高強高模聚乙烯醇纖維對紙張性能的影響

徐飛強　張方東　王　彪

(天津科技大學造紙學院,天津，300457)

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·聚乙烯醇纖維·

高強高模聚乙烯醇纖維對紙張性能的影響

徐飛強張方東*王彪

(天津科技大學造紙學院,天津，300457)

探討了高強高模聚乙烯醇(HSHMPVA)纖維長度及其排列對紙張性能和經(jīng)酸堿處理、殼聚糖涂敷的HSHMPVA纖維對紙張性能的影響。結(jié)果表明，紙張裂斷長和撕裂指數(shù)隨著HSHMPVA纖維長度的增加而提高；但HSHMPVA纖維用量增加,紙張的橫向裂斷長和撕裂指數(shù)均會有所下降；酸堿處理的HSHMPVA纖維對紙張增強效果為:酸處理>堿處理；殼聚糖涂敷HSHMPVA纖維對紙張有顯著增強效果。

HSHMPVA；紙張性能；裂斷長；撕裂指數(shù)；纖維排列

高強高模聚乙烯醇(HSHMPVA)纖維可采用濕法加硼式紡絲、直接醇解式紡絲和凝膠式紡絲等加工技術(shù)制得[1]。這類纖維在熱水中幾乎不溶解,為了將其與水溶性纖維區(qū)分開,習慣稱為難溶性聚乙烯醇纖維,其強度一般為10～13 cN/dtex,模量可達200～400 cN/dtex[2]。

由于HSHMPVA纖維具有較高的強度性能,其在各行業(yè)中均有應用[3]。HSHMPVA纖維最早應用于提高混凝土基材、纖維水泥板的強度性能,還可以應用在建筑墻體上[4]。隨著造紙纖維功能化需求的增加,HSHMPVA纖維在特種紙上的應用逐漸增多[5]。面對如何使其表面粗糙的問題,國內(nèi)外學者研究并提出了一系列纖維表面改性的方法,如酶處理、等離子改性、臭氧氧化等[6- 8]。肖長發(fā)等人[2]提出可通過在濕法紡絲拉伸過程中增加PVA纖維的間規(guī)體積分數(shù)來實現(xiàn)其強度性能的進一步提升；余調(diào)娟等人[9]采用丙烯酸和聚丙烯纖維共輻照接枝的方法改性PVA纖維,探討其對濕法抄紙工藝的影響。

本實驗探討了HSHMPVA纖維長度、纖維排列、用量對紙張性能的影響,研究了酸、堿處理以及殼聚糖涂敷3種處理方式改性后的HSHMPVA纖維對紙張性能的影響。為特種紙的生產(chǎn)提供一定的參考。

1　實　驗

1.1原料和試劑

高強高模聚乙烯醇(HSHMPVA)(長度分別為2、4、6 mm)產(chǎn)自深圳某化纖廠。漂白硫酸鹽針葉木漿(NBKP),由山東某制漿廠提供,纖維平均長度2.114 mm,纖維平均寬度29.2 μm,初始打漿度14°SR。H2SO4、冰醋酸均為分析純，天津市化學試劑一廠；NaOH、殼聚糖均為分析純，購自天津市江天化工技術(shù)有限公司。

1.2主要儀器

動態(tài)紙頁成形器(FDA,法國Techpap公司),掃描式電子顯微鏡(SU-1510,日本日立公司),激光共聚焦掃描顯微鏡(EC-C1,日本NIKON公司),快速紙頁成形器(RK-ZA-KWT,奧地利PTI公司)。

1.3實驗方法

1.3.1漿料的制備

將漂白硫酸鹽針葉木漿板撕碎，置于去離子水中浸泡4 h,然后放入纖維解離器中按照QB/T1462—1992標準進行漿料疏解,再將漿料用布氏漏斗脫水,平衡水分后測其水分含量,放入密封容器內(nèi)儲存待用。

取絕干漿料和HSHMPVA纖維共計30 g(3種纖維配抄時需要加入一定比例的水溶性PVA纖維),加水至漿濃為10%,放入PFI磨中進行磨漿處理,直至打漿度為45°SR。取出并用布式漏斗過濾脫水,以減少細小纖維的流失,然后平衡水分,測其水分后儲存于密閉容器內(nèi)。

1.3.2抄紙

按GB/T 24324—2009和FDA操作手冊用快速紙頁成形器和動態(tài)紙頁成形器抄紙,紙張定量為60 g/m2。

1.3.3紙張物理性能檢測

將抄好的紙張置于恒溫恒濕環(huán)境中24 h，按相應國家標準進行紙張的物理性能檢測。紙張裂斷長和伸長率按照GB/T 12914—2008測定；撕裂指數(shù)按GB/T 455—2002測定；松厚度按GB/T 451.3—1989測定。

1.3.4HSHMPVA纖維的改性處理

酸處理：先將98%濃H2SO4稀釋成濃度為5%、10%和15%的溶液,將稱量好的HSHMPVA纖維放入不同濃度H2SO4的燒杯中,并將其放入恒溫水浴鍋中控制溫度在25℃,處理時間90 min,取出后用蒸餾水洗滌至中性備用。

堿處理：配制濃度為5%、10%和15%的NaOH溶液,并分別對HSHMPVA纖維進行處理,處理條件與酸處理相同。

殼聚糖涂敷：殼聚糖能溶于某些低濃度的有機酸和無機酸中,因為殼聚糖是帶有氨基的堿性多糖[10],實驗中采用錢麗穎等人研究的化學纖維改性新方法。稱取0.1 g殼聚糖放入已配好的100 mL濃度為0.2%的稀醋酸溶液中,用磁力攪拌器攪拌9～10 h,使其充分溶解,并用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至接近中性。用濾布分離溶液中的殼聚糖凝膠,將稱量好的HSHMPVA纖維(約1 g)加入到殼聚糖凝膠中攪拌均勻,并不斷通入CO2使其偏酸性,浸泡9～10 h后將HSHMPVA纖維取出,風干備用[11]。

1.3.5動態(tài)紙頁成形器漿網(wǎng)速比設(shè)置

在裝置中,成形桶的轉(zhuǎn)速即為網(wǎng)速(m/min),而漿速則需要根據(jù)漿泵轉(zhuǎn)速及漿流量間接計算,即漿速=流量(Q)/噴頭面積(S),實驗中取噴頭型號為2510,孔徑2 mm,則漿速約為320·Q,其中Q可根據(jù)不同漿泵轉(zhuǎn)速下記錄噴射1 L漿料所需的時間來獲得[12],具體如表1所示。

表1　漿泵轉(zhuǎn)速與漿速換算表(漿濃0.2%)

2　結(jié)果與討論

2.1HSHMPVA纖維長度對紙張強度的影響

由于HSHMPVA纖維表面無羥基,與紙漿纖維之間只能以物理纏繞的方式結(jié)合,因此加入HSHMPVA纖維后紙張纖維結(jié)合強度下降。然而,在用量相同的情況下,纖維長度的增加有利于紙張三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的加固。因此，可通過紙張纖維結(jié)合強度下降權(quán)重來間接表示纖維長度對紙張強度性能的影響。圖1為HSHMPVA纖維長度對紙張強度性能的影響。由圖1可知,紙張裂斷長和撕裂指數(shù)會隨HSHMPVA纖維長度增加而提高。

2.2HSHMPVA纖維排列及用量對紙張性能的影響

動態(tài)紙頁成形器可通過設(shè)置漿泵的轉(zhuǎn)速來間接控制漿速,需要根據(jù)實驗方法1.3.5換算實際的漿速。由于設(shè)備的局限性,實際網(wǎng)速的選擇范圍只能在1000～1400 m/min的區(qū)間內(nèi)。表2所列為長度4 mm的HSHMPVA纖維不同用量下，纖維排列對紙張性能的影響。通過表2可知,漿速不變的條件下,不同的網(wǎng)速對紙張松厚度的影響不大,但HSHMPVA纖維的用量對紙張的松厚度影響較大。這是因為HSHMPVA纖維本身的柔軟度要比植物纖維差,在纖維結(jié)合過程中不易彎曲,增加了纖維結(jié)合點處的厚度,因此,紙張松厚度會隨著HSHMPVA纖維用量的增加而上升。

圖1　HSHMPVA纖維長度對紙張強度性能的影響

HSHMPVA纖維用量/%網(wǎng)速/m·mm-1松厚度/cm3·g-1裂斷長/km縱向橫向撕裂指數(shù)/mN·m2·g-1縱向橫向010001.8911.33.576.6917.011001.8411.43.566.7516.412001.7411.83.496.8916.013001.8111.83.337.3815.714001.8211.83.247.5014.91510002.369.932.827.2414.111002.359.852.787.3914.112002.419.692.827.2014.213002.419.612.726.8715.114002.359.542.736.6215.82510002.669.482.116.2311.311002.549.382.246.4012.412002.688.882.286.4713.213002.648.792.336.5413.614002.708.742.266.5113.7

注漿速353 m/min。

通過對比可以發(fā)現(xiàn),添加長度4 mm HSHMPVA纖維后，紙張縱、橫向裂斷長隨網(wǎng)速的升高卻表現(xiàn)出與未添加HSHMPVA纖維相反的趨勢,這主要是由于加入HSHMPVA纖維,隨著網(wǎng)速的提高,會使纖維有序排列程度加大,導致紙張強度影響因素之一的“纖維間的機械纏結(jié)”作用減少,纖維間結(jié)合力作用的權(quán)重增加,而HSHMPVA纖維自身與紙漿纖維之間幾乎沒有結(jié)合力,對紙張橫向裂斷長而言,沿橫向排列的HSHMPVA纖維數(shù)量會減少,紙漿纖維則相對增加,導致橫向裂斷長隨縱橫比的增加而有所提高；而縱向排列的HSHMPVA纖維較多,縱向裂斷長則相對下降。撕裂指數(shù)主要受纖維平均長度的影響,由于所加入的HSHMPVA纖維長度略長于紙漿纖維,當紙張縱向排列的纖維增多時,導致橫向撕裂紙張所克服的阻力增大,表現(xiàn)為橫向撕裂指數(shù)隨網(wǎng)速的增大而上升,縱向撕裂指數(shù)則相對下降。

為了更加直觀地研究HSHMPVA纖維用量、網(wǎng)漿速比對紙張裂斷長的影響,將表2中的數(shù)據(jù)變化總結(jié)如圖2所示。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，漿速一定，當網(wǎng)速小于某一臨界值時,縱向裂斷長的變化比較平緩,而超過這個臨界值,則變化幅度開始增大。由此可知,纖維間結(jié)合力在影響紙張縱向裂斷長中的權(quán)重會在網(wǎng)漿速比到達臨界值后上升。

圖2　不同HSHMPVA纖維用量網(wǎng)漿速比對紙張縱向裂斷長的影響

2.3酸、堿處理及殼聚糖涂敷HSHMPVA纖維對紙張性能的影響

圖3所示為不同濃度的酸堿處理后HSHMPVA纖維對紙張裂斷長的影響。由圖3可知,經(jīng)過酸或堿處理后的HSHMPVA纖維所抄紙張裂斷長會有所提高,且隨著酸或堿濃度的增加,紙張裂斷長的增幅也會加大,這主要是由于酸或堿能對HSHMPVA纖維表面起腐蝕作用,利用酸堿的腐蝕性來增加纖維表面的粗糙程度，從而提高HSHMPVA纖維與木漿纖維間的結(jié)合強度。圖4給出了酸處理前后HSHMPVA纖維的表面變化。由圖4可以明顯看出，酸處理后HSHMPVA纖維與未處理的HSHMPVA纖維相比，纖維粗糙,發(fā)生了形變。由圖3還可以看出,經(jīng)過酸處理的HSHMPVA纖維對紙張的增強效果要優(yōu)于堿處理的效果,這與纖維本身耐堿性有關(guān)。

表3為殼聚糖涂敷HSHMPVA纖維對紙張性能的影響。由表3可知，殼聚糖涂敷HSHMPVA纖維的紙張裂斷長、撕裂指數(shù)和伸長率均高于未經(jīng)殼聚糖涂敷HSHMPVA纖維紙張的。這主要是由于表面光滑的HSHMPVA纖維涂敷了一層殼聚糖后,纖維親水性得到極大改善,增加了其與木漿纖維間氫鍵的結(jié)合數(shù)量,從而提高纖維間的結(jié)合力,使紙張強度性能得到提升。

圖3　不同濃度的酸堿處理后的HSHMPVA纖維對紙張裂斷長的影響

圖4　酸處理前后HSHMPVA纖維表面的變化

裂斷長/km撕裂指數(shù)/mN·m2·g-1伸長率/%殼聚糖涂敷 5.8915.12.55未經(jīng)殼聚糖涂敷5.3714.92.26

注4 mm HSHMPVA纖維用量為5%。

3　結(jié)　論

3.1紙張裂斷長和撕裂指數(shù)會隨高強高模聚乙烯醇(HSHMPVA)纖維長度增加而上升。

3.2HSHMPVA纖維用量的增加可以提高紙張的松厚度,但會降低紙張的裂斷長和撕裂指數(shù)。

3.3相同HSHMPVA纖維用量,增加網(wǎng)漿速比,會增加紙張橫向裂斷長,降低紙張的縱向裂斷長；增加橫向撕裂指數(shù),降低縱向撕裂指數(shù)。

3.4經(jīng)過酸處理或堿處理的HSHMPVA纖維均可以增加紙張裂斷長,其中,酸處理的HSHMPVA纖維增強效果要好于堿處理的；且殼聚糖涂敷過的HSHMPVA纖維也對紙張強度提高有一定的促進作用。

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(責任編輯：董鳳霞)

Effect of High Strength and High Modulus Polyevinyl Alcohol Fiber on the Mechanical Properties of Handsheet

XU Fei-qiangZHANG Fang-dong*WANG Biao

(CollegeofPapermakingScienceandTechnology,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin, 300457)

(*E-mail: fangdongzh@126.com)

In this work, dynamic sheet former (DSF) was used to simulate the process of layered papermaking on multilayer inclined wire former. The effects of HSHMPVA fiber length and arrangement on the mechanical properties of handsheet were studied. In addition, different treatments for HSHMPVA fiber and its effects on handsheet properties were also investigated, including chitosan coating, acid treatment and alkali treatment. Results showed that breaking length and tear index increased with increasing the HSHMPVA fiber length; however, the amount increase of HSHMPVA in the system could lead to decrease the cross direction breaking length and tear index of handsheet. Moreover, the acid treatment had more positive effect on the mechanical properties of handsheet than the alkali treatment. HSHMPVA with chitosan coating had significant enhancement effect.

HSHMPVA; handsheet properties; breaking length; tear index；fiber arrangement

徐飛強先生,在讀碩士研究生；研究方向：清潔制漿及木質(zhì)資源綜合利用。

2015-12- 06(修改稿)

張方東先生，E-mail:fangdongzh@126.com。

TQ722

ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.06.004