兩種纖維的濾水時(shí)間差別不大，說(shuō)明二者均具有較好的濾水性能。三葉形粘膠纖維的保水能力比普通粘膠纖維要好，因?yàn)檎衬z纖維具有親水性，保水能力主要跟比表面積相關(guān)，三葉形粘膠纖維的比表面積比普通粘膠纖維要大，所以保水能力比普通粘膠纖維要好。

2.3 粘膠纖維用量對(duì)過(guò)濾紙主要物理性能的影響

為了使成紙具備過(guò)濾紙所需要的最基本的物理指標(biāo)，本實(shí)驗(yàn)將兩種不同粘膠纖維與木漿以不同配比進(jìn)行混抄，以探討粘膠纖維的用量對(duì)過(guò)濾紙主要物理性能的影響。將原紙進(jìn)行浸膠，并測(cè)試浸膠后紙張的物理性能，結(jié)果如表2和表3所示。

表2 含普通粘膠纖維紙張的物理性能

表3 含三葉形粘膠纖維紙張的物理性能

從表3可以看出，隨著三葉形粘膠纖維含量的增加，紙張的厚度增加，這是由于木漿纖維短且細(xì)，而三葉形粘膠纖維長(zhǎng)且粗，所以隨著三葉形粘膠纖維比例的增大，成紙的厚度呈逐漸增大的趨勢(shì);對(duì)比表2和表3可以看出，粘膠纖維含量相同時(shí)，含三葉形粘膠纖維的紙張厚度明顯大于含普通粘膠纖維的紙張，這是因?yàn)橄嗤w度下，三葉形粘膠纖維截面呈多葉形，其外接圓直徑要比普通粘膠纖維的大很多。

從表3可以看出，隨著三葉形粘膠纖維含量的增加，紙張的平均孔徑增大。對(duì)比表2和表3可以看出，粘膠纖維含量相同時(shí)，成紙的平均孔徑差別不大。三葉形粘膠纖維的纖度與普通粘膠纖維的相同，其外接圓半徑比普通粘膠纖維約大1倍，理論上所形成的紙張孔徑要大一些，但由于三葉形粘膠纖維的異形度大于普通粘膠纖維，其葉片結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，干燥過(guò)程中易受壓力的作用使葉片發(fā)生扭曲變形，改變孔的大小和孔隙率，所以?xún)烧叩目讖綗o(wú)明顯差別。

從表3可以看出，隨著三葉形粘膠纖維含量的增加，紙張的透氣性增大，這主要是因?yàn)槎恳欢ǖ那闆r下，材料的松厚度提高、孔隙率增加，氣體的通過(guò)阻力因此降低。對(duì)比表2和表3可以看出，粘膠纖維含量低于50%時(shí)，二者的透氣度差異不大，而在60%時(shí)，含三葉形粘膠纖維紙張的透氣性高于含普通粘膠纖維紙張。相同配比的兩種紙張的透氣度與松厚度有關(guān)，定量固定時(shí)，厚度大的紙張孔隙率高，透氣性也會(huì)大些，因而理論上應(yīng)該是含三葉形纖維紙張的透氣度要大些;但實(shí)際上含三葉形纖維紙張的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，纖維本身存在較深的溝槽，這些又對(duì)氣體的通過(guò)產(chǎn)生了阻礙作用，因而在兩方面因素的相互作用下，兩種紙張的透氣度沒(méi)有表現(xiàn)出明顯差別。當(dāng)粘膠纖維含量達(dá)到60%時(shí)，含三葉形粘膠纖維的紙張較含普通粘膠纖維的紙張透氣度要高。其原因主要在于，三葉形粘膠纖維的外接圓半徑要顯著大于普通粘膠纖維，其含量越大，對(duì)紙張結(jié)合的緊密性影響越大，紙張結(jié)構(gòu)也更加松散，此時(shí)三葉形粘膠纖維自身溝槽對(duì)氣流的阻礙作用因紙張松厚度的增加而顯著減小，因而透氣度比含普通粘膠纖維的紙張要大。

從表3可以看出，隨著三葉形粘膠纖維含量的增加，紙張的耐破度先增大后減小。浸膠后的紙張耐破度主要取決于原紙纖維的結(jié)合情況以及纖維與膠液界面的結(jié)合力。植物纖維和粘膠纖維都具有親液性，二者與膠液界面的結(jié)合力差異不大，因而耐破度主要取決于原紙纖維的結(jié)合情況。粘膠纖維與植物纖維相比，粘膠纖維之間的結(jié)合力不如植物纖維，但粘膠纖維的長(zhǎng)度要顯著大于植物纖維，在粘膠纖維用量增加過(guò)程的前期，紙張結(jié)構(gòu)中長(zhǎng)纖維的增加對(duì)于耐破度的貢獻(xiàn)要大于植物纖維減少所導(dǎo)致的結(jié)合力下降的影響，因而耐破度隨著粘膠纖維用量的增加而提高，但依靠長(zhǎng)纖維用量來(lái)提高耐破度的作用是有一定極限的，當(dāng)纖維間結(jié)合力下降的影響占主導(dǎo)地位后，耐破度的變化出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)，開(kāi)始隨著粘膠纖維用量的增加而降低。對(duì)比表2和表3還可以看出，兩種粘膠纖維含量相同時(shí)，紙張的耐破度差別不大，其主要原因在于本實(shí)驗(yàn)所采用的兩種粘膠纖維的長(zhǎng)度和表面主要化學(xué)特性都相同，截面形態(tài)上的差異還不足以表現(xiàn)出對(duì)纖維間結(jié)合力的顯著影響。

2.4 粘膠纖維含量對(duì)紙張過(guò)濾性能的影響

紙張的過(guò)濾性能主要包括過(guò)濾阻力、過(guò)濾效率、納污容量，粘膠纖維含量對(duì)過(guò)濾紙過(guò)濾性能的影響結(jié)果見(jiàn)表4～表6。

表4 過(guò)濾紙過(guò)濾阻力 kN/m2

過(guò)濾阻力表示流體通過(guò)紙張時(shí)所受的阻力，過(guò)濾阻力越低，表明流體所受的阻力越小。從表4可以看出，隨著三葉形粘膠纖維含量的增大，過(guò)濾阻力變小;粘膠纖維含量相同時(shí)，含三葉形粘膠纖維過(guò)濾紙的過(guò)濾阻力要比含普通粘膠纖維濾紙略小。這是由于隨著粘膠纖維含量的增加紙張的透氣度不斷增大，形成的紙張比較疏松，所以過(guò)濾阻力降低。由于液體的黏滯性高于氣體的黏滯性，所以在過(guò)濾阻力上所體現(xiàn)的差異性大于透氣度的差異性，即粘膠纖維含量相同時(shí)，透氣度差異不大的情況下測(cè)得的含三葉形粘膠纖維紙張的過(guò)濾阻力略低于含普通粘膠纖維的紙張。

表5 過(guò)濾紙不同粒徑過(guò)濾比

從表5可以看出，相同顆粒粒徑范圍內(nèi)，紙張的過(guò)濾效率隨著三葉形粘膠纖維含量的增加而降低，當(dāng)粘膠纖維含量相同時(shí)，兩種紙張的過(guò)濾效率差別不大。因?yàn)殡S著粘膠纖維含量的增加，紙張的平均孔徑變大，流體流動(dòng)的阻力也下降，顆粒更容易穿過(guò)紙張，導(dǎo)致過(guò)濾效率降低。在用量相同時(shí)，兩種含不同粘膠纖維的過(guò)濾紙的過(guò)濾精度無(wú)明顯差異。從形態(tài)上來(lái)說(shuō)，三葉形粘膠纖維除了纖維間相互搭接形成的孔隙，其本身的立體結(jié)構(gòu)將增加孔隙的復(fù)雜性，有助于捕集顆粒，但對(duì)于本實(shí)驗(yàn)所用的兩種纖度相同的纖維而言，由于三葉形粘膠纖維的外接圓半徑要大于普通粘膠纖維，二者所形成的紙張結(jié)構(gòu)的平均孔徑也相近，因而三葉形粘膠纖維在形態(tài)上的優(yōu)勢(shì)未能得到體現(xiàn)。從表6可以看出，隨著三葉形粘膠纖維含量的增加，紙張的納污容量增加;當(dāng)粘膠纖維含量相同時(shí)，

表6 過(guò)濾紙的納污容量

含三葉形粘膠纖維的紙張納污容量高，是普通粘膠纖維濾紙均1.28倍。這是由于隨著粘膠纖維含量的增加紙張的厚度不斷增大，所以納污容量增加。粘膠纖維含量相同時(shí)，三葉形粘膠纖維由于其立體結(jié)構(gòu)，增加了孔隙的復(fù)雜程度，除了纖維交織形成的孔隙，纖維自身的溝槽也起到增加孔隙率的作用，厚度的增加有助于深層過(guò)濾，使得顆粒物被捕捉的幾率增大，增加了紙張的納污容量。

3 結(jié)論

3.1 相同纖度不同截面的粘膠纖維對(duì)紙張的平均孔徑、透氣度、耐破度的影響差別不大，含三葉形粘膠纖維紙張的厚度大于含普通粘膠纖維紙張的厚度。

3.2 隨著三葉形粘膠纖維含量的增加，濾紙的納污容量增大，過(guò)濾阻力降低，過(guò)濾效率變差;粘膠纖維含量均為30%時(shí)，含三葉形粘膠纖維濾紙的納污容量為含普通粘膠纖維濾紙的1.28倍，過(guò)濾效率無(wú)顯著變化，過(guò)濾阻力相對(duì)較低。

［1］蔡再生．纖維化學(xué)與物理［M］．北京:科學(xué)出版社，2009．

［2］梁 川，熊順舉，趙 璜．高精度油濾紙的研制［J］．中國(guó)造紙，1998，17(5):12．

［3］魏賽男，崔淑玲．紡絲工藝及截面形狀對(duì)異形纖維性能的影響［J］．毛紡科技，2005(11):43．

Effect of Trilobal Viscose Fibers on the Performance of Filter Paper

ZHONG Zhao-lin*LIANG Yun WANG Gui-zhou HU Jian ZENG Jing-shan
(State Key Lab of Pulp and Paper Engineering，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong Province，510640)
(*E-mail:zz18636458@126．com)

In this paper，the morphology and drainability of trilobal viscose fibers and ordinary viscose fibers which have the same fineness wereanalysed．The effect of the contents of two kinds of fibers on the physical and filtration properties of the filter paper were also studied．The results showed that when the content of viscose fibers less than 50%，the average pore size，air permeability and burst strength of the sheet had little difference，but the thickness of the sheets containing trilobal viscose fibers was higher than the sheets containing ordinary viscose fibers．With the increase of trilobal viscose fibers，the filtration resistance of the sheet declined and the contaminant holding capacity increased，but the filtration efficiency declined meanwhile．When the content of viscose fibers was 30%，the contaminant holding capacity of the sheet containing trilobal viscose fibers was 1．28 times higher than that containing ordinary viscose fibers，and the filtration efficiency was no significant different．

filter paper;trilobal viscose fiber;physical properties;filtering properties;dirt holding capacity

TS761.2

A

0254-508X(2011)12-0020-04

仲昭琳女士，在讀碩士研究生;主要研究方向:特種紙與功能紙制品。

2011-08-17(修改稿)

(責(zé)任編輯:馬 忻)