纖維表面潤(rùn)濕性能及其與纖維結(jié)合性能的響應(yīng)關(guān)系研究

安帥 謝晶磊 王欣 程蕓 張紅杰

摘要：對(duì)南方松熱磨機(jī)械漿纖維進(jìn)行PFI磨漿處理，通過(guò)“液橋法”分析纖維接觸角，進(jìn)而計(jì)算表面能用于表征纖維表面潤(rùn)濕性能，最終建立纖維表面潤(rùn)濕性能與纖維結(jié)合性能之間的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明，隨著機(jī)械處理程度的加深，纖維表面木素含量從87.13%降低到77.51%，纖維表面潤(rùn)濕性能得到改善（表面能從46.63 mJ/m2上升到54.45 mJ/m2，表面電荷從48.382 mmol/kg上升到60.382 mmol/kg），結(jié)合強(qiáng)度指數(shù)從4.63 N·m/g提升到10.9 N·m/g。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，纖維表面潤(rùn)濕性能與結(jié)合強(qiáng)度指數(shù)以及紙張的松厚度之間存在二次函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)均大于0.9。從表面潤(rùn)濕性能與松厚度之間的關(guān)系方程可知，紙張松厚度隨纖維表面潤(rùn)濕性能降低而降低的較小，在整個(gè)機(jī)械處理過(guò)程中從4.95 cm3/g下降到3.57 cm.3/g，這表明可通過(guò)改善纖維表面潤(rùn)濕性能來(lái)達(dá)到在不顯著影響紙張松厚度的前提下提高纖維結(jié)合性能的目的。

關(guān)鍵詞：木質(zhì)纖維；潤(rùn)濕性；表面能；表面木素；結(jié)合性能

中圖分類號(hào)：TS71.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254 508X.2018.12.001

木質(zhì)纖維具有可生物降解、可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如纖維復(fù)合材料領(lǐng)域[12]和制漿造紙領(lǐng)域[3]等。決定纖維應(yīng)用的關(guān)鍵因素是纖維本身的性能，包括纖維表面性能和內(nèi)部性能兩部分。其中，纖維表面潤(rùn)濕性能是纖維表面性能的重要指標(biāo)之一，在纖維表面化學(xué)組成中，碳水化合物是親水性物質(zhì)，而木素是疏水性物質(zhì)，二者的比例是決定纖維應(yīng)用的基礎(chǔ)，在從植物纖維原料中分離出單根纖維的過(guò)程中，傳統(tǒng)的制漿過(guò)程可以理解為是在此分離過(guò)程中努力平衡纖維表面親水性物質(zhì)和疏水性物質(zhì)間的比例?？梢?jiàn)纖維表面潤(rùn)濕性能發(fā)揮著重要的作用。

纖維表面潤(rùn)濕性能指的是液滴在纖維表面進(jìn)行鋪展和潤(rùn)濕的能力，通過(guò)纖維對(duì)某種液體的接觸角和纖維的表面能來(lái)反映。纖維表面潤(rùn)濕性能所涵蓋的內(nèi)容很廣，包括纖維表面化學(xué)組成、表面電荷、表面能以及與纖維表面潤(rùn)濕過(guò)程相關(guān)的其他物化性能[4]。當(dāng)纖維與液滴接觸的時(shí)候，對(duì)于制漿造紙而言，纖維表面的潤(rùn)濕能力會(huì)影響纖維的潤(rùn)脹，纖維之間的結(jié)合面積發(fā)生相應(yīng)變化[5]；此外，纖維表面潤(rùn)濕性能還會(huì)對(duì)纖維表面的化學(xué)組成和基團(tuán)產(chǎn)生影響，從而影響纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度。然而至今為止，關(guān)于纖維表面潤(rùn)濕性能與纖維結(jié)合性能的關(guān)系卻很少有報(bào)道。

纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度是紙張強(qiáng)度的主要來(lái)源，由纖維間氫鍵結(jié)合力和范德華力兩部分構(gòu)成[6]。纖維表面的化學(xué)組成、表面電荷以及表面能等都會(huì)對(duì)纖維之間的結(jié)合產(chǎn)生影響，尤其是纖維表面的化學(xué)組成及分布在纖維表面的基團(tuán)，會(huì)直接影響纖維之間形成氫鍵的多少[7]。相關(guān)研究表明[89]，分布在纖維表面的木素不利于纖維之間的結(jié)合，這是因?yàn)槟舅乇旧硎鞘杷?，無(wú)法在纖維之間形成氫鍵結(jié)合。對(duì)于高得率漿纖維，人們嘗試通過(guò)多種預(yù)處理方式來(lái)達(dá)到在不大量脫除木素的前提下改善纖維之間的結(jié)合性能，因此纖維表面潤(rùn)濕性能發(fā)揮著十分重要的作用。然而，文獻(xiàn)報(bào)道中很少有關(guān)于高得率漿纖維表面潤(rùn)濕性能的相關(guān)研究。

本研究通過(guò)對(duì)南方松熱磨機(jī)械漿（Thermo mechanical pulp，TMP）進(jìn)行機(jī)械處理，分析纖維表面潤(rùn)濕性能（包括纖維表面木素、表面電荷和表面能），建立纖維表面潤(rùn)濕性能與纖維之間結(jié)合性能的響應(yīng)關(guān)系。本研究的主要目的在于通過(guò)改善纖維表面潤(rùn)濕性能，在對(duì)成紙松厚度影響較小的前提下努力改善高得率漿纖維結(jié)合性能，為進(jìn)一步擴(kuò)大高得率漿的應(yīng)用范圍和提高使用比例起到一定指導(dǎo)作用。

3結(jié)論

南方松熱磨機(jī)械漿（TMP）纖維經(jīng)過(guò)不同程度的機(jī)械處理后，纖維表面木素含量降低，纖維表面電荷增多，纖維表面接觸角降低，纖維表面能從46.63 mJ/m2提高到54.45 mJ/m2，纖維表面潤(rùn)濕性能提高。纖維表面潤(rùn)濕性能與纖維結(jié)合強(qiáng)度指數(shù)和紙張松厚度之間分別存在二次函數(shù)關(guān)系，纖維表面潤(rùn)濕性能提高，纖維結(jié)合強(qiáng)度指數(shù)從4.63 N·m/g 提高至10.9 N·m/g，紙張松厚度略有降低。但紙張松厚度隨纖維表面潤(rùn)濕性能降低而降低的較小，從4.95 cm3/g下降至3.57 cm3/g，這表明可以通過(guò)改善纖維表面潤(rùn)濕性能在松厚度下降幅度不大的前提下提高高得率漿纖維的結(jié)合強(qiáng)度。

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（責(zé)任編輯：馬忻）