漿液濃度對其制備PET沉析纖維形態(tài)及紙張性能的影響

張美娟 張素風 萬 婧

(陜西科技大學輕工科學與工程學院,陜西省造紙技術及特種紙品開發(fā)重點實驗室,陜西西安,710021)

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·PET沉析纖維·

漿液濃度對其制備PET沉析纖維形態(tài)及紙張性能的影響

張美娟 張素風*萬 婧

(陜西科技大學輕工科學與工程學院,陜西省造紙技術及特種紙品開發(fā)重點實驗室,陜西西安,710021)

采用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、比表面積儀等檢測手段，對5種不同PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)漿液濃度制備的PET沉析纖維進行表觀形貌、比表面積大小及與PET短切纖維配抄的紙張性能的研究。結果表明，PET沉析纖維呈飄帶狀，尺寸細小，纖維原纖化程度大；隨著漿液濃度的增大，自制PET沉析纖維“樹干”結構明顯，在表面分裂出細小的微纖維量減少，形成近似棒狀的纖維束；PET沉析纖維的比表面積隨著漿液濃度的增大而減小；同時PET沉析纖維與PET短切纖維以5∶5比例配抄紙張的抗張指數、撕裂指數和耐破指數隨著漿液濃度的增大呈上升趨勢。

PET沉析漿粕；形態(tài)；濃度；成紙性能

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],PET纖維分子結構含有剛性的苯環(huán)和柔性的脂肪族鏈節(jié)，且分子結構高度對稱，因此賦予PET纖維一系列優(yōu)異的性能，如強度大、耐高溫、彈性模量高、分散性和加工性能好等，被廣泛應用于服飾、造紙、建筑、阻燃材料和隔音材料等領域[4]。PET沉析纖維作為PET纖維差別化新產品，兼具了合成纖維優(yōu)異的強度、耐熱性，另外纖維細小，比表面積大，易分散，可廣泛用于增強復合材料濕法成形。

目前沉析纖維的制備還處于研發(fā)階段，與傳統(tǒng)的熔融紡絲、濕法紡絲、液晶紡絲、靜電紡絲等纖維制造技術不同。沉析法制備沉析纖維的專利早在1961年就已發(fā)表[5]，PET沉析纖維通過沉析法[6-7]制備，即將一定濃度的PET漿液逐滴滴入高速剪切流動的沉析劑中。液滴在剪切流動過程中逐漸被拉伸變形、發(fā)生雙擴散、形成非均相體系、產生凝固分離，從而形成初生細小纖維(稱PET沉析纖維)。沉析纖維制備工藝簡單，省去了復雜的紡絲切割帚化過程，不需要磨漿和除雜質設備，對設備的要求較低。沉析纖維的形態(tài)特征及其在紙基材料中的含量對紙基材料性能有著重要的影響[8-10]。

本研究以5種不同PET漿液濃度制備的PET沉析纖維為原料，通過光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)及比表面積儀等儀器對PET沉析纖維的形態(tài)特征進行檢測分析。將PET沉析纖維和PET短切纖維按照5∶5的比例進行配抄，并研究不同PET沉析纖維的添加對紙張撕裂指數、抗張指數和耐破指數的影響。

1 實 驗

1.1 原料及主要儀器

PET切片，上海某廠家；PET短切纖維，長度3 mm，日本東洋紡織公司。

SK200 Digital數碼顯微鏡，麥克奧迪實業(yè)集團有限公司；TD10-200A標準手動抄片器，德國HG公司；60-2600撕裂度測定儀，Testing Machine INC；MTA-1000P耐破度測定儀，四川長江造紙儀器有限公司；062/69921抗張強度儀，瑞典Lorentzen & Wettre 公司；Gemini VII2390比表面積分析儀，麥克默瑞提克；TESCAN VEGA 3 SBH掃描電鏡，捷克TESCAN。

圖1 5種不同漿液濃度制備的PET沉析纖維的光學顯微鏡照片

1.2 PET沉析纖維的制備

稱取一定量的PET切片溶解在質量比為1∶1的苯酚-四氯乙烷混合溶液中，在80℃水浴鍋中攪拌30 min 左右，直到PET切片充分溶解，即得到一定濃度的PET漿液。再將PET漿液逐滴滴入高速剪切流動的沉析劑(甘油∶無水乙醇=3∶1體積比)中，液滴在剪切流動過程中逐漸被拉伸變形、漿液和沉析劑間發(fā)生雙擴散、形成非均相體系、產生凝固分離，從而形成初生細小纖維(即PET沉析纖維)。

1.3 PET沉析纖維形態(tài)觀察

1.3.1 顯微鏡觀察

取適量PET沉析纖維于標準疏解機中疏解20000轉，待沉析纖維充分分散后，用吸管吸取少量懸浮物于載玻片上，用赫氏試劑進行染色，制成玻片后在數碼顯微鏡下觀察PET沉析纖維的大小和形態(tài)。

1.3.2 SEM檢測

取少量樣品用導電膠固定在載臺上，表面經噴金處理后，采用SEM進行觀察，采用二次電子成像模式，加速電壓為15 kV。

1.4 比表面積測定

樣品經充分干燥后，采用比表面積分析儀對5種不同漿液濃度制備的PET沉析纖維比表面積進行測定，通過氮吸附法[11-12]計算樣品的比表面積。

1.5 PET紙張的制備

將漿液濃度為5.0%、7.5%、10.0%、12.5%、15.0%條件下制備的 5種PET沉析纖維分別同PET短切纖維按照5∶5比例進行配抄(紙張定量為100 g/m2)。

圖2 5種不同漿液濃度制備PET沉析纖維的SEM圖

在10 MPa、210℃條件下熱壓40 s。按照國家標準對紙張物理性能(抗張指數、撕裂指數、耐破指數)進行檢測，考察添加不同漿液濃度制備的PET沉析纖維對紙張性能的影響。

2 結果與討論

2.1 PET沉析纖維表面形態(tài)研究

2.1.1 光學顯微鏡觀察

5種不同漿液濃度(5.0%、7.5%、10.0%、12.5%、15.0%)制備的PET沉析纖維顯微鏡照片如圖1所示。由圖1可以看出，當漿液濃度較低時，單根PET沉析纖維呈細絲狀，排列整齊，沒有明顯的黏結現象。隨著漿液濃度增大，PET沉析纖維“樹干”結構明顯，較多細小纖維黏結在表面，說明漿液濃度增加時，體系大分子數增多，分子纏結的概率和流體黏度增大，分子鏈較難移動，剪切過程雙擴散作用不充分，多根纖維容易黏合在一起形成“樹干”結構的纖維。在濕法成紙過程，“樹干”結構的PET沉析纖維不易于均勻分散，進而會影響紙張的勻度。

2.1.2 表觀形貌觀察

漿液濃度是影響PET沉析纖維微觀形貌的主要因素之一，圖2為同一放大倍數下5種不同漿液濃度制備的PET沉析纖維的SEM圖。

從圖2可以看出，PET沉析纖維外形像飄帶，形態(tài)柔順，尺寸細小。對比5種不同漿液濃度制備的PET沉析纖維SEM照片，發(fā)現隨著PET漿液濃度的增大，分散的沉析纖維量較少，多股纖維相互黏結形成纖維束現象明顯，當漿液濃度為15.0%時，形成棒條狀沉析纖維較多，在表面分裂出的細小纖維量很少，可能原因是由于漿液黏度較大，漿液體系與沉析劑間存在較大的濃度差，高速剪切作用下，漿液液滴與沉析劑迅速發(fā)生雙擴散，在漿液表面形成一層致密的表皮層[13]，阻礙了雙擴散的進行，導致分裂出的細小纖維量減少。

2.2 漿液濃度對其制備PET沉析纖維比表面積影響研究

圖3為5種不同漿液濃度制備PET沉析纖維比表面積分布圖。由圖3可知，隨著漿液濃度的增大，制備的PET沉析纖維的原纖化程度越弱，細小纖維含量減少，PET沉析纖維的比表面積呈減小趨勢。當PET漿液濃度大于12.5%時，PET沉析纖維的比表面積緩慢減小，說明漿液濃度增加到一定程度，體系大分子量增加，高速剪切過程中，沉析劑與液滴表面發(fā)生擴散，在纖維表面形成一層致密的皮層，進而阻礙了纖維表面分裂出更多的細小纖維。因此PET沉析纖維比表面積減小。

圖3 5種不同漿液濃度制備PET沉析纖維比表面積分布圖

2.3 PET沉析纖維成紙性能研究

PET短切纖維作為骨架材料，均勻分散在紙張中，決定著紙張物理結構和機械強度。而PET沉析纖維形態(tài)柔順像飄帶，原纖化現象明顯，比表面積大等，用作填充和黏結材料。紙張熱壓過程中沉析纖維受熱軟化，與短切纖維緊密地黏結在一起，通過黏結作用及沉析纖維自身強度產生紙張整體力學結構，賦予紙張整體強度和性能[14]。

2.3.1 漿液濃度對紙張抗張指數的影響

影響抗張指數的3大因素：①纖維自身強度性質；②纖維間結合強度；③纖維的排列分布[15]。將PET短切纖維分別與5種不同漿液濃度制備的PET沉析纖維按5∶5比例進行配抄，在210℃、10 MPa條件下熱壓40 s測得紙張抗張指數如圖4所示。

圖4 漿液濃度對紙張抗張指數的影響曲線

由圖4可知，當漿液濃度從5.0%增加到10.0%時，對應制備的PET沉析纖維抄造紙張的抗張指數增加較快；當漿液濃度超過10.0%時，紙張的抗張指數增長緩慢，原因是漿液濃度在5.0%～10.0%時，由于產生的細小纖維量較多，進而熱壓后紙張結合強度大幅提升，這種作用對紙張強度的貢獻占據主要地位。隨著漿液濃度的繼續(xù)增大，產生的細小纖維量減少，熱壓后紙張結合強度降低，但多根纖維相互黏結現象明顯，沉析纖維自身強度增加。實驗結果表明，沉析纖維自身強度增加對紙張強度的貢獻足以抵消紙張熱壓后由于結合力下降對紙張強度造成的影響。因此，紙張抗張強度隨著漿液濃度的增加呈增長趨勢，但是纖維相互黏結數量過多，容易導致纖維分散不均勻，進而會對紙張強度起到負影響。

2.3.2 漿液濃度對紙張撕裂指數的影響

PET短切纖維與5種PET沉析纖維分別按5∶5比例配抄，經上述相同熱壓條件處理后測得撕裂指數如圖5所示。由圖5可知，隨著漿液濃度的增大，紙張撕裂指數與抗張指數一樣都呈現先快速增加再緩慢增加趨勢，分析原因與漿液濃度對紙張抗張指數影響相同。實驗表明，紙張熱壓后細小纖維變形和遷移的結果會使纖維間的空隙變小和變少，纖維接觸面積變大，纖維結合更緊密，從而使紙張撕裂指數大幅提高。

圖5 漿液濃度對紙張撕裂指數的影響

2.3.3 漿液濃度對紙張耐破指數的影響

PET短切纖維與5種PET沉析纖維分別按5∶5比例配抄，熱壓后測得紙張耐破指數如圖6所示。耐破指數是衡量紙張在單位面積上所能承受的均勻增大的最大壓力指標，影響耐破指數的因素主要有纖維長度和纖維間的結合力，其中纖維間的結合力對紙張耐破指數影響更大。由圖6可知，紙張的耐破指數隨著漿液濃度的增大呈上升趨勢。當漿液濃度較小時，細小纖維在紙張中的分布相當于單層排列，纖維間的結合力是由細小纖維與短切纖維表面黏結產生；隨著漿液濃度增大，多根纖維黏結形成初生纖維束在紙張中相當于多層排列，初生纖維束除了纖維間存在作用力外還與短切纖維表面黏結產生作用力，這兩種作用力交織在一起，形成網狀作用力，能夠承受較大的外界壓力，一定程度上提高了紙張的耐破指數。

圖6 漿液濃度對紙張耐破指數的影響

3 結 論

本實驗研究了5種不同PET漿液濃度制備PET沉析纖維的性能,及與PET短切纖維配抄紙張的性能。

3.1 PET沉析纖維呈飄帶狀，尺寸細小，纖維分絲帚化現象明顯。隨著PET漿液濃度的增大，PET沉析纖維原纖化程度減小，細小沉析纖維含量減小，多根纖維黏結形成初生纖維束現象明顯。

3.2 隨著PET漿液濃度的增大，PET沉析纖維的比表面積呈減小趨勢，當PET漿液濃度超過12.5%時，PET沉析纖維的比表面積變化趨勢減小。

3.3 PET沉析纖維與PET短切纖維以5∶5的比例配抄紙張，紙張的抗張指數和撕裂指數隨著PET漿液濃度的增大呈現先快速增長再緩慢增長的趨勢；紙張的耐破指數隨著PET漿液濃度的增大呈現增長趨勢?？傊S著PET漿液濃度的增大，紙張的抗張指數、撕裂指數及耐破指數均增大。

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(責任編輯：劉振華)

The Influence of PET Slurry’s Concentration on the Morphology and Property of PET Fibrids

ZHANG Mei-juan ZHANG Su-feng*WAN Jing

(CollegeofLightIndustryScienceandEnergying,ShaanxiProvinceKeyLabofPapermakingTechnologyandSpecialtyPaper,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

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

In this paper, 5 kinds of PET fibrids prepared from different concentration of slurry were observed under microscope and scanning electron microscope, their specific surface area were tested, and their papermaking performance was also studied. The results showed that the morphology of PET fibrids was the streamers, however, as the concentration increasing of PET slurry, several fibrids were gathered together, and formed the fiber bundle. The specific surface area of PET fibrid decreased as the increasing of slurry’s concentration, tensile index, tear index and burst index of the PET papers were enhanced as the increasing of slurry’s concentration.

PET fibrid; morphology; concentration; paper property

張美娟女士,在讀碩士研究生;主要研究方向:PET沉析纖維新材料的制備及性能研究。

2016- 01-23(修改稿)

陜西省2015科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃(編號：2015-KTCQ01- 44)。

TS722

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.09.005

*通信作者：張素風女士，E-mail:sufengzhang@126.com。