不同纖絲尺寸的MFC-填料復合材料的制備及性能研究

張瑞娟 劉金剛 蘇艷群 陳京環(huán)

摘要：?羧乙基化的纖維通過研磨或高壓均質得到微纖化纖維素（MFC），MFC與重質碳酸鈣（GCC）形成的混合漿料通過涂布法制備高填料含量（70%）的MFC-填料復合材料。本實驗以激光粒度儀表征MFC的尺寸并研究了不同尺寸MFC制備的復合材料在強度性能、光學性能、表面性能等方面的差異。結果表明，經(jīng)過研磨并高壓均質3次得到的MFC3制備的復合材料綜合性能較好，其纖維得到了充分的解離且保留有適量長纖絲。當MFC3-填料復合材料的定量為110 g/m²時，抗張指數(shù)為20.4 N·m/g，耐破指數(shù)為0.77 kPa·m²/g，不透明度為97.2%，平滑度達到1565 s。

關鍵詞：MFC-填料復合材料;纖絲尺寸;力學性能;光學性能

中圖分類號：TS72 ???文獻標識碼：A ?????DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.03.004

Abstract：?Carboxyethylated fibers were ground or homogenized under high pressure to obtain microfibrillated cellulose （MFC）. Then the MFC-filler composite with high filler content （70%）?was prepared using the mixed slurry of MFC and GCC by coating process. The differences in mechanical properties，?optical properties and surface properties of the composite materials prepared using MFC with different sizes which were characterized through laser particle size analyzer were investigated in this paper. It was found that MFC3，?which was fully fibrillation by the co-action of ground and high pressure homogenizing，but still contained proper amount of long fibrils，?could obtain composites with better comprehensive performance. When the grammage was 110 g/m²，?the tensile index of the composite was 20.4 N·m/g，?the burst index was 0.77 kPa·m²/g，?the opacity was 97.2%，?and the smoothness reached to 1565 s.

Key words：?MFC-filler composite material;?fibril sizes;?mechanical properties;?optical properties

微纖化纖維素（MFC）具有易于成膜、比表面積高、優(yōu)越的生物降解性能及可再生性的特性，且其密度低、具有良好的楊氏模量和拉伸強度，近幾年廣泛涉及于包括食品、藥品、紙張、電池及各類復合材料的研究中^[1-2]。

在造紙行業(yè)中，相關研究大多集中于將MFC作為增強組分添加到紙張當中，以提高紙張的強度，而將其與造紙?zhí)盍现苯咏Y合制備復合材料的研究很少。以MFC與高含量無機填料為主體制備復合材料將是一個全新的挑戰(zhàn)。MFC本身良好的成膜性能及高比表面積是復合材料成型的關鍵，而其中高含量的填料也將賦予材料不同于納米纖維素膜的一些性能，如良好的平滑度、高不透明度、脫水性能的改善等^[3-5]。另外，MFC-填料復合材料是一種環(huán)境友好型材料，可生物降解、回收利用，也是一種可持續(xù)性的綠色材^[6]。較好的表面平滑度和印刷性能使其可以在某些領域替代石油基材料，芬蘭國家技術研究中心（VTT）及阿托爾大學的研究人員認為在某些領域，它能夠非常好地代替聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等石油基材料作為印刷電子產(chǎn)品的基材^[7-8]。

本實驗以羧乙基化纖維為原料，通過不同程度的機械處理得到不同尺寸的MFC，然后以重質碳酸鈣（GCC）為填料制備填料含量為70%的復合材料，并研究了不同尺寸的MFC制備的復合材料在強度性能、光學性能、平滑度及孔隙率方面的差異。

1 實 ???驗

1.1 實驗原料

漂白硫酸鹽針葉木漿;丙烯酰胺（AM）、NaOH，均為分析純，上海阿拉丁試劑有限公司;重質碳酸鈣（GCC）;助劑。

1.2 實驗儀器設備及測試方法

1.2.1 實驗儀器與設備

DM-2L行星式球磨機，南京大冉科技有限公司;RD-01鼓式干燥器，中國制漿造紙研究院有限公司;Mastersizer 2000馬爾文粒度儀，英國Melvin公司;DCP-KZ1000電腦測控抗張試驗機、DCP-TD300電腦測控臥式挺度儀、DCP-NPY1200電腦測控紙張耐破度儀，四川長江造紙儀器有限責任公司;MK1000R M/K勻度測試儀，美國M/K system公司;別克平滑度儀，荷蘭Buchel公司;有效殘余油墨濃度測定儀，美國Technidyne公司;3H-2000 TD全自動真密度分析儀，貝士德儀器科技（北京）有限公司。

1.2.2 測試方法

復合材料定量按照GB/T 451.2—2002測定;厚度及緊度按照GB/T 451.3—2002測定;抗張強度按照GB/T 12914—2008用電腦測控抗張試驗機測定;挺度按照GB/T22364—2008用電腦測控臥式挺度儀測定;耐破度按照GB/T 454—2002用電腦測控紙張耐破度儀測定;勻度指數(shù)用M/K勻度測試儀測定，M/K system公司的勻度測試儀是光電式紙張勻度儀的典型代表，勻度指數(shù)越大，紙張勻度越好。白度、不透明度、光散射系數(shù)按照GB/T 1543—2005用有效殘余油墨濃度測定儀測定;平滑度按照GB/T456—2002用別克平滑度儀測定;孔隙率用全自動真密度分析儀測定。

1.3 微纖化纖維素（MFC）的制備

首先，在漂白硫酸鹽針葉木漿中加入過量質量分數(shù)為20%的NaOH溶液，進行堿潤脹處理。其次在該漿料中加入質量分數(shù)為40%的丙烯酰胺溶液，攪拌均勻后置于水浴鍋中進行反應。調節(jié)水浴鍋溫度至80^oC，反應5 h。反應過程中每隔0.5 h進行揉搓，以保證反應的均勻性。反應完成后用清水反復清洗該漿料至濾液呈中性，即得羧乙基化后的針葉木纖維。羧乙基化處理后的漿料通過納米研磨機循環(huán)研磨2 h后得到MFC1，在此基礎上經(jīng)過不同程度的機械處理即可得到其他3種MFC，具體處理方法如表1所示。

1.4 MFC-填料混合漿料的制備

將MFC與GCC分散液按3：7的質量比例混合，加入助劑后，將混合液在行星式球磨機中混合40 min，轉速350 r/min，形成分散均勻的混合漿料。

1.5 MFC-填料復合材料的制備

將分散均勻的MFC-填料混合漿料均勻地涂布在PET膜上，在60℃烘箱中預干燥30 min后，蓋上透氣良好的濾布，壓榨（長時間低壓，壓力過大容易將材料壓潰）后形成均勻完整的濕涂膜，最后將其放入80℃的鼓式干燥器中干燥5 min，即得到MFC-填料復合材料，其定量在110 g/m²左右。由于MFC的高保水性，材料濕涂層脫水較難，預干燥以及長時間的壓榨是為了在進入干燥器前脫除水分得到具有一定濕強的涂膜，鼓式干燥器則可以防止復合材料在干燥過程中收縮起皺。

2 結果與討論

2.1 MFC尺寸的表征

表2為用馬爾文粒度儀測定的MFC的粒徑，用以定性地表征MFC的尺寸。圖1為MFC的尺寸分布。由表2可知，以馬爾文粒度儀表征MFC的尺寸，根據(jù)D（0.5）、D[3，2]以及D[4，3]的數(shù)值可判斷MFC的尺寸從MFC1到MFC4依次減小，根據(jù)其D（0.9）和D[4，3]值判斷長纖絲含量也依次降低，其中MFC4的最大尺寸只有1261.92 ，90%的纖絲尺寸在214.56 以下;由D（0.1）和D[3，2]值可判斷除MFC4外，MFC的短纖絲含量基本呈上升趨勢，MFC1中細小纖絲的含量較低，長纖絲含量較高，低于31.8 的纖絲含量只有10%;由圖1可以看出，各組MFC的尺寸分布均較寬，其中MFC2的最小纖絲尺寸只有2 ，而最大纖絲尺寸達到了2000 。

圖2為光學顯微鏡下不同尺寸的MFC形貌圖。從圖2中可以看到，MFC1～MFC4尺寸逐漸減小，其中MFC1保留了很多長纖絲，纖絲的長度和直徑均較大;其余3種MFC的長度和直徑尺寸均遠小于MFC1，MFC2與MFC3中絕大多數(shù)纖絲的尺寸均較小，但也可以看到少部分長纖絲，而MFC3中長纖絲的直徑明顯較MFC2中長纖絲的直徑小;MFC4中整體纖絲的長度和直徑均比較小。

2.2 不同尺寸MFC制備復合材料的力學性能

圖3為不同尺寸MFC制備復合材料的力學性能，圖4為不同尺寸MFC制備復合材料的緊度及勻度指數(shù)。由圖3、圖4可以看出，隨著MFC尺寸減小，復合材料的緊度逐漸增大，抗張指數(shù)、耐破指數(shù)、挺度都是先增加，到一定值后減小。MFC1中長纖絲較多，長纖絲本身具有較高的強度^[9]，可以提供較多的結合點，能夠在一定程度上提高材料的力學性能，但是太多長纖絲的存在使混合漿料中產(chǎn)生了絮聚團（無法在不減小MFC尺寸的條件下消除絮團），在涂布成型時很難形成均一的涂膜，制備的復合材料有很明顯的“云彩花”，用M/K勻度分析系統(tǒng)測定的勻度指數(shù)只有0.7，遠小于其他3組MFC所制備的復合材料，測試時很容易因局部的應力過大而被提前破壞。隨著MFC尺寸逐漸減小，細小纖絲的含量增加，MFC的比表面積增大，纖維-纖維、纖維-填料之間的鍵合面積增加，結合力增大，能夠更好地將大量的填料黏合在一起，復合材料的抗張強度和耐破強度隨之提高;但當MFC尺寸減小到一定程度后，纖絲長度的過度損失使得其抗張強度和耐破強度開始下降，因此當MFC尺寸普遍較小，長纖絲含量太低時，復合材料的抗張強度和耐破強度又會隨著MFC尺寸的減小而降低。對于挺度來說，一般小纖絲較長纖絲挺硬，因而隨著MFC尺寸的減小，挺度首先呈現(xiàn)一個上升的趨勢，但MFC尺寸減小導致緊度增加使復合材料的厚度下降，而厚度對挺度的影響可能就是后期復合材料挺度下降的原因。

綜上，制備MFC-填料復合材料時，非常有必要在MFC中適量保留一定含量的長纖絲。

2.3 不同尺寸MFC制備復合材料的光學性能

圖5為不同尺寸MFC制備復合材料的光學性能。由圖5可以看出，MFC-填料復合材料的不透明度都非常高，全部都在95%以上，復合材料中高含量的填料是高不透明度的主要原因。隨著MFC尺寸減小，復合材料的白度、不透明度、光散射系數(shù)基本呈下降趨勢。這可能是由于隨著MFC尺寸的減小，纖維-纖維、纖維-填料之間的結合面積增加，緊度增加，光學非結合面積減小，而光的反射和散射只發(fā)生在光學非結合面上，因此復合材料的光散射系數(shù)基本呈下降的趨勢。但總體上來說，各組復合材料的白度與不透明度的變化幅度并不大，只是略有下降。這是由于復合材料中含有70%的填料，且各組復合材料的填料種類及含量都相同，而與纖維相比填料對材料的不透明度影響更大。

2.4 不同尺寸MFC制備復合材料的平滑度

圖6為不同尺寸MFC制備復合材料的平滑度。復合材料的平滑度是衡量其表面凹凸和平整程度的結構參數(shù)，對其印刷性能有較大的影響。由圖6可以看出，MFC-填料復合材料的平滑度非常好，高含量的填料是形成高平滑度的重要原因，另外所用涂布基材光滑的表面以及干燥工藝也為高平滑度的實現(xiàn)奠定了良好的工藝基礎。在未經(jīng)過壓光的條件下其平滑度可以達到1000 s以上，已經(jīng)完全達到甚至超過了銅版紙的標準，這為其實現(xiàn)高精度的印刷效果提供了基礎。隨著MFC尺寸減小，復合材料的平滑度逐漸升高。有相關研究表明，尺寸較小的纖維更有利于材料獲得良好的平滑度。另外，緊度的增加也是復合材料平滑度隨MFC尺寸減小而升高的原因之一^[10]。MFC2與MFC1相比，其復合材料的平滑度有一個非常顯著的提升，這很有可能是由于MFC1均一性比較差，且復合材料緊度低，勻度較差，表面存在掉粉的問題而造成的。

2.5 不同尺寸MFC制備復合材料的孔隙率

MFC在復合材料成形過程中通過纖維結合形成復雜的網(wǎng)絡狀結構，從而造就了其多孔的結構。復合材料中含有70%的填料及30%MFC，也就決定了其所形成的孔隙更加復雜，由于MFC網(wǎng)絡結構的致密性，常用的孔隙率測定儀很可能不能有效地檢測到所有的孔隙^[4]。本實驗采用真密度分析儀測試了復合材料的真密度，結合表觀密度計算得出其孔隙率。圖7為不同尺寸MFC制備復合材料的孔隙率。由圖7可以看出，隨著MFC尺寸減小，復合材料的孔隙率逐漸下降，MFC4-填料復合材料與MFC1-填料復合材料相比，孔隙率下降了22%。尺寸較小的纖絲能夠形成較為緊密的結合，形成的網(wǎng)絡狀結構緊密，且尺寸小的纖絲保水好，在干燥過程中收縮性更強，因此形成的MFC-填料復合材料更加致密，孔隙率更小。這也是隨著MFC尺寸下降，復合材料緊度增大的原因。

3 結 論

將羧乙基化處理后的針葉木漿通過研磨或高壓均質得到MFC，MFC與GCC按3∶7的質量比例混合形成分散均勻的混合漿料后，再將其均勻地涂布于PET膜上，干燥后得到填料含量為70%的MFC-填料復合材料。

3.1MFC的尺寸從MFC1到MFC4逐漸減小，其中MFC1保留了較多長纖絲，纖絲的長度和直徑均較大;其余3種MFC的尺寸均遠小于MFC1，MFC4中整體纖絲的尺寸較小。

3.2隨著MFC尺寸的減小，MFC-填料復合材料的緊度由1.00 g/m²增加到1.29 g/m²，力學性能先增加后下降，其中MFC3-填料復合材料的各項力學性能較好，其抗張指數(shù)為20.4 N·m/g， 耐破指數(shù)達到0.77 kPa·m²/g。

3.3MFC-填料復合材料的光學性能和平滑度非常好，隨MFC尺寸減小，復合材料的白度由91.1%下降到89.0%，不透明度由98.3%下降到96.8%，平滑度由70.7 s提高到1647 s，孔隙率由54.9%下降到42.8%。

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（責任編輯：董鳳霞）