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CMC辅助打浆对竹浆纤维特性及成纸性能的影响

发布日期:2015-04-20 23:11:31
竹浆纤维
  我国拥有丰富的竹子资源,CMC用量(对绝干浆)分别为0、0.125%、0.250%、源,在全世界 1250 种竹子 0.500%、0.750%、1.500% 和 3.000%,按 ISO 5264/ 中,我国就有300多种,竹2—1979标准进行PFI磨浆实验,PFI的转数固定为林面积达到330万hm2,为世界竹子资源第一大 国[1]。同时竹浆是一种优于稻、麦草浆而介于阔叶木 浆和针叶木浆之间的竹浆纤维原料,具有可替代部分木浆、有利于资源利用和环境保护的优点。
  
  竹浆纤维在打浆过程中易被切断,不利于成纸性 能的提高。本研究添加澳门威利斯人88038(CMC)作为竹 浆纤维的打浆助剂,研究了 CMC对竹浆纤维的打浆 效果、竹浆纤维的长度、表面电荷等特性及成纸性能 的影响,并对其机理作初步探讨,以期找出适合竹浆 纤维的添加助剂的辅助打浆工艺。
  
  1 实验1.1原料与试剂浆料:漂白硫酸盐竹浆,四川永丰纸业有限企业提供。
  
  试剂:CMC,瑞典Eka化学品企业;盐酸; 0.007442 m〇l/L聚二烯丙基二甲基氯化铵(P-DAD- MAC) 0.006859 m〇l/L 聚乙烯硫酸钠(PES-Na)。
  
  1.2仪器PFI磨浆机(美国);Kajaani纤维自动分析仪FS- 200(芬兰)粒子表面电荷测量仪PCD-02(德国)扫 描电镜XL-30(荷兰)。
  
  1.3 实验方法 1.3.1 PFI 磨浆浆料在10%的浓度下加入CMC处理10 min,1.3.2保水值测定称一定量浆料(约0.2 g绝干浆),置于测定管 内,在5000 r/min的转速下离心分离10 min,取出浆 料,于106 J下烘6 h至恒重,按以下公式算出浆料 的保水值:保水值=叫# "0 x 100%"0式中:为离心后湿浆质量(g ) "0为恒重后 浆料质量(g)。
  
  1.3.3 纤维长度测定用Kajaani FS-200自动纤维分析仪测定打浆后纤维长度。
  
  1.3.4浆料表面电荷测定[2]本实验采用聚电解质滴定法测定浆料表面电荷。 在电荷测定前,先向浆料试样(大约0.5 g绝干 浆)中加入一定量盐酸(加入盐酸的量要使浆料的浓度 约为1%)浸泡16 h,以使浆料完全被质子化,接着 用砂芯漏斗(G3)在抽真空条件下过滤,并用去离子 水冲洗数次直到滤液的pH值接近6.0,一直保持真 空度直至不能再从浆料中抽出水分,然后用100 gP- DADMAC浸泡浆料,用磁力搅拌器搅拌2h后在尼龙 筛布(100目)上过滤,汲取10 mL滤液到电荷测量仪, 用 PES-?a 滴定。用 PES-?a 滴定 10 mL P-DADMAC 溶收稿日期:2006-09-10(修改稿)
  
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  液到等电点作为空白实验。实验中,所有的电荷测定 都要向被测溶液中加一定量的NaCl,并保证NaCl浓 度为0.01 mol/L。每次滴定后,都要测定浆料试样的 绝干质量。
  
  浆料电荷密度由下式得出:10 X ( V, - Vb) X C X 1000式中:!为浆料的表面电荷(mmol/kg ) ; V,为滴 定浆料所用的PES-!a体积(mL); VbS空白实验所用 的PES-!a体积(mL); C为滴定液的浓度(mol/L);' 为浆样的绝干质量(g)。
  
  1.3.5 抄片浆料在纤维标准解离器中离解10000转,用 H2S04调节浆料的pH值为7.5,抄造定量为60 g/m2 的纸张,在标准恒温恒湿条件下放置24 h后测定纸 张性能。
  
  2结果与讨论2.1添加CMC打浆对打浆度的影响不同用量的CMC预处理浆料后打浆,打浆度的 变化如图1曲线A所示。为了验证CMC的存在对打 浆度的影响,取空白浆料(未加CMC,打浆4500转), 加入不同用量的CMC浸泡10 mi?后测量打浆度,如 图1曲线B所示。
  
  从图1可知,在相同的PFI打浆转数下,随着打 浆助剂CMC用量的增加,打浆度也逐渐升高。图1 中曲线A可分为3部分:在低用量CMC辅助打浆阶 段(本实验中CMC用量!0.25D),打浆度上升得很 快;而后随着CMC用量的增加,打浆度上升的趋势 逐渐减小;最后,随着CMC用量的进一步增加,打 浆度继续上升,但这时打浆度随CMC用量增加而增 加的趋势没有低用量CMC辅助打浆时的上升趋势大。 而曲线B很平缓,打浆度随着CMC用量的增加几乎 没有变化,这表明了单一的CMC并不会提高打浆度, 但CMC能与PFI磨共同作用提高打浆度。这是因为 竹子纤维的次生壁很薄,在打浆过程中对纤维的束缚 力较弱[3],加入CMC后,次生壁外层容易打开,分 丝帚化容易,外部细纤维化较好,因此,CMC能大 大促进打浆度的提升。从打浆能耗角度看,当CMC 用量为0.125D和0.750D时,在PFI转数为4500转 的情况下,竹浆打浆度可以分别达到38.5FSR和47.0 °SR,说明少量的CMC辅助打浆就可以使打浆能耗大 大降低。
  
  2.2添加CMC打浆对浆料保水值的影响浆料保水值可以表征内部纤维吸水润胀的能 力[4],添加CMC打浆对浆料保水值的影响如图2所示。
  
  由图2可知,随着CMC用量的增加,保水值也 逐渐增加,这说明CMC的加入提高了纤维吸水润胀 的能力,使得微细纤维间容易产生错位分离,形成内 部细纤维化。此外,竹子纤维的杂细胞跟纤维细胞一 样,也是多层结构[3],CMC的加入同样也可以促进 其内部细纤维化,因此,保水值随着CMC用量的增 加而增加。
  
  2.3添加CMC打浆对纤维长度的影响807060504030图3 CMC对纤维长度的影响图1 CMC对打浆度的影响图2 CMC对保水值的影响2万方数据China Pulp & PaperVol. 26, No .2, 2007从图3可以看出,与未加CMC直接打浆相比, 添加助剂CMC后打浆,纤维长度都有所上升,这说 明在打浆前用CMC预处理浆料,可以提高纤维之间 的润滑性,避免打浆刀片对竹子纤维的切断。与低用 量CMC辅助打浆相比,高用量CMC辅助打浆时纤维 长度略有下降,这是由于CMC预处理可以提高纤维 的柔软性,从一个侧面来讲,也会提高纤维的扭曲 率,因此,虽然高用量的CMC预处理可以避免纤维 被过多切断,但同时也会使纤维的扭曲率增大;当 CMC预处理对纤维扭曲率的作用大于保护纤维过多 切断的作用时,Kajaani FS-200测量出来的投影长度 就会变小[5],因此,本实验中竹浆经高用量CMC预 处理后打浆纤维长度会有下降的趋势。
  
  2.4添加CMC打浆对浆料表面电荷的影响浆料的表面电荷可以反映打浆效果,也可以反映 出打浆后羧基与羟基的裸露程度。添加CMC打浆对 浆料表面电荷的影响如图4所示。
  
  CMC对纸张性能的提高不是由于CMC本身的增强作 用,而是由于CMC作为打浆助剂对打浆效果有促进作用。
  
  0.51.01.52.02.53.0"—?"■ecpl/篇***0.51.01.52.0CMC用2.53.0图4 CMC对浆料表面电荷的影响随着CMC用量的增加,浆料表面电荷电负性逐 渐增强,表面负电荷由空白试样的44.95 mmol/kg增 长到 108.25 mmo l/kg(CMC用量3%)。这是由于加入 CMC进行打浆时,竹子纤维易被吸水润胀,纤维细 胞初生壁易被成片剥落,次生壁的约束易被打破,发 生外部细纤维化,暴露出更多的羟基和羧基,从而提 高纤维的表面电荷。
  
  2.5添加CMC打浆对浆料成纸强度的影响CMC本身也是一种纸张增强剂,因此,为了排 除CMC作为增强剂对纸张性能的影响,而体现出 CMC辅助打浆对竹浆纤维成纸性能的影响,本研究 在相同的条件下也作了相应的对比实验(图5 ~图7)。 图5~图7中曲线A为CMC辅助打浆对成纸性能的影 响,曲线B为CMC作为纸张增强剂(在打浆后加入不 同用量的CMC浸泡10 mm后抄纸)对成纸性能的影 响。
  
  由图5可知,对于抗张指数,曲线A从开始就急 剧上升,当CMC用量为0.125%时纸张的抗张指数从 空白实验的40.4 N* m/g提高到57.8 9 ? m/g,增巾昆达 到45%左右。此后,随着CMC用量的增加,抗张指 数也继续增加,在CMC用量为0.750%时,抗张指数 上升到最大值65.9 N*m/g。CMC用量继续增加,抗 张指数变化不大。曲线B上升非常缓慢。这说明70 r||||j|00.51.01.52.02.53.0CMC用童/%图5 CMC对抗张指数的影响图6 CMC对耐破指数的影响CMC 用 fi/*图7 CMC对撕裂指数的影响而对于耐破指数,图6中曲线A、B有类似于抗 张指数的趋势,曲线A从开始就急剧上升。CMC用 量为0.125%时,纸张的耐破指数上升到4.8 kPa*m2/g,与空白实验相比,上升了约302,当CMC 用量增到0.7502时,纸张的耐破指数提高到空白试 样的1.6倍,达到最大值6.0 kPa ? m2/g。此后,继续 增加CMC用量,耐破指数会略有下降,不过与空白 试样相比,还是有较高的增长;而曲线B几乎没有 变化。这也说明了 CMC对纸张性能的提高不是由于 CMC本身的增强作用,而是由于CMC作为打浆助剂 可促进打浆。
  
  添加CMC打浆对纸张抗张强度和耐破强度的提 高,可以作如下说明:添加CMC打浆可以促进竹子 纤维之间的润滑性,避免纤维过多切断的同时促使竹 子纤维的初生壁大片地脱落,次生壁外层更易被打 破,从而引起更大程度的内外部细纤维化,为纤维间 提供更多的结合面积和用于氢键结合的羟基,因此成 纸的抗张强度和耐破强度大大提高。
  
  3C中国造万方10^第26卷第2期由图7可以看出,CMC作为增强剂对纸张撕裂 强度的影响不大,而添加CMC打浆可使纸张的撕裂 指数略有下降,但并不会随着CMC用量的增加而线 性降低,而是保持在10.5mN*m2/g左右。
  
  (A) CMC 用量为 0(B) CMC 用量为 0.125%(C) CMC 用量为 0.750%(D) CMC 用量为 3.000%c图8打浆后纤维扫描电镜分析图2.6扫描电镜图片分析由图8(A)可以看出,1根竹子纤维被纵向分开 而露出了纤维细胞腔但没有分丝帚化,还有1根纤维 被横向切断,这说明未加CMC时竹子纤维很易被破 坏、切断。由图8( B) ( C )、( D)可以看出,添加 CMC打浆后,竹浆纤维表面比空白试样要粗糙,表 面起毛程度高,出现了大片的层间分离,分丝帚化程 度高,这有利于暴露更多羟基与羧基,为更多的氢键 结合提供基础。
  
  $结论3.1添加CMC打浆,可以促进竹子纤维的内外部细 纤维化,用P0I磨磨浆,在相同转数下,可提高浆料 的打浆度和保水值,从而降低打浆能耗。 3.2添加CMC打浆,可以促进竹 子纤维之间的润滑性,避免竹子纤 维在打浆过程中过多切断,因此与 空白样相比较,CMC辅助打浆纤 维长度较高。
  
  3.3添加CMC打浆,更易促进竹 子纤维初生壁的剥离和次生壁的开 裂,从而暴露出更多的羟基和羧 基,浆料的表面负电荷密度由空白 试样的44.95 mm〇l/kg增长到CMC 用量 3% 时的 108.25 mmol/kg。
  
  3.4 CMC辅助打浆对纸张性能的 提高不是由于CMC本身的增强作 用造成,而是CMC作为打浆助剂 对打浆效果的改善引起的。CMC 辅助打浆可以提高竹子纤维间的结 合力与结合面积,在CMC用量为 0.750%时,抗张指数和耐破指数 同时达到最大值。
 
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