PET沉析漿粕形態(tài)及性能研究

張素風　萬　婧　張美娟

(陜西科技大學輕工與能源學院,陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室,

陜西西安,710021)

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·沉析漿粕·

PET沉析漿粕形態(tài)及性能研究

張素風萬婧*張美娟

(陜西科技大學輕工與能源學院,陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室,

陜西西安,710021)

摘要：以在不同剪切速率下自制的5種PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)沉析漿粕為原料,對其進行光學顯微鏡觀察、比表面積測試及篩分分析,并對這5種漿粕的抄造性能進行了研究。結(jié)果表明,PET沉析漿粕的組分主要分布在16～30目之間,R16與R30組分比例之和隨剪切速率的提高分別為90.7%、90%、84.8%、80.6%和65.6%,主要長度為0.596～1.192 mm,細小纖維(P200)比例隨剪切速率的提高分別為1.9%、2.7%、3.4%、10.4%、25%,沉析漿粕的比表面積也隨之增大。當PET沉析漿粕∶PET短切纖維=50∶50時,紙張的抗張指數(shù)和耐破指數(shù)最大,當PET沉析漿粕∶PET短切纖維=30∶70時,紙張的撕裂指數(shù)最大。

關(guān)鍵詞：PET沉析漿粕；形態(tài)；性能

隨著特種紙的發(fā)展,功能紙的作用越來越受到人們的重視[1]。聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)纖維作為功能紙的紙基材料,既是聚酯纖維[2]的代表,也是當前合成纖維的第一大品種[3],其性價比高、強度大、耐高溫、彈性好、分散性和加工性能也好,廣泛應(yīng)用于服飾、造紙、建筑、阻燃材料和隔音材料等[4],為工業(yè)、建筑業(yè)、交通運輸業(yè)和人們的日常生活提供多樣化產(chǎn)品。PET沉析漿粕是PET纖維的差別化品種,是一種耐高溫、具有高度分散的PET纖維原纖產(chǎn)品,它在保留了PET纖維優(yōu)良的機械性能的同時,具有更強的復(fù)合效果,目前還處于研發(fā)階段。與傳統(tǒng)的纖維制造技術(shù)不同,PET沉析漿粕采用沉析法[5- 6]制備,其工藝簡單,對設(shè)備的要求也不高。沉析法制備漿粕可以追溯到1961年[7]。本文以實驗室自制的PET沉析漿粕為原料,對PET沉析漿粕進行光學顯微鏡觀察、比表面積測試及篩分分析,并以PET沉析漿粕與PET短切纖維進行不同比例的配抄,考察紙張的抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)。

1實驗

1.1原料及主要儀器

在剪切速率分別為1000 r/min、1500 r/min、2000 r/min、2500 r/min、3000 r/min的條件下制備A、B、C、D、E 5種PET沉析漿粕。

本實驗所用原料及主要儀器見表1所列。

表1　原料及主要儀器

1.2顯微鏡觀察

取適量PET沉析漿粕在疏解機中疏解,使?jié){粕分散均勻,用吸管吸取少量均勻分散的漿粕于載玻片上,用赫氏試劑進行染色,制成玻片后在SK200 Digital型數(shù)碼顯微鏡下觀察其形態(tài)。

圖1　5種沉析漿粕的數(shù)碼顯微鏡觀察

1.3篩分分析

參考GB/T2678.1—1993,采用奧地利PTI公司生產(chǎn)的BMN5A保爾篩分儀進行漿粕篩分分析。取漿粕樣品10 g(絕干),稀釋至2000 mL,于標準疏解器中疏解20000轉(zhuǎn),待纖維充分解離后于15～18 s內(nèi)注入篩分水箱。篩網(wǎng)數(shù)目分別為R16、R30、R50、R100和R200,篩分時間為20 min。

1.4比表面積測試

PET沉析漿粕與植物纖維不同,其分子之間很難形成氫鍵結(jié)合,紙張的強度主要靠纖維間的物理結(jié)合,因而其比表面積的大小對于紙張的強度有著至關(guān)重要的影響,所以比表面積是漿粕的一項重要性能[8]。

采用BET氮吸附法[9]測定并計算出漿粕的比表面積。

1.5抄造手抄片

以A、B、C、D、E 5種PET沉析漿粕及PET短切纖維為原料,將每種PET沉析漿粕與PET短切纖維按30∶70、40∶60、50∶50、60∶40、70∶30比例進行配抄(定量為100 g/m2),在10 MPa、210℃條件下熱壓40 s。按照國家標準對手抄片進行物理性能測試,考察不同配比對各種PET沉析漿粕抄造性能的影響,同時通過考察不同配比下各種PET沉析漿粕的抄造性能來判斷漿粕的情況。

2結(jié)果與討論

2.1沉析漿粕形態(tài)觀察

圖1所示為A、B、C、D、E 5種PET沉析漿粕進行光學顯微鏡觀察結(jié)果。由圖1可以看出,當控制其他條件不變,剪切速率較小時,沉析漿粕A的“樹干”結(jié)構(gòu)明顯,分支結(jié)構(gòu)較少,隨著剪切速率的提高,漿粕中較為粗壯的“樹干”分裂成較細的“樹干”,并伴有微細纖維產(chǎn)生,有助于沉析漿粕成形過程中的均勻分散以及與短切纖維之間的銜接,對紙張強度性能的提高有一定好處。

2.2沉析漿粕尺寸分布

為了解實驗室自制PET沉析漿粕的尺寸分布,對不同剪切速率下制備的PET沉析漿粕進行篩分分析,測量存留在R16、R30、R50、R100和R200上的纖維占總量的質(zhì)量分數(shù),各網(wǎng)目對應(yīng)的孔徑大小依次為1.192、0.596、0.318、0.154和0.074 mm。對留存在篩網(wǎng)上的漿粕級分用R表示,通過篩網(wǎng)的級分用P表示。篩分分析結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出,PET沉析漿粕組分主要分布在16～30目之間,R16與R30組分比例之和隨剪切速率的增大分別為90.7%、90%、84.8%、80.6%、65.6%,主要長度在0.596～1.192 mm之間,細小纖維(P200)比例隨剪切速率的提高分別為1.9%、2.7%、3.4%、10.4%、25%。隨著剪切速率的增大,沉析漿粕中的長纖維含量逐漸降低,細小纖維的含量逐漸升高,說明沉析漿粕的原纖化程度越來越大,但是細小纖維的含量太高會使其在抄造過程中過多流失,不利于紙張性能的提高。

圖2　PET沉析漿粕的尺寸分布

圖3　PET沉析漿粕的比表面積

圖4　PET沉析漿粕與PET短切纖維不同配比對紙張抗張指數(shù)的影響

2.3沉析漿粕比表面積

圖3所示為A、B、C、D、E 5種PET沉析漿粕纖維的比表面積測試結(jié)果。由圖3可以看出,隨著剪切速率的提高,PET沉析漿粕的原纖化程度提高,PET沉析漿粕的比表面積逐漸增大。剪切速率超過2500 r/min后,PET沉析漿粕的比表面積增長緩慢。PET沉析漿粕的比表面積增大,便于其與PET短切纖維充分接觸,有利于紙張性能的提高。

2.4PET沉析漿粕的成紙性能

PET沉析漿粕的成紙性能直接影響其開發(fā)和應(yīng)用,本實驗對A、B、C、D、E 5種PET沉析漿粕與PET短切纖維分別以30∶70、40∶60、50∶50、60∶40、70∶30 的配比抄造手抄片,并經(jīng)210℃、10 MPa條件下熱壓40 s,考察不同配比PET沉析漿粕對手抄片的抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)的影響。

2.4.1對紙張抗張指數(shù)的影響

圖4所示為PET沉析漿粕與PET短切纖維不同配比對紙張抗張指數(shù)的影響。

由圖4可以看出,PET沉析漿粕與PET短切纖維配比從30∶70增加到50∶50時紙張的抗張指數(shù)逐漸增大；PET沉析漿粕與PET短切纖維配比從50∶50增加到70∶30時紙張的抗張指數(shù)逐漸減小；而當沉析漿粕與短切纖維的配比為50∶50時,紙張的抗張指數(shù)最大,說明沉析漿粕和短切纖維以50∶50配抄時，沉析漿粕與短切纖維之間的結(jié)合力最大,其中C沉析漿粕配抄出來的紙張在PET沉析漿粕與PET短切纖維以50∶50的配比抄造時的抗張指數(shù)最大,為36.5 N·m/g。

圖5　PET沉析漿粕與PET短切纖維不同配比對紙張撕裂指數(shù)的影響

2.4.2對紙張撕裂指數(shù)的影響

圖5所示為PET沉析漿粕與PET短切纖維不同配比對紙張撕裂指數(shù)的影響。由圖5可以看出,沉析漿粕與短切纖維的配比從30∶70增加到40∶60時,紙張的撕裂指數(shù)減小較快；沉析漿粕與短切纖維的配比從40∶60 增加到60∶40時，紙張的撕裂指數(shù)減小較為緩慢；沉析漿粕與短切纖維的配比從60∶40增加到70∶30時,紙張的撕裂指數(shù)又呈現(xiàn)一個高速減小的趨勢。總體而言,隨著沉析漿粕用量的增大,紙張的撕裂指數(shù)逐漸降低。紙張被撕裂時,或者要把纖維從樣品中拉出,或者要把纖維撕斷,所以纖維是影響撕裂指數(shù)的主要因素。隨著沉析漿粕含量的增大,短切纖維含量逐漸減小,把纖維從樣品中拉出或者把纖維撕斷所需要的力相對較小,因而紙張的撕裂指數(shù)會有所降低。其中D沉析漿粕配抄出來的紙張在PET沉析漿粕與PET短切纖維以30∶70配抄時的撕裂指數(shù)最高,為39.2 mN·m2/g。

圖6　PET沉析漿粕與PET短切纖維不同配比對紙張撕裂指數(shù)的影響

2.4.3對紙張耐破指數(shù)的影響

圖6所示為PET沉析漿粕與PET短切纖維不同配比對紙張耐破指數(shù)的影響。由圖6可以看出,沉析漿粕與短切纖維的配比從30∶70增加到50∶50時,紙張的耐破指數(shù)逐漸增大；沉析漿粕與短切纖維的配比從50∶50增加到70∶30時紙張的耐破指數(shù)逐漸減小,當沉析漿粕與短切纖維的配比為50∶50時,紙張的耐破指數(shù)最大。其中D沉析漿粕配抄出來的紙張在PET沉析漿粕與PET短切纖維的配比為50∶50時,耐破指數(shù)最大為5.09 kPa·m2/g。耐破指數(shù)反映沉析漿粕與短切纖維之間的結(jié)合強度,這與沉析漿粕與短切纖維的配比對紙張抗張指數(shù)的影響一致。

3結(jié)論

以不同剪切速率下自制的5種PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)沉析漿粕為原料，對其進行光學顯微鏡觀察、比表面積測試及篩分分析，并對這5種PET沉析漿粕的抄造性能進行研究。

3.1隨著剪切速率的提高,PET沉析漿粕的原纖化程度也隨之提高,表現(xiàn)為粗壯樹干結(jié)構(gòu)逐漸分化為細絲狀,并伴有微細纖維產(chǎn)生。

3.2PET沉析漿粕的組分主要分布在16～30目之間,R16與R30的組分比例之和隨剪切速率的增大分別為90.7%、90%、84.8%、80.6%、65.6%,主要長度為0.596～1.192 mm。細小纖維(P200)比例隨剪切速率的提高分別為1.9%、2.7%、3.4%、10.4%、25%。隨著剪切速率的增大,沉析漿粕中的長纖維含量逐漸降低,細小纖維的含量逐漸升高,細小纖維的含量太高會使其在抄造過程中過多流失,不利于紙張強度性能的提高。

3.3隨著剪切速率的提高,PET沉析漿粕的比表面積逐漸增大,剪切速率超過2500 r/min后，PET沉析漿粕的比表面積增長緩慢。

3.4紙張的抗張指數(shù)隨著沉析漿粕比例的增加呈現(xiàn)一個先上升后下降的趨勢。其中C沉析漿粕(剪切速率為2000 r/min的漿粕)配抄出來的紙張在PET沉析漿粕與PET短切纖維配比為50∶50時,抗張指數(shù)最高,為36.5 N·m/g。

3.5紙張的撕裂指數(shù)隨著沉析漿粕比例的增加呈現(xiàn)一個逐漸遞減的趨勢。其中D沉析漿粕(剪切速率為2500 r/min的漿粕)配抄出來的紙張在PET沉析漿粕與PET短切纖維配比為30∶70時,撕裂指數(shù)最高,為39.2 mN·m2/g。

3.6紙張的耐破指數(shù)隨著沉析漿粕比例的增加呈現(xiàn)一個先上升后下降的趨勢,這種趨勢與紙張的抗張指數(shù)趨勢相同。其中D沉析漿粕(剪切速率為2500 r/min的漿粕)配抄出來的紙張在PET沉析漿粕與PET短切纖維配比為50∶50時,耐破指數(shù)最高,為5.09 kPa·m2/g。

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(責任編輯：馬忻)

Study on the Morphology and Property of PET Fibrid

ZHANG Su-fengWAN Jing*ZHANG Mei-juan

(CollageofLightIndustryandEnergy,ShaanxiProvinceKeyLabofPapermakingTechnologyandSpecialtyPaper,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021) (*E-mail: 1092459579@qq.com)

Abstract：In this paper, 5 kinds of PET fibrid prepared in laboratory were observed under microscope, their specific surface area and fractionation were tested, and their papermaking property was also studied. The result showed that the distribution of PET fibrid’s constituent was mainly in between 16 and 30 mesh, the amounts of this part accounted for 90.7%, 90%, 84.8%, 80.6% and 65.6% respectively as the shearing rate increasing. The length was mainly in between 0.596 mm and 1.192 mm, the proportions of fines passed the sieve accounted for 1.9%, 2.7%, 3.4%, 10.4% and 25% respectively and the specific surface area increased as the shearing rate increasing. When the ratio of PET fibrid ∶chopped fiber=5∶5, tensile index and burst index of the paper were the maximal, when PET fibrid ∶chopped fiber=3∶7, tear index of the paper was maximal．

Key words：PET fibrid; morphology; property

中圖分類號：TS722

文獻標識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.03.007

*通信作者：萬婧女士,E-mail:1092459579@qq.com。

基金項目：陜西省2015科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃(編號：2015KT-CQ01- 44)。

收稿日期：2015- 09-11(修改稿)

作者簡介：張素風女士，博士，教授；主要研究方向：纖維新材料與現(xiàn)代造紙開發(fā)研究。