紙漿纖維的試劑法改性及其對濾紙性能的影響

趙志明　程　飛　吳海楊　胡佳藝　劉文波

(東北林業大學材料科學與工程學院,黑龍江哈爾濱,150040)

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·纖維改性·

紙漿纖維的試劑法改性及其對濾紙性能的影響

趙志明程飛吳海楊胡佳藝劉文波*

(東北林業大學材料科學與工程學院,黑龍江哈爾濱,150040)

采用NaOH、尿素、硫脲等調配紙漿纖維改性試劑,先對紙漿纖維進行試劑改性,再采用超聲波協同處理,利用改性纖維抄造高透氣性能濾紙，探討改性試劑質量分數、超聲波功率、超聲波處理時間等因素對改性效果的影響,通過對比分析改性前后紙漿纖維形態變化及所抄造濾紙的透氣度、平均孔徑、最大孔徑、松厚度、零距抗張強度等指標來評價改性效果。結果表明,當改性試劑質量分數30%、超聲波功率600 W,超聲波處理時間15 min時,纖維改性效果最佳；且纖維發生了明顯的潤脹，有一定的分絲和微纖化現象,所抄造濾紙透氣度由未改性的157.57 L/(m2·s)提高到1041.16 L/(m2·s)；平均孔徑由35.171 μm提高到47.498 μm；最大孔徑由39.178 μm提高到49.712 μm；松厚度由3.16 cm3/g提高到5.22 cm3/g。

紙漿纖維；試劑；超聲波；改性；濾紙

(*E-mail： hljlwbo@163.com)

目前采用試劑體系對紙漿纖維進行改性用于改善濾紙性能的研究還沒有太多報道。基于低溫試劑體系改性紙漿纖維提高濾紙性能的思想,進行了大量前期實驗,得出影響改性效果的主要因素是改性溶液中試劑配比、改性溫度及改性工藝(包括溶液處理時間、溶液與纖維的配比、超聲波輔助條件等),并已篩選出實驗最佳試劑組成為NaOH、尿素、硫脲質量比為3∶3∶4,最佳改性溫度為-2℃,試劑體系最佳處理時間為30 min[12]。因此本實驗主要是在NaOH、尿素、硫脲質量比為3∶3∶4的基礎上設置一定范圍梯度的試劑質量分數、不同的超聲波協同處理時間和處理功率,探討了溶液體系協同超聲波處理改性紙漿纖維的具體工藝和條件,并研究了改性纖維在濾紙中的應用。

1　實　驗

1.1實驗藥品與原料

NaOH、尿素(H2NCONH2)、硫脲(H2NCSNH2)均為分析純；漂白硫酸鹽針葉木漿,牡丹江恒豐紙業股份有限公司提供。

1.2實驗設備與儀器

BCD-219WAYS2容聲低溫可控冰箱, JY98-DNⅢ超聲波細胞粉碎機,ZQJ1-B-Ⅱ紙頁成形器,101-2A電熱鼓風干燥箱,MP-10K濾紙孔徑測試儀,YG461E數字式透氣度儀,Z-SPAN-1000零距抗張強度測定儀,Quanta-200掃描電子顯微鏡。

1.3實驗方法

1.3.1漿料準備與溶液配制

漿板撕碎放入水中浸泡24 h,濾干撕成米粒大小裝入保鮮袋恒定24 h,測水分后,放入5℃冰箱備用；配制不同濃度的改性試劑放置在-2℃預冷備用。

1.3.2溶液與紙漿處理

取15 g絕干紙漿,放入300 mL預冷改性試劑中,在恒速攪拌器600 r/min下充分攪拌,攪拌后立即放入-2℃中處理30 min, 擠壓溶液回收利用,洗滌紙漿纖維。

1.3.3超聲波打漿

用JY98-DNⅢ超聲波細胞粉碎機,對溶液處理后的紙漿纖維按設計的功率和時間進行協同打漿處理。紙漿打漿后裝袋恒定24 h后測水分。

1.3.4手抄片抄造實驗

將纖維分散均勻后,在紙頁抄片器上抄造定量為80 g/m2的手抄片,用熱電鼓風干燥箱干燥,冷卻后備用。

1.4分析與評價方法

1.4.1纖維分析

采用掃描電子顯微鏡對改性前后纖維形貌進行觀察和圖像采集,做以比較和分析。

1.4.2濾紙性能檢測

(1)濾紙透氣度的測定：參照ISO9237—1995紡織品織物透氣性的測定采用YG461E數字式透氣性測試儀測定濾紙透氣度。

(2)孔徑的測定：按照ISO4003,采用氣泡法測定儀測定濾紙最大孔徑和平均孔徑。

(3)零距抗張強度的測定：按照GB/T 2678.4—1994采用Z-SPAN-1000零距抗張強度測定儀測定零距抗張力。

(4)厚度、松厚度的測定：利用紙張厚度測定儀(ZUS- 4)測定實驗所抄造濾紙厚度，并計算松厚度。

1.5實驗方案

本實驗在前期實驗的基礎上,探究試劑濃度、超聲波協同處理時間和處理功率對紙漿纖維改性效果的影響。實驗擬定以3因素4水平的正交實驗L16(43)進行,因素水平的選取如表1所示。

表1　正交實驗因素和水平表

2　結果與討論

2.1實驗結果

實驗對改性后濾紙的透氣度、零距抗張力、最大孔徑、平均孔徑和松厚度進行了測定,各性能指標數據如表2所示。

表2濾紙各性能指標匯總

實驗編號透氣度/L·(m2·s)-1零距抗張力/N孔徑/μm最大孔徑平均孔徑松厚度/cm3·g-11108.94143.9940.13036.9193.782106.18134.4240.21735.4073.523173.57104.1640.71736.3783.82465.17159.1035.21932.8823.285155.58125.8540.96834.7884.236155.91133.3040.19536.0993.727147.08144.4338.73235.4423.958154.42124.0242.55637.2244.129801.68116.9048.19645.2804.6410881.41121.1852.35148.1844.9111928.23122.4153.16650.2675.0212666.92125.9350.29844.4884.9213647.23130.2148.60446.2614.8514803.15121.2054.86147.4955.0315884.10112.7249.85048.5304.7516947.79110.9352.85349.2705.04未改性157.57142.0439.17835.1713.16

2.2討論與分析

2.2.1試劑濃度對濾紙性能的影響

實驗在試劑質量分數這一因素上選取了10%、20%、25%、30% 4個水平,進行了16組實驗。實驗結果見圖1、圖2。

圖1　試劑質量分數對濾紙透氣度、松厚度的影響

圖2　試劑質量分數對濾紙孔徑、零距抗張力的影響

由圖1、圖2可以看出增加試劑質量分數,濾紙的透氣度、松厚度、最大孔徑、平均孔徑均有提高,且在試劑質量分數超過20%時各項指標都有陡增現象,試劑質量分數30%時各項指標出現最大值；而零距抗張力則隨著試劑質量分數的增大逐步降低，這是由于藥液不斷潤脹纖維、破壞氫鍵結合，致使纖維自身強度下降，從而使濾紙零距抗張力下降；并且，濾紙是松厚度高、緊度小的紙種，其纖維間的結合強度是制約濾紙強度的關鍵因素，纖維自身強度變化對濾紙強度性能的影響不大。所以從追求最大過濾性能方面考慮最佳的改性試劑質量分數為30%。

2.2.2超聲波功率對濾紙性能的影響

實驗在超聲波功率這一因素上選取了200、400、600、800 W 4個水平,進行了16組正交實驗。實驗結果見圖3、圖4。

圖3　超聲波功率對濾紙透氣度、松厚度的影響

圖4　超聲波功率對濾紙孔徑、零距抗張力的影響

從圖3、圖4可以看出,超聲波功率對提高濾紙透氣度的作用較明顯,當超聲波功率為600 W時,透氣度由試劑處理后未進行超聲處理時的355.17 L/(m2·s)提高533.25 L/(m2·s),而當超聲波功率超過600 W時,透氣度又出現了略微的下降。超聲波功率增加到200 W時,濾紙松厚度由未進行超聲波處理時的4.09 cm3/g提高到4.38 cm3/g,而繼續提高超聲波功率,松厚度則維持穩定。隨著超聲波功率的增加,濾紙的最大孔徑整體呈上升趨勢,且超聲波功率為800 W時最大孔徑達到55.232 μm。超聲波功率增加到200 W時,平均孔徑增大較明顯,由未進行超聲波處理時的38.335 μm提高到43.139 μm,而繼續提高超聲波功率,平均孔徑波動范圍較小且維持在41～43 μm。增大超聲波功率濾紙零距抗張力出現了下降現象。綜合考慮，最適宜超聲波功率為600 W。

2.2.3超聲波處理時間對濾紙性能的影響

實驗在超聲波處理時間這一因素上選取了15、30、45、60 min 4個水平,進行了16組正交實驗。實驗結果見圖5、圖6。

圖5　超聲波處理時間對濾紙透氣度、松厚度的影響

圖6　超聲波處理時間對濾紙孔徑、零距抗張力的影響

從圖5、圖6可以看出，超聲波處理15 min即可顯著提高濾紙透氣度、最大孔徑、平均孔徑、松厚度,但繼續增加超聲波處理時間各項性能則維持在一定水平不再提高。隨著超聲波處理時間的增加,濾紙零距抗張強度出現下降,綜合考慮最佳超聲波處理時間為15 min。

由以上討論和分析可以得出,對提高濾紙性能效果最好的改性條件是A4B3C1,即試劑質量分數30%、超聲波功率600 W,超聲波處理時間15 min。然而,此條件并沒有在正交實驗中出現,因此,按照A4B3C1的條件補充實驗,其改性纖維抄造濾紙透氣度為1041.16 L/(m2·s),平均孔徑為47.498 μm,最大孔徑為49.712 μm,松厚度為5.22 cm3/g，零距抗張力為121 N。可以看出,其透氣度、松厚度都達到了最大值,而平均孔徑和最大孔徑很接近并且又不是最高數值,這說明所改性纖維抄造濾紙透氣性能優良,孔隙結構均勻,也能體現出其具備良好的過濾性能。

2.3改性纖維及其抄造濾紙形態的表征

對改性前后的紙漿纖維形態及其所抄造濾紙的表面形貌變化進行掃描電子顯微鏡觀察,SEM照片如圖7、圖8所示。

圖7(a)是未改性的纖維,圖8(a)是其所抄造的濾紙,從圖中可以看出其纖維扁平、僵硬、挺直,細胞壁薄、胞腔扁平,纖維間接觸面積大；圖7(b)是試劑改性后的纖維,圖8(b)是所抄造的濾紙,從圖中可以看出試劑改性后纖維細胞壁發生明顯的潤脹、增厚,胞腔變小,纖維結構松弛,圓潤,細胞壁層間松動、有內帚化效果,纖維幾乎沒有切斷,纖維間接觸面積顯著減少；圖7(c)是超聲波協同處理后的改性纖維,圖8(c)是其所抄造的濾紙,圖中可以看出纖維結構更加疏松，同時保持潤脹狀態,并有部分分絲及內外帚化現象。由此推斷改性試劑可以使纖維發生潤脹,破壞纖維間氫鍵和結晶結構,促使纖維結構松弛、形態發生改變,進而在超聲波作用下,促使纖維進一步分絲和松弛,并保持了纖維的原有長度。其結果有利于其抄造紙張的透氣效果及降低流體通過阻力,其分絲和微纖化的效果對保持濾紙孔徑非常有效。

圖7　改性前后纖維的SEM圖

圖8　改性前后纖維抄造濾紙表面的SEM圖

3　結　論

利用NaOH、尿素、硫脲等調配成紙漿纖維改性試劑,對紙漿纖維進行改性處理(并采用超聲波協同處理)。通過對比分析改性前后紙漿纖維形態及其所抄造濾紙表面變化及濾紙性能指標的變化評價改性效果,結果表明該改性試劑在提高濾紙透氣度、松厚度及孔徑等性能方面具有顯著效果。

3.1試劑改性能夠使紙漿纖維發生顯著潤脹,纖維表面變得光滑,纖維結構變得松弛,并出現部分分絲和帚化現象,超聲波的協同處理使纖維結構更加疏松,能夠保持纖維長度,大大降低纖維間接觸面積。

3.2該改性工藝能夠提高濾紙的透氣度、孔徑、松厚度,根據正交實驗數據極差分析,其最主要影響因素是試劑濃度,其次是超聲波功率和超聲波處理時間。同時,隨著試劑濃度的提高，改性試劑與纖維作用不斷增強,加以超聲波的協同作用,濾紙的零距抗張強度有所下降。

3.3纖維改性的最優條件為試劑質量分數30%,超聲波功率600 W,超聲波處理時間15 min。經過改性后纖維抄造濾紙透氣度由未改性的157.57 L/(m2·s)提高到1041.16 L/(m2·s),最大孔徑由39.178 μm提高到49.712 μm,平均孔徑由35.171 μm提高到47.498 μm,松厚度由3.16 cm3/g提高到5.22 cm3/g；同時,零距抗張力有所降低,即由142 N降低到121 N。

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(責任編輯：劉振華)

Pulp Fiber Modification with NaOH-urea-thiourea Solution and Its Effects on the Property of Filter Paper

ZHAO Zhi-mingCHENG FeiWU Hai-yangHU Jia-yiLIU Wen-bo*

(MaterialsScienceandEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin,HeilongjiangProvince, 150040)

Pulp fibers were modified in aqueous NaOH-urea-thiourea solution and treated with ultrasonic to prepare high-permeability filter paper. Effects of the agent concentration, ultrasound power and time of ultrasound treatment were studied. Comparing the morphological change of the fibers in modification and the main parameters of the filter papers (permeability, pore size, bulk, and zero-span tensile strength) prepared with treated and untreated fibers to evaluate the effect of modification. The results showed that the ultrasound treatment process was most favorable at 600 W for 15 min and the agent concentration was 30%, obviously swelling and fibrillation of the fibers, took place under the conditions. The permeability increased from 157.57 L/(m2·s) to 1041.16 L/(m2·s),average pore size increased from 35.171 μm to 47.498 μm, maximum pore size increased from 39.178 μm to 49.712 μm, the bulk increased from 3.16 cm3/g to 5.22 cm3/g for the paper prepared with untreated and treated fibers respectively.

pulp fiber; solution; ultrasound; modification; filter paper

趙志明先生,在讀本科生；所學專業：輕化工程。

2016- 01-19(修改稿)

國家級大學生創新訓練項目 (201510225021)；黑龍江省留學歸國人員科學基金( LC2013C11)。

劉文波先生,E-mail：hljlwbo@163.com。

TS72

ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.07.003