细菌纤维素与针叶木浆配抄对纸张性质的影响

吕 瑾 王志杰 刘 叶

(陕西科技大学造纸工程学院，陕西西安，710021)

细菌纤维素与针叶木浆配抄对纸张性质的影响

吕 瑾 王志杰 刘 叶

(陕西科技大学造纸工程学院，陕西西安，710021)

分别采用标准纤维解离器及PFI磨对细菌纤维素进行分散，并添加到针叶木浆中，比较这两种方法分散后的细菌纤维素纤维对纸张物理强度的影响。结果表明，当用标准纤维解离器高速疏解分散的细菌纤维素添加量达到3%左右时，纸张的强度指标综合评定较好，其中抗张指数增加了40.7%，撕裂指数增加了40.9%，耐破指数增加了38.3%，耐折度增加了23.2%;当添加经PFI磨12000转处理过的细菌纤维素时，纸张各项强度指标也都得到较明显的提高，其中，抗张指数增加了77.6%，撕裂指数增加了20.4%，耐破指数增加了38.2%，耐折度增加了25.3%。两种分散方法比较，后者较前者好。

细菌纤维素;针叶木浆;分散;强度性能

纤维素纤维是世界上产量最高的天然高分子化合物，主要分布在植物中，但是某些微生物也可以合成纤维素纤维［1］，如醋酸菌属、土壤杆菌属、假单胞杆菌属、无色杆菌属、产碱杆菌属、气杆菌属、固氮菌属、根瘤菌属和八叠球菌属等9个属中的某些细菌［2］。1886年，英国科学家Brown在实验室分析出这种纤维素与植物纤维具有相同的化学结构，因此称为细菌纤维素，简称BC［3］。细菌纤维素具有与一般植物纤维素不同的物理性质，如高结晶度和高化学纯度，高抗张强度和弹性模量，高持水性和湿强度，极佳的形状维持能力和抗撕力［4］，也是一种公认安全的多糖［5］，添加到纸浆中，细菌纤维素大分子上的羟基与植物纤维间的氢键作用，使纸张具有很好的物理强度，因此是一种良好的纸张增强材料。目前国内对其后处理的研究主要有碱处理、化学浸渍、干燥、改性或再生等［6］，很少有单独进行细菌纤维素的分散方法对其配抄植物纤维成纸性能影响的研究，本实验主要研究细菌纤维素在不同机械设备中分散后与植物纤维配抄的成纸性能。

1 实验

1.1 主要原料、药品及仪器

原料:四川某企业提供的细菌纤维素湿膜成品;漂白硫酸盐针叶木浆板，用PFI磨打浆至30°SR。

仪器设备:标准纤维解离器，PFI磨，ZQJ1-B型纸样抄取器，抗张强度试验仪，纸张撕裂度测定仪，肖伯尔耐折度仪，电脑测控耐破度仪。

1.2 细菌纤维素分散体的制备

将浸泡在醋酸中的细菌纤维素湿膜洗至中性，剪成1 cm×1 cm的小块，与水以1∶10的质量比混合，在标准纤维解离器中疏解10000转，取出1/2备用;将1/2细菌纤维素悬浮液倒入300目的浆袋中，挤出水分，再用 PFI磨分别进行9000、12000、15000、18000和21000转的打浆处理，打浆完成后配成与疏解过的细菌纤维素相同浓度的悬浮液。

1.3 纸张试样的制备

将疏解过的细菌纤维素悬浮液分别按照0、1%、2%、3%、4%、5%的质量比与漂白硫酸盐针叶木浆均匀混合，配抄定量为60 g/m2的纸样，烘干后平衡水分24 h，进行纸张物理性能检测。选择使纸张物理性能最佳的细菌纤维素质量比，用PFI磨以不同转数打浆处理细菌纤维素，以上述质量比加入纸浆中抄纸，检测纸张物理性能。

2 结果与讨论

2.1 细菌纤维素分散体的制备

细菌纤维素湿膜是由接近于纯纤维素的纤维交织形成的薄膜，其表面形态如图1所示。

图1 细菌纤维素湿膜风干后扫描电镜图片 (20000倍)

由图1可以看出，原始的细菌纤维素薄膜是由较均一的细菌纤维素纤维以类似于普通植物纤维交织缠绕的方法连接在一起的，但其分布更为均匀紧密。细菌纤维素纤维本身粗度均匀，长宽比极大，而表面却较为光滑，与纤丝状细小纤维具有较为相似的性质。由于其平均长度过长，无法测出;其宽度是目前已知的纤维中最小的，可从图片中目测大约为10～100 nm;原始细菌纤维素湿膜含水量大约在2%左右，其浓度很低，在分散过程中又加入大量水，因此也无法测出打浆度。

细菌纤维素在与针叶木浆混合抄片前先进行分散处理，是为了使其分子链上的游离羟基充分暴露出来，与植物纤维之间形成氢键，充当植物纤维与植物纤维之间相互交织的桥连剂与填充剂，并且细菌纤维素纤维本身强度也很高，因此可以很好地提高纸张的强度指标。

细菌纤维素纤维的直径非常小，主要分布在10～100 nm之间，因此可以用纳米材料的分散方法进行分散，常见的方法有酸处理、碱处理、超声波分散、机械粉碎、机械匀浆等［7］，本实验选用机械方法处理。实验结果表明，当标准纤维解离器的疏解转数达到10000转时，细菌纤维素湿膜基本分散成均匀悬浮液状态，如图2所示。

图2 细菌纤维素湿膜经纤维解离器疏解10000转的显微镜图片 (400倍)

2.2 细菌纤维素不同添加量对纸张强度的影响

将用标准纤维解离器匀浆分散处理的细菌纤维素按照0、1%、2%、3%、4%、5%的质量比分别添加在针叶木浆中抄片，检测其成纸的强度指标，其中耐折度用以10为底的对数表示，下同。

图3 细菌纤维素添加量对纸张抗张指数的影响

从图3～图6可以看出，纸张的抗张指数、撕裂指数、耐破度、耐折度均随细菌纤维素添加量的增加，开始呈上升趋势，后逐渐趋于平缓。当细菌纤维素添加量达到3%时，纸张的各项强度指标的增加有非常明显的变化，与空白样 (添加量0)相比，抗张指数增加了40.7%，撕裂指数增加了40.9%，耐破指数增加了38.3%，耐折度增加了23.2%。因为细菌纤维素纤维的弹性模量为一般纤维的数倍至10倍以上，抗拉强度高，其杨氏模量更是高达138 GPa［8］。在抄片过程中，细菌纤维素附着在植物纤维上形成网状交织，使植物纤维与植物纤维、植物纤维与细菌纤维素纤维之间连接更为紧密，是其各项物理强度性能提高的主要原因。

2.3 不同磨浆转数处理的细菌纤维素对纸张强度的影响

取不同转数PFI磨打浆的细菌纤维素悬浮液，分别以3%的质量比添加在针叶木浆中抄片，测定其成纸的强度指标，如图7～图10所示。

从图7～图10可以看出，纸张的抗张指数、撕裂指数、耐破度、耐折度均随细菌纤维素添加量的增加，开始呈上升趋势，后逐渐趋于平缓。当PFI磨转数达到12000转时，纸张的各项强度指标的增加有非常明显的变化，与空白样 (添加量0，打浆转数0转)相比，抗张指数增加了77.6%，撕裂指数增加了20.4%，耐破指数增加了38.2%，耐折度增加了25.3%。分析原因，主要是PFI磨在打浆过程中的摩擦形变效应［9］，有3部分:①磨齿的机械剪切对小纤维网络单元的摩擦变形效应;②湍流流体剪切应力对小纤维网络单元的摩擦变形效应;③中浓湍流中小纤维网络单元之间的摩擦变形效应。而细菌纤维素在PFI磨中的处理正是中浓处理，因此在打浆过程中单根细菌纤维素纤维分离开，在抄纸过程中缠绕在长纤维上，起到了细小纤维的作用，增加了交织程度和纸张单位体积中的氢键密度，同时也填补了植物纤维之间的空隙，故其抄纸的强度性能整体提高较多。

图11 磨浆处理后细菌纤维素纤维配抄针叶木浆纸张表面扫描电镜照片 (5000倍)

细菌纤维素纤维磨浆后配抄针叶木浆纸张的表面情况如图11所示。由图11可以看出，长纤维表面较为光滑，经过打浆后分离出一些片状的细小纤维，细菌纤维素纤维填充在缝隙中，纤维交织状况得到很大改善。

3 结论

3.1 与标准纤维解离器高速疏解分散的细菌纤维素相比，采用PFI磨打浆的方法对细菌纤维素的分散效果较好。

3.2 在针叶木浆中添加细菌纤维素可以明显提高纸张的抗张指数、撕裂指数、耐折度、耐破度等各项强度指标，并且增强效果与其添加量和分散程度有关，标准纤维解离器高速疏解分散的细菌纤维素添加量达到3%左右时，抗张指数增加了40.7%，撕裂指数增加了40.9%，耐破指数增加了38.3%，耐折度增加了23.2%;当用PFI磨分散时，PFI磨转数达到12000转时，抗张指数增加了77.6%，撕裂指数增加了20.4%，耐破指数增加了38.2%，耐折度增加了25.3%。

3.3 标准纤维解离器高速疏解分散的细菌纤维素，当在标准纤维解离器中疏解10000转时，细菌纤维素基本分散均匀，能够很好地与植物纤维结合，添加量为3%时综合评定效果最好。

3.4 在细菌纤维素纤维添加量为3%(最佳值)时，随着细菌纤维素纤维PFI磨打浆转数的提高，纸张性能也随之提高，当PFI磨打浆转数为12000转时，可以达到较优的纸张强度性能。

［1］ Brown R M Jr．Cellulose structure and biosynthesis:what is in store for the 21stcentury ［J］．J Polym Sci:Part A:Polymer Chemistry，2004，42:487．

［2］ 贾士儒，欧竑宇．细菌纤维素的生物合成及其应用［J］．化工科技市场，2001(2):21．

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［4］ Y Nishi，M Uryu，S Yamanaka，et al．The Structure and Mechanical Properties of Sheets Prepared from Bacterial Cellulose Part2．［J］．Material Science，1990，25:2997．

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［6］ 龚 关，刘 忠，徐 千．细菌纤维素性能的研究现状［J］．中国造纸，2010，29(9):66．

［7］ 修慧娟，王志杰，李金宝．细菌纤维素纤维对纸张性能的影响［J］．中国造纸，2005，24(3):14．

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［9］ 刘士亮．高效、节能型盘磨中浓打浆技术生产应用及理论初探［J］．江苏造纸，2008(3):10．

Effect of Bacterial Cellulose Seperating by Fluffer and PFI Mill on the Wood base Handsheet Properties

LV Jin*WANG Zhi-jie LIU Ye
(Shaanxi University of Science and Technology，Xi'an，Shaanxi Province，710021)

The bacterial cellulose was separated using fluffer and PFI mill respectively and separately added into the softwood pulp suspension to prepare handsheets．The strength properties of the handsheets were compared．The result showed that the strength properties are the best when the amount of the bacterial cellulose separated by fluffer is about 3%，the tensile index，tear index，burst index，folding endurance are improved by 40．7%，40．9%，38．3%，23．2%respectively．The strength properties improve obviously when the bacterial cellulose is separated by PFI mill under 12000 revolutions the tensile index，tear index，burst index，folding endurance increase by 77．6%，20．4%，38．2% ，25．3%respectively．Comparing the two separating methods，the latter is better than the former．

bacterial cellulose;softwood pulp;dispersing;strength properties

TS722:TS753

A

0254-508X(2012)01-0019-04

吕 瑾女士，在读硕士研究生;主要研究方向:加工纸与特种纸。

(*E-mail:lavender01052003@163．com)

2011-10-08(修改稿)

(责任编辑:马 忻)