聚酯纖維與植物纖維協(xié)同造紙性能研究

張素風(fēng)， 蔣瑩瑩， 李鵬輝

(陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安　710021)

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聚酯纖維與植物纖維協(xié)同造紙性能研究

張素風(fēng)， 蔣瑩瑩， 李鵬輝

(陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安710021)

摘要：以聚酯纖維為原料，探討了聚酯纖維與植物纖維混合抄紙對紙張性能的影響，研究結(jié)果表明：添加聚酯纖維可使紙張的抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)分別提高22.7%和6%，其最佳添加量一般不超過15%.為了提高聚酯纖維的親水性及降低聚酯纖維的軟化點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中通過表面堿處理方法對其進(jìn)行改性.結(jié)果表明改性后聚酯纖維的親水性得到明顯改善，采用PET/PET共混的復(fù)合纖維，使得聚酯纖維熔點(diǎn)降至110 ℃，增強(qiáng)了聚酯纖維與植物纖維之間的結(jié)合力，從而提高了紙張的強(qiáng)度.

關(guān)鍵詞：植物纖維; 聚酯纖維; 研究; 性能

0引言

造紙行業(yè)一直以來使用天然植物纖維作為主要原料，但用天然植物纖維抄造的普通紙張強(qiáng)度低,耐熱性差，電絕緣性不好，化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，已不能滿足現(xiàn)代社會發(fā)展對紙張性能的需求[1].而化學(xué)纖維，尤其是聚酯纖維所表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，促使了新紙種的涌現(xiàn)，例如絕緣紙、過濾紙、抗菌紙等[2]，但由于聚酯纖維的透氣性和吸濕性差[3]，所以兩者協(xié)同可以制得高性能紙種.

聚酯的全稱是聚對苯二甲酸乙二酯，簡稱PET，纖維呈乳白色，表面光滑，分子量在 18 000~25 000 左右.熔點(diǎn)在255 ℃~264 ℃之間，軟化溫度為230 ℃~240 ℃，耐熱和耐光性好，抗有機(jī)溶劑、氧化劑以及耐腐蝕性好，對弱酸、堿穩(wěn)定等特點(diǎn)，有良好的電絕緣性[4].因此,聚酯纖維的廣泛應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，其生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)量一直居于我國合成纖維行業(yè)的榜首[5-7].

以聚酯纖維等為原料，代替部分植物纖維做耐熱絕緣紙，不僅可以提高紙品使用性能，獲得超額利潤，還可以減少砍伐大片森林，獲得良好的社會效益.一方面，在紡絲過程中需要大量的溶劑、凝固劑和各種其它有機(jī)試劑以及化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物等物質(zhì)和纖維表面接觸，所以在成品纖維表面上有大量有機(jī)油劑斑點(diǎn).這些有機(jī)油劑大都是憎水物質(zhì)，它為纖維與水的浸潤設(shè)置了障礙，增加了纖維的憎水性.所以，必須除去纖維表面上這些有機(jī)油劑.本文采用十二烷基苯磺酸鈉對其進(jìn)行處理.

另一方面，由于聚酯纖維是典型的疏水性纖維，因此對滌綸纖維進(jìn)行表面處理，改善滌綸纖維的親水性，使其在抄紙過程中均勻分散是非常重要的[8,9].目前，常見的聚酯纖維表面化學(xué)改性方法有表面堿處理[10,11]、生物酶改性[12]和低熔點(diǎn)共聚酯改性[13,14].堿處理后的聚酯纖維結(jié)晶度下降，表面親水性基團(tuán)增多，纖維保水值增大，親水性能得到明顯改善.傳統(tǒng)的堿液水解難以控制纖維的改性程度，易損傷纖維大分子鏈內(nèi)部，影響纖維的強(qiáng)度和質(zhì)量，還會帶來環(huán)境污染.酯酶對聚酯纖維的催化水解主要從非結(jié)晶部分開始，使聚酯纖維表面形成許多裂縫和空隙，同時(shí)在酯酶的作用下，聚酯纖維表面的酯鍵水解生成親水性的羧基和羥基.低熔點(diǎn)聚酯纖維不僅具有較高的物理強(qiáng)度，并且具有較好的親水性，抄造過程中能較好的分散，而且由于復(fù)合纖維的結(jié)構(gòu)軟化點(diǎn)較低，易熔融，從而增強(qiáng)纖維間的結(jié)合力，提高紙張物理強(qiáng)度.本文采用表面堿處理的方法和使用PET/PET共混的復(fù)合纖維.

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1　實(shí)驗(yàn)原料

針葉木纖維、闊葉木纖維；聚酯纖維(中國儀征石化)；PET/PET共混的復(fù)合纖維(韓國)；聚氧化乙烯(PEO)，白色粉末(聚合度400萬，產(chǎn)地日本)；十二烷基苯磺酸鈉(LAS)，白色粉末(分析純，西安化學(xué)試劑廠)；氫氧化鈉(分析純，西安化學(xué)試劑廠).

1.2　實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1聚酯纖維改性實(shí)驗(yàn)

(1)表面預(yù)處理

把LAS粉末溶解在60 ℃的熱水中并配制成濃度為1.2×10-3mol/L的溶液(CMC≈1.2×10-3mol/L，60 ℃)，然后浸泡、攪拌洗滌聚酯纖維約30 min，最后用清水沖洗干凈.

(2)表面堿處理

配制濃度為3%的NaOH溶液，在溫度為95 ℃的恒溫水浴鍋中，浸泡、攪拌聚酯纖維約1 h，然后用清水沖洗干凈.

1.2.2聚酯纖維的添加紙張的制備

實(shí)驗(yàn)中分別取5%、10%、15%、20%(相對紙張絕干質(zhì)量)的聚酯纖維與植物纖維配抄定量為80 g/m2的紙張.抄紙過程中加入分散劑PEO，用量為0.12%(相對原紙質(zhì)量).最后采用三輥熱壓機(jī)對紙張進(jìn)行熱壓，熱壓工藝條件為：輥速2 m·min-1,壓力140 bar,溫度210 ℃，熱壓次數(shù)3次.

1.2.3性能檢測

制備的紙張經(jīng)恒溫恒濕處理后，按國家標(biāo)準(zhǔn)檢測方法測定紙張抗張強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、耐折度等性能.

2結(jié)果與討論

2.1　聚酯纖維的添加對紙張性能的影響

所用的聚酯纖維為經(jīng)過表面預(yù)處理的一般聚酯纖維，本實(shí)驗(yàn)探索了含量為5%～20%的聚酯纖維對紙張性能的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1　PET纖維添加量紙張性能影響

圖1　PET添加量與紙張抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)的關(guān)系

由圖1可以看出，當(dāng)聚酯纖維添加量為10%時(shí)，紙頁的抗張指數(shù)由22.0 N·m/g提高到27.0 N·m/g，相對增加22.73%，撕裂指數(shù)的變化不大.隨著纖維添加量的繼續(xù)增大，紙張的抗張指數(shù)下降，這是因?yàn)樗镁埘ダw維為普通化學(xué)纖維，未經(jīng)改性處理，親水性較差，纖維自身間及與植物纖維間結(jié)合力較弱，故隨著纖維添加量增大，紙張?jiān)绞杷?，厚度增加，緊度和抗張強(qiáng)度下降.由于聚酯纖維密度較小，此時(shí)抄紙表現(xiàn)是聚酯纖維聚集在紙張的表面，分散十分不均勻，掉纖維現(xiàn)象越來越嚴(yán)重.

綜上所述，聚酯纖維的添加量為10%左右比較合適.

2.2　聚酯纖維改性

2.2.1聚酯纖維表面堿處理

經(jīng)NaOH改性的聚酯纖維與植物纖維配抄紙張的性能如表2及圖2、圖3所示.

表2　PET纖維添加量對紙張性能的影響

圖2　改性前后PET添加量與紙張抗張指數(shù)的關(guān)系

圖3　改性前后PET添加量與紙張撕裂指數(shù)的關(guān)系

由圖2可以看出，經(jīng)表面堿處理的PET纖維配抄的紙張與未經(jīng)堿處理的PET的配抄紙張相比，抗張強(qiáng)度有明顯的提高，在PET用量達(dá)到15%時(shí)達(dá)到最大值，由22.0 N·m/g提高到31.8 N·m/g，相對提高44.5%.有資料介紹，NaOH處理后的纖維，光滑表面在堿的凹蝕作用下呈現(xiàn)出不同密度、深淺不一的微孔，表面粗糙并有縱向裂紋.同時(shí)，堿處理后的聚酯纖維結(jié)晶度下降，表面親水性基團(tuán)增多，纖維保水值增大，親水性能得到明顯改善，與植物纖維之間的結(jié)合力增強(qiáng)，相應(yīng)的紙張抗張強(qiáng)度會明顯提高.

由圖3可以看出，經(jīng)表面堿處理的PET纖維配抄的紙張撕裂強(qiáng)度沒有明顯的增強(qiáng)，這是因?yàn)镹aOH處理在提高纖維的親水性，增強(qiáng)紙張結(jié)合力的同時(shí)，也會因?yàn)榘嘉g作用對聚酯纖維造成一定的損傷，使得纖維本身的強(qiáng)度降低.

由表1和表2可以看出，經(jīng)堿處理和未經(jīng)堿處理的PET纖維配抄的紙張的耐折度并沒有明顯的變化，這是因?yàn)槟驼鄱群艽蟪潭壬先Q于纖維長度，而PET纖維和植物纖維的長度相近.

由以上分析可知，表面堿處理能明顯的提高聚酯纖維的親水性，抄紙時(shí)的分散性較好，紙張抗張強(qiáng)度有大幅度的提高，改性后的聚酯纖維最佳添加量為15%左右.但堿處理時(shí)要嚴(yán)格控制工藝條件，盡量減小對纖維本身的損傷，保持纖維原有的強(qiáng)度.

2.2.2PET/PET共混改性

實(shí)驗(yàn)所用的PET/PET復(fù)合纖維不僅具有良好的親水性，而且熔點(diǎn)較低(為110 ℃).其與植物纖維配抄的紙張性能如表3所示.

表3　PET/PET復(fù)合纖維添加量對紙張性能的影響

由表3可以看出，隨著PET復(fù)合纖維用量的增加，紙張的緊度不斷下降，透氣度和耐折度明顯提高.這是因?yàn)镻ET復(fù)合纖維較粗，平均長度較大，且未經(jīng)過打漿，所抄紙張組織疏松，空隙率較大，從而使得紙張的緊度下降，透氣度和耐折度明顯提高.

圖4　處理前后PET添加量與紙張抗張指數(shù)的關(guān)系

由圖4可以看出，PET/PET共混的復(fù)合纖維配抄紙張的抗張強(qiáng)度有明顯的提高，在PET復(fù)合纖維用量達(dá)到15%時(shí)達(dá)到最大值，由22.0 N·m/g提高到30.5 N·m/g，相對提高38.64%.這是因?yàn)镻ET/PET復(fù)合纖維是皮芯結(jié)構(gòu)，外面包覆著經(jīng)特殊加工的PET纖維，具有良好的親水性，與植物纖維結(jié)合力大；內(nèi)芯包覆的聚酯纖維具有很高的自身強(qiáng)度；PET復(fù)合纖維的熔點(diǎn)較低，在干燥溫度達(dá)到110 ℃時(shí)，PET復(fù)合纖維開始軟化，纖維之間接觸點(diǎn)開始粘結(jié)；隨著溫度的提高，纖維開始熔融，有流動性，纖維之間接觸面增加，從而使紙張的強(qiáng)度增加.

圖5　處理前后PET添加量與紙張撕裂指數(shù)的關(guān)系

由圖5可以看出，隨著PET/PET復(fù)合纖維含量的增加，紙張的撕裂強(qiáng)度大幅度提高，當(dāng)含量達(dá)到20%時(shí)，撕裂強(qiáng)度相對提高94.29%.其原因是所用PET復(fù)合纖維長度較大，所抄紙張的空隙率高，從而使得紙張的撕裂強(qiáng)度得到明顯增強(qiáng).故可得出以下結(jié)論：使用PET/PET共混的復(fù)合纖維與表面堿處理改性相比，PET/PET共混的復(fù)合纖維的效果更好，不僅能提高紙張的抗張強(qiáng)度，而且能保持聚酯纖維本身的強(qiáng)度，對纖維的損傷較小，能使紙張的抗張強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度和透氣度都得到明顯提高.

3結(jié)論

(1)添加化學(xué)纖維能在一定程度內(nèi)提高紙張的強(qiáng)度，但對于憎水性的化學(xué)纖維，添加量不宜超過15%，如添加過量紙張的強(qiáng)度和緊度會明顯下降.

(2)表面堿處理和使用PET/PET共混的復(fù)合纖維都能明顯提高聚酯纖維的親水性，紙頁強(qiáng)度得到提高.兩種改性方法相比較，使用PET/PET共混的復(fù)合纖維效果更好，既能提高纖維的親水性，又能保持化學(xué)纖維原有的強(qiáng)度，對纖維損傷小.

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Research on performance of polyester fiber and

plant fiber together papermaking

ZHANG Su-feng， JIANG Ying-ying， LI Peng-hui

(College of Light Industry and Energy, Shaanxi Province Key Laboratory of Papermaking Technology and Specially Paper, Shaanxi University of Science &Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:Based on polyester fiber as raw materials,this paper discusses the polyester fiber and plant fiber mix dipping paper will effect the performance of the paper,the results show that adding polyester fiber can make paper tensile index and tear index increased by 22.7% and 6% respectively,the optimum adding amount is generally not more than 15%.In order to improve the hydrophilicity of polyester fiber and reduce the softening point of polyester fiber,experiment by alkali treatment method on the surface modification,the results show that the hydrophilic modified polyester fiber are improved obviously,the use of PET/PET blend composite fiber,made of polyester fiber melting point 110 ℃,to enhance the bonding force between polyester fiber and plant fiber, thus improve the strength of the paper.

Key words:plant fiber; polyester fiber; research; performance

作者簡介:張素風(fēng)(1972-)，女，山西洪洞人，教授，博士，研究方向：纖維資源高值化利用及功能紙基材料

基金項(xiàng)目：陜西省科技廳科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2015KTCQ01-44)

*收稿日期:2015-09-25

中圖分類號：TS761.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

*文章編號：1000-5811(2015)06-0015-04