原纖化處理植物纖維對(duì)其多孔材料結(jié)構(gòu)和性能的影響

張美云， 蘇治平， 陸趙情， 張美娟

(1.陜西科技大學(xué) 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710021； 2.浙江仙鶴特種紙有限公司， 浙江 衢州 324022)

原纖化處理植物纖維對(duì)其多孔材料結(jié)構(gòu)和性能的影響

張美云1， 蘇治平1， 陸趙情1， 張美娟2

(1.陜西科技大學(xué) 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710021； 2.浙江仙鶴特種紙有限公司， 浙江 衢州 324022)

研究了原纖化處理植物纖維對(duì)其多孔復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性能和動(dòng)態(tài)壓縮性能的影響.利用超景深顯微鏡(SDFM)對(duì)植物纖維多孔復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特性，包括表面形貌和Z向纖維分布進(jìn)行了表征.利用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(UMTM)對(duì)植物纖維多孔復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)壓縮特性進(jìn)行了測(cè)試.結(jié)果表明，利用原纖化處理后的植物纖維制備的多孔復(fù)合材料具有更均勻的孔隙結(jié)構(gòu)，而且纖維在Z向分布更加均勻.原纖化處理后纖維之間的結(jié)合力增強(qiáng)，使得多孔材料更加密實(shí)化，結(jié)果導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的平壓區(qū)逐漸變短，密實(shí)化變形區(qū)域向低應(yīng)變點(diǎn)偏移.

植物纖維； 原纖化處理； 多孔復(fù)合材料； 結(jié)構(gòu)表征； 動(dòng)態(tài)壓縮性能

0 引言

石油基多孔復(fù)合材料具有結(jié)構(gòu)輕、絕緣性能優(yōu)異、緩沖性能顯著、吸附能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，其已被廣泛的用作包裝、緩沖、絕緣以及過(guò)濾等材料使用.但其不可生物降解性已經(jīng)對(duì)環(huán)境造成了很大威脅，影響了人類的健康[1].植物纖維是一種天然的高分子聚合物，具有生物可降解性和可再生性，而且資源豐富、價(jià)格低廉，因此被認(rèn)為是取代石油基聚合物制備多孔復(fù)合材料的最佳原料[2].為此，很多研究者已經(jīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明植物纖維多孔復(fù)合材料可以用在絕熱[3]、抗震[4]、包裝、空氣凈化[5]以及水處理[6]等工程領(lǐng)域.

泡沫成型法[7-9]是目前制備植物纖維多孔材料的主要方法，該方法制備的植物纖維多孔復(fù)合材料在三維空間上是由孔隙和纖維交錯(cuò)而成的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，因此纖維的分布情況以及孔隙的結(jié)構(gòu)均對(duì)其綜合性能有著很大的影響.A.M.Al Qararah等[10]研究了植物纖維多孔材料中孔隙尺寸的分布，發(fā)現(xiàn)纖維的種類能夠影響孔隙的幾何尺寸.M.K.Smith等[11]通過(guò)研究植物纖維多孔材料的結(jié)構(gòu)和性能,得出孔隙的存在可以提高植物纖維多孔材料的松厚度和孔隙率，但是阻礙了纖維之間的結(jié)合，從而會(huì)對(duì)其強(qiáng)度性能產(chǎn)生負(fù)面影響.但是以上研究并沒(méi)有系統(tǒng)的研究纖維的特性對(duì)所制備的多孔復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響.

為了研究纖維的特性對(duì)所制備的多孔復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及性能的影響，本實(shí)驗(yàn)首先利用機(jī)械磨漿法對(duì)所用的植物纖維進(jìn)行了不同程度的原纖化處理，利用光學(xué)顯微鏡(OP)和纖維質(zhì)量分析儀(FQA)分別對(duì)纖維形貌和特性進(jìn)行了表征和評(píng)價(jià).然后利用泡沫成型法制備了植物纖維多孔復(fù)合材料，同時(shí)借助超景深顯微鏡(SDFM)和萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，研究了植物纖維原纖化處理對(duì)其多孔復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特性和動(dòng)態(tài)壓縮性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

針葉木纖維漿板，固含量94%～96%，由國(guó)內(nèi)某制漿公司提供；十二烷基硫酸鈉(SDS)，分析純，購(gòu)于天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開(kāi)發(fā)有限公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 植物纖維原纖化處理及表征和分析

利用KRK PFI磨漿機(jī)(日本Kumagai Riki Kogyo公司)分別對(duì)預(yù)先準(zhǔn)備好的濃度為10%的纖維漿料進(jìn)行0 r、5 000 r、10 000 r、15 000 r和20 000 r的磨漿處理，獲得原纖化植物纖維.

根據(jù)TAPPI標(biāo)準(zhǔn)(T401 cm-93)用赫氏試劑對(duì)纖維染色、制片，利用PMB5-223IPL-5光學(xué)顯微鏡(麥克奧迪實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司)觀察不同磨漿轉(zhuǎn)速下纖維的表面形貌，放大倍數(shù)為400倍.

采用Morfi Compact纖維質(zhì)量分析儀(法國(guó)TECHPAP)對(duì)原纖化前后纖維的長(zhǎng)度、粗度、扭結(jié)指數(shù)、卷曲指數(shù)和細(xì)小纖維含量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定.

1.2.2 植物纖維多孔復(fù)合材料的制備

圖1為泡沫成型法制備植物纖維多孔復(fù)合材料的流程圖.預(yù)先將原纖化處理的纖維配置成質(zhì)量濃度為1.0%的漿料懸浮液，以質(zhì)量比為11.97%加入十二烷基硫酸鈉，通過(guò)控制攪拌速度和攪拌時(shí)間獲得不同空氣含量的泡沫/纖維分散體，空氣含量利用公式(1)計(jì)算，然后在0.05 MPa下對(duì)其抽濾2 min，成型后置于室溫環(huán)境中干燥24 h，以制備定量為140 g/m2的植物纖維多孔復(fù)合材料(如圖1(b)所示).

(1)

式(1)中：AC表示空氣含量，%；V1表示發(fā)泡前纖維懸浮液的體積，mL；V2表示發(fā)泡后泡沫/纖維分散體的體積，mL.

圖1 泡沫成型法制備植物纖維 多孔材料流程圖

1.2.3 植物纖維多孔材料孔隙率計(jì)算

孔隙率可以定量的反映多孔材料的疏松程度，是多孔復(fù)合材料的一項(xiàng)主要性能指標(biāo).于此，公式(2)被用來(lái)計(jì)算所制備的植物纖維多孔材料的孔隙率.為了提高可信度，每個(gè)樣進(jìn)行3次平行測(cè)量.

(2)

式(2)中：P表示孔隙率，%；ρ0表示原材料的密度，即針葉木纖維的密度，1.12 g/cm3；ρ表示植物纖維多孔材料的密度，這里用緊度D代替，g/cm3.

1.2.4 結(jié)構(gòu)表征

利用德國(guó)LEICA型超景深三維顯微鏡對(duì)所制備的植物纖維多孔材料表面的形貌和孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，同時(shí)分析Z向自表層以下幾百微米區(qū)間內(nèi)纖維的分布情況，放大倍數(shù)為400倍.

1.2.5 動(dòng)態(tài)壓縮性能測(cè)試

利用AI-7000-NGD萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(臺(tái)灣高鐵)對(duì)所制備的植物纖維多孔材料的動(dòng)態(tài)壓縮性能進(jìn)行測(cè)量.把樣品置于測(cè)試臺(tái)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件控制加載臺(tái)以2 mm/min的速度向下運(yùn)動(dòng)對(duì)樣品施加載荷.測(cè)量完畢后得到力-位移曲線，然后利用公式(3)和公式(4)[12]求得每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的應(yīng)力值和應(yīng)變值，并做應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

(3)

式(3)中：σ表示應(yīng)力，Pa；F表示所施加的壓縮載荷，N；S表示樣品的橫截面積，m2.

(4)

式(4)中：ε表示應(yīng)變，%；δ表示位移，mm；T表示樣品的厚度，mm.

2 結(jié)果與討論

2.1 原纖化處理對(duì)植物纖維表觀形貌和纖維特性的影響

圖2為不同磨漿轉(zhuǎn)速下纖維的長(zhǎng)度分布圖.從圖2中可以得出，隨著磨漿轉(zhuǎn)速的增加，由于纖維與盤(pán)磨機(jī)間的摩擦?xí)r間變長(zhǎng)，從而導(dǎo)致長(zhǎng)纖維被切斷或碎片化更嚴(yán)重，使得纖維的長(zhǎng)度分布向短纖維方向偏移.同時(shí),從表1中也可以得出隨著磨漿轉(zhuǎn)速的增加，纖維的平均長(zhǎng)度也隨之減小.

圖3顯示了不同原細(xì)化程度下中纖維的形貌，可以看出隨著磨漿轉(zhuǎn)速的增加，纖維的分絲帚化和原細(xì)化程度也逐漸增強(qiáng)，這有利于提高纖維的比表面積，使纖維表面暴露更多的羥基，從而增強(qiáng)纖維間的結(jié)合力.

圖2 磨漿轉(zhuǎn)速對(duì)纖維長(zhǎng)度分布的影響

磨漿轉(zhuǎn)速/r05000100001500020000數(shù)均長(zhǎng)度/mm0．6810．6450．5820．5110．474重均長(zhǎng)度/mm1．6741．5021．4761．2151．082寬度/μm22．523．423．223．523．4粗度/(mg/m)0．2940．3250．1790．2550．235扭結(jié)指數(shù)/%28．033．731．129．328．1彎曲指數(shù)/%15．517．217．016．115．1

(a)0 r (b)5 000 r (c)10 000 r (d)15 000 r (e)20 000 r圖3 原纖化處理后纖維的形貌

2.2 原纖化處理對(duì)植物纖維多孔材料孔隙率的影響

圖4顯示了不同空氣含量下原纖化處理程度，即磨漿轉(zhuǎn)速對(duì)所制備的多孔材料孔隙率的影響.從圖4可以得出，隨著磨漿轉(zhuǎn)速的增加，所制備的植物纖維多孔復(fù)合材料的孔隙率隨之降低.植物纖維多孔材料中的孔是干燥過(guò)程中氣泡破裂后而形成的.圖3已經(jīng)顯示隨著磨漿轉(zhuǎn)速的增加，纖維的分絲帚化和細(xì)纖維化程度增強(qiáng)，因此在氣泡破裂后纖維之間的交織力和氫鍵結(jié)合力增強(qiáng)，使得多孔材料更加致密，從而降低了其孔隙率.植物纖維復(fù)合材料是纖維在三維空間交織而成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)纖維在其中起著骨架作用，支撐著其整體骨架結(jié)構(gòu).從表1和圖2得出，原纖化處理程度越高，纖維的平均長(zhǎng)度越短，由于長(zhǎng)纖維的減少降低了其對(duì)多孔材料的支撐作用，成型過(guò)程中真空抽吸作用使多孔材料的結(jié)構(gòu)塌陷，再加之原纖化處理程度越高，纖維變得更加柔軟可塑，易于變形，從而進(jìn)一步導(dǎo)致多孔材料結(jié)構(gòu)的塌陷變形，使其變得更加密實(shí)化.

另外，圖3顯示隨著磨漿轉(zhuǎn)速的增加，纖維原纖化程度隨之增強(qiáng)，表面暴露了更多的含有大量羥基基團(tuán)的細(xì)小纖維，從而使纖維的吸水潤(rùn)張能力增強(qiáng)，濾水性能變差，在植物纖維多孔材料成型過(guò)程中，延長(zhǎng)了真空抽濾時(shí)間，加劇了氣泡的破裂，從而使成型后的多孔材料更加密實(shí)化.因此，原纖化處理程度越高，所制備的植物纖維多孔復(fù)合材料的孔隙率越低.

圖4 磨漿轉(zhuǎn)速對(duì)孔隙率的影響

2.3 原纖化處理對(duì)植物纖維多孔材料結(jié)構(gòu)的影響

2.3.1 對(duì)表面形貌的影響

圖5為經(jīng)過(guò)不同原纖化程度處理后所制備的植物纖維多孔材料的表面形貌.可以看出，不同原纖化程度下，多孔材料均存在一定的兩面差，表現(xiàn)為網(wǎng)面比正面結(jié)構(gòu)致密，這是由于在成型過(guò)程中，網(wǎng)面附近的空氣泡受到真空抽濾作用率先破裂，之后的抽吸作用使得網(wǎng)面附近的纖維網(wǎng)絡(luò)不斷密實(shí)化.另外，在成型過(guò)程中一些細(xì)小纖維也向網(wǎng)面沉積，細(xì)小纖維被纖維網(wǎng)絡(luò)截留，堵塞網(wǎng)孔，抽吸阻力增大，依據(jù)濾餅原理，加劇了網(wǎng)面層的密實(shí)化.

比較植物纖維多孔材料的正面形貌可以看出，在磨漿轉(zhuǎn)速小于15 000 r之前，隨著磨漿轉(zhuǎn)速的增加，多孔材料的孔隙隨之變小，而且更加均勻.植物纖維多孔材料的孔隙尺寸大小取決于發(fā)泡體系中空氣泡的尺寸，在發(fā)泡過(guò)程中纖維的剛性越高，形成的空氣泡尺寸越大[11]，隨著磨漿轉(zhuǎn)速的增加，植物纖維的細(xì)纖維化程度得到增強(qiáng)，導(dǎo)致纖維的剛性降低，從而使得空氣泡的尺寸降低，成型后氣泡破裂形成的空隙的尺寸也隨之降低.

另外，原纖化處理使得長(zhǎng)纖維被碎片化，這使得漿料體系中纖維的長(zhǎng)度分布更加集中，發(fā)泡后形成的氣泡尺寸更加均勻，因此制備的多孔材料的空隙也更加均勻.但是，當(dāng)磨漿轉(zhuǎn)速升高至20 000 r后，由于纖維的平均長(zhǎng)度降低以及纖維的剛性受到嚴(yán)重破壞，使得纖維之間的搭接作用降低，削弱了其抵抗真空抽吸的能力，從而導(dǎo)致大量空氣泡在成形過(guò)程破裂，細(xì)小纖維向網(wǎng)層沉積，結(jié)果導(dǎo)致制備的植物纖維多孔材料面層孔隙較大，而網(wǎng)層卻十分密實(shí).

(a)0 r (b)5 000 r (c)10 000 r (d)15 000 r (e)20 000 圖5 植物纖維多孔材料的表面 形貌圖(1-正面，2-網(wǎng)面)

2.3.2 對(duì)Z向纖維分部的影響

圖6為所制備的植物纖維多孔材料Z向方向上自面層以下幾百微米區(qū)間內(nèi)纖維的分布情況，圖像越平整說(shuō)明纖維分布越均勻.從圖6中可以看出，未經(jīng)原纖化處理前(如圖6(a)所示)纖維在Z向分布很不均勻，主要是由于未經(jīng)原纖化處理的纖維，發(fā)泡后，體系中氣泡的體積大小不均勻，大的氣泡由于受到的浮力大傾于向最上層移動(dòng)，使得氣泡的尺寸在Z向分布不均勻，這也導(dǎo)致纖維在Z向分布不均勻.原纖化處理后，纖維的長(zhǎng)度分布變得集中，纖維的分散性能也隨之增加，發(fā)泡后形成的氣泡尺寸均勻，從而使得多孔材料中Z向上纖維的分布變得均勻，當(dāng)磨漿轉(zhuǎn)速為15 000 r時(shí)，纖維在Z向的分布最均勻.但是過(guò)高的原纖化處理(如圖6(e)所示)會(huì)對(duì)纖維長(zhǎng)度和剛性造成極大損傷，造成多孔材料在成型過(guò)程中整體機(jī)構(gòu)的塌陷，從而使得纖維在Z向分布不均勻.

(a)0 r

(b)5 000 r

(c)10 000 r

(d)15 000 r

(e)20 000 r圖6 植物纖維多孔材料 面層Z向纖維排布

2.4 原纖化處理對(duì)植物纖維多孔材料動(dòng)態(tài)壓縮性能的影響

圖7為植物纖維多孔材料在壓縮變形時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.從圖7可以看出,對(duì)纖維進(jìn)行原纖化處理能夠影響植物纖維多孔材料的動(dòng)態(tài)壓縮響應(yīng)，隨著磨漿轉(zhuǎn)速的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的平壓區(qū)逐漸變短，密實(shí)化變形區(qū)域向低應(yīng)變點(diǎn)偏移.這主要是由于隨著磨漿轉(zhuǎn)速的增加，纖維的細(xì)纖維化程度增強(qiáng)，體系中產(chǎn)生了更多具有高比表面積且表面暴露有更多羥基的細(xì)小纖維，這可以增強(qiáng)纖維間的氫鍵結(jié)合力和交織力[13]，從而降低所制備的多孔材料的松厚度和孔隙率，提高其緊度，這就使得植物纖維多孔材料在受到壓縮變形時(shí)很快被致密化，從而抵抗更強(qiáng)的壓縮力.

圖7 原纖化處理對(duì)多孔材料 動(dòng)態(tài)壓縮性能的影響

3 結(jié)論

(1)原纖化處理可以增加纖維的細(xì)纖維化程，產(chǎn)生更多的細(xì)小纖維，使纖維的平均長(zhǎng)度變短，纖維的分布更加集中，在發(fā)泡過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡尺寸均勻，這可以改善纖維在Z向的分布，從而獲得孔隙均一、纖維排布均勻的多孔復(fù)合材料，當(dāng)磨漿轉(zhuǎn)速為15 000 r時(shí)，效果最佳.

(2)在植物纖維多孔復(fù)合材料中，長(zhǎng)纖維起著骨架作用，支撐多孔材料的三維結(jié)構(gòu).原纖化處理程度太強(qiáng)(磨漿轉(zhuǎn)速大于20 000 r)會(huì)造成纖維的長(zhǎng)度和剛性嚴(yán)重破壞，削弱其支撐能力.成型過(guò)程中真空抽吸作用會(huì)破壞多孔材料的結(jié)構(gòu)，使得多孔材料中的纖維和空隙尺寸分布不均勻.

(3)隨著原纖化處理程度的增加，纖維的細(xì)纖維化程度逐漸增強(qiáng)，漿料體系中產(chǎn)生了更多具有高比表面積和表面羥基基團(tuán)的細(xì)小纖維，成型后纖維之間交織力和氫鍵結(jié)合力得到增強(qiáng)，從而使多孔材料的孔隙率降低、結(jié)構(gòu)更加密實(shí)化，使得應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的平壓區(qū)逐漸變短，密實(shí)化變形區(qū)域向低應(yīng)變點(diǎn)偏移.

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【責(zé)任編輯：陳 佳】

Effect of the fibrillation of plant fibers on the structure and properties of its porous composite material

ZHANG Mei-yun1, SU Zhi-ping1, LU Zhao-qing1, ZAHNG Mei-juan2

(1.Shaanxi Province Key Laboratory of Papermaking Technology and Specialty Paper, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China; 2.Zhejiang Xianhe Special Paper Co., Ltd., Quzhou 324022, China)

In this study, the effect of the fibrillation of ptant fibers on the structure and dynamic compression property of its porous composite material was investigated.The structure properties including surface morphology and fiber distribution along Z direction were studied by super depth of filed microscope (SDFM).And the dynamic compression property of produced porous composite material was tested by universal material testing machine (UMTM).The results revealed that the pore structure and fiber distribution along Z direction of the porous composite material made from the fibrillated plant fibers presented more uniform. In addition,the presence of more fines in the fibrillated fibers could increase the density of produced porous composite material by improving bonding strength between fiber and fiber,which resulted in the shorten of plateau curve and the shiftment to lower strain percentage of densification curve in stress-strain curve.

plant fiber; fibrillation treatment; porous composite material; structure characterization; dynamic compression property

2016-09-27

陜西省科技廳科技新星專項(xiàng)項(xiàng)目(2015KJXX-34)； 陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育計(jì)劃項(xiàng)目(15JF012)； 陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研計(jì)劃項(xiàng)目(12JS018)

張美云(1957-)，女，山西臨猗人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：功能紙基材料

1000-5811(2017)01-0001-05

TS721

A