纖維表面潤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“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濕性能，最終建立纖維表面潤濕性能與纖維結(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濕性能降低而降低的較小，在整個(gè)機(jī)械處理過程中從4.95 cm3/g下降到3.57 cm.3/g，這表明可通過改善纖維表面潤濕性能來達(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程中，傳統(tǒng)的制漿過程可以理解為是在此分離過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。可見纖維表面潤濕性能發(fā)揮著重要的作用。

纖維表面潤濕性能指的是液滴在纖維表面進(jìn)行鋪展和潤濕的能力，通過纖維對(duì)某種液體的接觸角和纖維的表面能來反映。纖維表面潤濕性能所涵蓋的內(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濕過程相關(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，纖維表面的潤濕能力會(huì)影響纖維的潤脹，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模瑹o法在纖維之間形成氫鍵結(jié)合。對(duì)于高得率漿纖維，人們嘗試通過多種預(yù)處理方式來達(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濕性能的相關(guān)研究。

本研究通過對(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改善纖維表面潤濕性能，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，纖維表面潤濕性能提高。纖維表面潤濕性能與纖維結(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，這表明可以通過改善纖維表面潤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）