徐飛強(qiáng)　張方東　王　彪

(天津科技大學(xué)造紙學(xué)院,天津，300457)

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·聚乙烯醇纖維·

高強(qiáng)高模聚乙烯醇纖維對(duì)紙張性能的影響

徐飛強(qiáng)張方東*王彪

(天津科技大學(xué)造紙學(xué)院,天津，300457)

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

HSHMPVA；紙張性能；裂斷長(zhǎng)；撕裂指數(shù)；纖維排列

高強(qiáng)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(xí)慣稱為難溶性聚乙烯醇纖維,其強(qiáng)度一般為10～13 cN/dtex,模量可達(dá)200～400 cN/dtex[2]。

由于HSHMPVA纖維具有較高的強(qiáng)度性能,其在各行業(yè)中均有應(yīng)用[3]。HSHMPVA纖維最早應(yīng)用于提高混凝土基材、纖維水泥板的強(qiáng)度性能,還可以應(yīng)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(yīng)用逐漸增多[5]。面對(duì)如何使其表面粗糙的問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)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(zhǎng)發(fā)等人[2]提出可通過(guò)在濕法紡絲拉伸過(guò)程中增加PVA纖維的間規(guī)體積分?jǐn)?shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)度性能的進(jìn)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(duì)濕法抄紙工藝的影響。

本實(shí)驗(yàn)探討了HSHMPVA纖維長(zhǎng)度、纖維排列、用量對(duì)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(duì)紙張性能的影響。為特種紙的生產(chǎn)提供一定的參考。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1原料和試劑

高強(qiáng)高模聚乙烯醇(HSHMPVA)(長(zhǎng)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(zhǎng)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(xué)試劑一廠；NaOH、殼聚糖均為分析純，購(gòu)自天津市江天化工技術(shù)有限公司。

1.2主要儀器

動(dòng)態(tài)紙頁(yè)成形器(FDA,法國(guó)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(yè)成形器(RK-ZA-KWT,奧地利PTI公司)。

1.3實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行漿料疏解,再將漿料用布氏漏斗脫水,平衡水分后測(cè)其水分含量,放入密封容器內(nèi)儲(chǔ)存待用。

取絕干漿料和HSHMPVA纖維共計(jì)30 g(3種纖維配抄時(shí)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(jìn)行磨漿處理,直至打漿度為45°SR。取出并用布式漏斗過(guò)濾脫水,以減少細(xì)小纖維的流失,然后平衡水分,測(cè)其水分后儲(chǔ)存于密閉容器內(nèi)。

1.3.2抄紙

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

1.3.3紙張物理性能檢測(cè)

將抄好的紙張置于恒溫恒濕環(huán)境中24 h，按相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行紙張的物理性能檢測(cè)。紙張裂斷長(zhǎng)和伸長(zhǎng)率按照GB/T 12914—2008測(cè)定；撕裂指數(shù)按GB/T 455—2002測(cè)定；松厚度按GB/T 451.3—1989測(cè)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(shí)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(duì)HSHMPVA纖維進(jìn)行處理,處理?xiàng)l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(jī)酸和無(wú)機(jī)酸中,因?yàn)闅ぞ厶鞘菐в邪被膲A性多糖[10],實(shí)驗(yàn)中采用錢麗穎等人研究的化學(xué)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(fēng)干備用[11]。

1.3.5動(dòng)態(tài)紙頁(yè)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(jì)算,即漿速=流量(Q)/噴頭面積(S),實(shí)驗(yàn)中取噴頭型號(hào)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(shí)間來(lái)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(zhǎng)度對(duì)紙張強(qiáng)度的影響

由于HSHMPVA纖維表面無(wú)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(qiáng)度下降。然而,在用量相同的情況下,纖維長(zhǎng)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(guò)紙張纖維結(jié)合強(qiáng)度下降權(quán)重來(lái)間接表示纖維長(zhǎng)度對(duì)紙張強(qiáng)度性能的影響。圖1為HSHMPVA纖維長(zhǎng)度對(duì)紙張強(qiáng)度性能的影響。由圖1可知,紙張裂斷長(zhǎng)和撕裂指數(shù)會(huì)隨HSHMPVA纖維長(zhǎng)度增加而提高。

2.2HSHMPVA纖維排列及用量對(duì)紙張性能的影響

動(dòng)態(tài)紙頁(yè)成形器可通過(guò)設(shè)置漿泵的轉(zhuǎn)速來(lái)間接控制漿速,需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法1.3.5換算實(shí)際的漿速。由于設(shè)備的局限性,實(shí)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(zhǎng)度4 mm的HSHMPVA纖維不同用量下，纖維排列對(duì)紙張性能的影響。通過(guò)表2可知,漿速不變的條件下,不同的網(wǎng)速對(duì)紙張松厚度的影響不大,但HSHMPVA纖維的用量對(duì)紙張的松厚度影響較大。這是因?yàn)镠SHMPVA纖維本身的柔軟度要比植物纖維差,在纖維結(jié)合過(guò)程中不易彎曲,增加了纖維結(jié)合點(diǎn)處的厚度,因此,紙張松厚度會(huì)隨著HSHMPVA纖維用量的增加而上升。

圖1　HSHMPVA纖維長(zhǎng)度對(duì)紙張強(qiáng)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(zhǎng)/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(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),添加長(zhǎng)度4 mm HSHMPVA纖維后，紙張縱、橫向裂斷長(zhǎng)隨網(wǎng)速的升高卻表現(xiàn)出與未添加HSHMPVA纖維相反的趨勢(shì),這主要是由于加入HSHMPVA纖維,隨著網(wǎng)速的提高,會(huì)使纖維有序排列程度加大,導(dǎo)致紙張強(qiáng)度影響因素之一的“纖維間的機(jī)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(méi)有結(jié)合力,對(duì)紙張橫向裂斷長(zhǎng)而言,沿橫向排列的HSHMPVA纖維數(shù)量會(huì)減少,紙漿纖維則相對(duì)增加,導(dǎo)致橫向裂斷長(zhǎng)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(zhǎng)則相對(duì)下降。撕裂指數(shù)主要受纖維平均長(zhǎng)度的影響,由于所加入的HSHMPVA纖維長(zhǎng)度略長(zhǎng)于紙漿纖維,當(dāng)紙張縱向排列的纖維增多時(shí),導(dǎo)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(duì)下降。

為了更加直觀地研究HSHMPVA纖維用量、網(wǎng)漿速比對(duì)紙張裂斷長(zhǎng)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(dāng)網(wǎng)速小于某一臨界值時(shí),縱向裂斷長(zhǎng)的變化比較平緩,而超過(guò)這個(gè)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(zhǎng)中的權(quán)重會(huì)在網(wǎng)漿速比到達(dá)臨界值后上升。

圖2　不同HSHMPVA纖維用量網(wǎng)漿速比對(duì)紙張縱向裂斷長(zhǎng)的影響

2.3酸、堿處理及殼聚糖涂敷HSHMPVA纖維對(duì)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(duì)紙張裂斷長(zhǎng)的影響。由圖3可知,經(jīng)過(guò)酸或堿處理后的HSHMPVA纖維所抄紙張裂斷長(zhǎng)會(huì)有所提高,且隨著酸或堿濃度的增加,紙張裂斷長(zhǎng)的增幅也會(huì)加大,這主要是由于酸或堿能對(duì)HSHMPVA纖維表面起腐蝕作用,利用酸堿的腐蝕性來(lái)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(qiáng)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(guò)酸處理的HSHMPVA纖維對(duì)紙張的增強(qiáng)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(duì)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(zhǎng)、撕裂指數(shù)和伸長(zhǎng)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(qiáng)度性能得到提升。

圖3　不同濃度的酸堿處理后的HSHMPVA纖維對(duì)紙張裂斷長(zhǎng)的影響

圖4　酸處理前后HSHMPVA纖維表面的變化

裂斷長(zhǎng)/km撕裂指數(shù)/mN·m2·g-1伸長(zhǎng)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(zhǎng)和撕裂指數(shù)會(huì)隨高強(qiáng)高模聚乙烯醇(HSHMPVA)纖維長(zhǎng)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(huì)降低紙張的裂斷長(zhǎng)和撕裂指數(shù)。

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

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

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(責(zé)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(qiáng)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