高强高模聚乙烯醇纤维对纸张性能的影响

徐飞强　张方东　王　彪

(天津科技大学造纸学院,天津，300457)



·聚乙烯醇纤维·

高强高模聚乙烯醇纤维对纸张性能的影响

徐飞强张方东*王彪

(天津科技大学造纸学院,天津，300457)

探讨了高强高模聚乙烯醇(HSHMPVA)纤维长度及其排列对纸张性能和经酸碱处理、壳聚糖涂敷的HSHMPVA纤维对纸张性能的影响。结果表明，纸张裂断长和撕裂指数随着HSHMPVA纤维长度的增加而提高；但HSHMPVA纤维用量增加,纸张的横向裂断长和撕裂指数均会有所下降；酸碱处理的HSHMPVA纤维对纸张增强效果为:酸处理>碱处理；壳聚糖涂敷HSHMPVA纤维对纸张有显著增强效果。

HSHMPVA；纸张性能；裂断长；撕裂指数；纤维排列

高强高模聚乙烯醇(HSHMPVA)纤维可采用湿法加硼式纺丝、直接醇解式纺丝和凝胶式纺丝等加工技术制得[1]。这类纤维在热水中几乎不溶解,为了将其与水溶性纤维区分开,习惯称为难溶性聚乙烯醇纤维,其强度一般为10～13 cN/dtex,模量可达200～400 cN/dtex[2]。

由于HSHMPVA纤维具有较高的强度性能,其在各行业中均有应用[3]。HSHMPVA纤维最早应用于提高混凝土基材、纤维水泥板的强度性能,还可以应用在建筑墙体上[4]。随着造纸纤维功能化需求的增加,HSHMPVA纤维在特种纸上的应用逐渐增多[5]。面对如何使其表面粗糙的问题,国内外学者研究并提出了一系列纤维表面改性的方法,如酶处理、等离子改性、臭氧氧化等[6- 8]。肖长发等人[2]提出可通过在湿法纺丝拉伸过程中增加PVA纤维的间规体积分数来实现其强度性能的进一步提升；余调娟等人[9]采用丙烯酸和聚丙烯纤维共辐照接枝的方法改性PVA纤维,探讨其对湿法抄纸工艺的影响。

本实验探讨了HSHMPVA纤维长度、纤维排列、用量对纸张性能的影响,研究了酸、碱处理以及壳聚糖涂敷3种处理方式改性后的HSHMPVA纤维对纸张性能的影响。为特种纸的生产提供一定的参考。

1　实　验

1.1原料和试剂

高强高模聚乙烯醇(HSHMPVA)(长度分别为2、4、6 mm)产自深圳某化纤厂。漂白硫酸盐针叶木浆(NBKP),由山东某制浆厂提供,纤维平均长度2.114 mm,纤维平均宽度29.2 μm,初始打浆度14°SR。H2SO4、冰醋酸均为分析纯，天津市化学试剂一厂；NaOH、壳聚糖均为分析纯，购自天津市江天化工技术有限公司。

1.2主要仪器

动态纸页成形器(FDA,法国Techpap公司),扫描式电子显微镜(SU-1510,日本日立公司),激光共聚焦扫描显微镜(EC-C1,日本NIKON公司),快速纸页成形器(RK-ZA-KWT,奥地利PTI公司)。

1.3实验方法

1.3.1浆料的制备

将漂白硫酸盐针叶木浆板撕碎，置于去离子水中浸泡4 h,然后放入纤维解离器中按照QB/T1462—1992标准进行浆料疏解,再将浆料用布氏漏斗脱水,平衡水分后测其水分含量,放入密封容器内储存待用。

取绝干浆料和HSHMPVA纤维共计30 g(3种纤维配抄时需要加入一定比例的水溶性PVA纤维),加水至浆浓为10%,放入PFI磨中进行磨浆处理,直至打浆度为45°SR。取出并用布式漏斗过滤脱水,以减少细小纤维的流失,然后平衡水分,测其水分后储存于密闭容器内。

1.3.2抄纸

按GB/T 24324—2009和FDA操作手册用快速纸页成形器和动态纸页成形器抄纸,纸张定量为60 g/m2。

1.3.3纸张物理性能检测

将抄好的纸张置于恒温恒湿环境中24 h，按相应国家标准进行纸张的物理性能检测。纸张裂断长和伸长率按照GB/T 12914—2008测定；撕裂指数按GB/T 455—2002测定；松厚度按GB/T 451.3—1989测定。

1.3.4HSHMPVA纤维的改性处理

酸处理：先将98%浓H2SO4稀释成浓度为5%、10%和15%的溶液,将称量好的HSHMPVA纤维放入不同浓度H2SO4的烧杯中,并将其放入恒温水浴锅中控制温度在25℃,处理时间90 min,取出后用蒸馏水洗涤至中性备用。

碱处理：配制浓度为5%、10%和15%的NaOH溶液,并分别对HSHMPVA纤维进行处理,处理条件与酸处理相同。

壳聚糖涂敷：壳聚糖能溶于某些低浓度的有机酸和无机酸中,因为壳聚糖是带有氨基的碱性多糖[10],实验中采用钱丽颖等人研究的化学纤维改性新方法。称取0.1 g壳聚糖放入已配好的100 mL浓度为0.2%的稀醋酸溶液中,用磁力搅拌器搅拌9～10 h,使其充分溶解,并用NaOH溶液调节pH值至接近中性。用滤布分离溶液中的壳聚糖凝胶,将称量好的HSHMPVA纤维(约1 g)加入到壳聚糖凝胶中搅拌均匀,并不断通入CO2使其偏酸性,浸泡9～10 h后将HSHMPVA纤维取出,风干备用[11]。

1.3.5动态纸页成形器浆网速比设置

在装置中,成形桶的转速即为网速(m/min),而浆速则需要根据浆泵转速及浆流量间接计算,即浆速=流量(Q)/喷头面积(S),实验中取喷头型号为2510,孔径2 mm,则浆速约为320·Q,其中Q可根据不同浆泵转速下记录喷射1 L浆料所需的时间来获得[12],具体如表1所示。

表1　浆泵转速与浆速换算表(浆浓0.2%)

2　结果与讨论

2.1HSHMPVA纤维长度对纸张强度的影响

由于HSHMPVA纤维表面无羟基,与纸浆纤维之间只能以物理缠绕的方式结合,因此加入HSHMPVA纤维后纸张纤维结合强度下降。然而,在用量相同的情况下,纤维长度的增加有利于纸张三维网络结构的加固。因此，可通过纸张纤维结合强度下降权重来间接表示纤维长度对纸张强度性能的影响。图1为HSHMPVA纤维长度对纸张强度性能的影响。由图1可知,纸张裂断长和撕裂指数会随HSHMPVA纤维长度增加而提高。

2.2HSHMPVA纤维排列及用量对纸张性能的影响

动态纸页成形器可通过设置浆泵的转速来间接控制浆速,需要根据实验方法1.3.5换算实际的浆速。由于设备的局限性,实际网速的选择范围只能在1000～1400 m/min的区间内。表2所列为长度4 mm的HSHMPVA纤维不同用量下，纤维排列对纸张性能的影响。通过表2可知,浆速不变的条件下,不同的网速对纸张松厚度的影响不大,但HSHMPVA纤维的用量对纸张的松厚度影响较大。这是因为HSHMPVA纤维本身的柔软度要比植物纤维差,在纤维结合过程中不易弯曲,增加了纤维结合点处的厚度,因此,纸张松厚度会随着HSHMPVA纤维用量的增加而上升。

图1　HSHMPVA纤维长度对纸张强度性能的影响

HSHMPVA纤维用量/%网速/m·mm-1松厚度/cm3·g-1裂断长/km纵向横向撕裂指数/mN·m2·g-1纵向横向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

注浆速353 m/min。

通过对比可以发现,添加长度4 mm HSHMPVA纤维后，纸张纵、横向裂断长随网速的升高却表现出与未添加HSHMPVA纤维相反的趋势,这主要是由于加入HSHMPVA纤维,随着网速的提高,会使纤维有序排列程度加大,导致纸张强度影响因素之一的“纤维间的机械缠结”作用减少,纤维间结合力作用的权重增加,而HSHMPVA纤维自身与纸浆纤维之间几乎没有结合力,对纸张横向裂断长而言,沿横向排列的HSHMPVA纤维数量会减少,纸浆纤维则相对增加,导致横向裂断长随纵横比的增加而有所提高；而纵向排列的HSHMPVA纤维较多,纵向裂断长则相对下降。撕裂指数主要受纤维平均长度的影响,由于所加入的HSHMPVA纤维长度略长于纸浆纤维,当纸张纵向排列的纤维增多时,导致横向撕裂纸张所克服的阻力增大,表现为横向撕裂指数随网速的增大而上升,纵向撕裂指数则相对下降。

为了更加直观地研究HSHMPVA纤维用量、网浆速比对纸张裂断长的影响,将表2中的数据变化总结如图2所示。由图2可以发现，浆速一定，当网速小于某一临界值时,纵向裂断长的变化比较平缓,而超过这个临界值,则变化幅度开始增大。由此可知,纤维间结合力在影响纸张纵向裂断长中的权重会在网浆速比到达临界值后上升。

图2　不同HSHMPVA纤维用量网浆速比对纸张纵向裂断长的影响

2.3酸、碱处理及壳聚糖涂敷HSHMPVA纤维对纸张性能的影响

图3所示为不同浓度的酸碱处理后HSHMPVA纤维对纸张裂断长的影响。由图3可知,经过酸或碱处理后的HSHMPVA纤维所抄纸张裂断长会有所提高,且随着酸或碱浓度的增加,纸张裂断长的增幅也会加大,这主要是由于酸或碱能对HSHMPVA纤维表面起腐蚀作用,利用酸碱的腐蚀性来增加纤维表面的粗糙程度，从而提高HSHMPVA纤维与木浆纤维间的结合强度。图4给出了酸处理前后HSHMPVA纤维的表面变化。由图4可以明显看出，酸处理后HSHMPVA纤维与未处理的HSHMPVA纤维相比，纤维粗糙,发生了形变。由图3还可以看出,经过酸处理的HSHMPVA纤维对纸张的增强效果要优于碱处理的效果,这与纤维本身耐碱性有关。

表3为壳聚糖涂敷HSHMPVA纤维对纸张性能的影响。由表3可知，壳聚糖涂敷HSHMPVA纤维的纸张裂断长、撕裂指数和伸长率均高于未经壳聚糖涂敷HSHMPVA纤维纸张的。这主要是由于表面光滑的HSHMPVA纤维涂敷了一层壳聚糖后,纤维亲水性得到极大改善,增加了其与木浆纤维间氢键的结合数量,从而提高纤维间的结合力,使纸张强度性能得到提升。

图3　不同浓度的酸碱处理后的HSHMPVA纤维对纸张裂断长的影响

图4　酸处理前后HSHMPVA纤维表面的变化

裂断长/km撕裂指数/mN·m2·g-1伸长率/%壳聚糖涂敷 5.8915.12.55未经壳聚糖涂敷5.3714.92.26

注4 mm HSHMPVA纤维用量为5%。

3　结　论

3.1纸张裂断长和撕裂指数会随高强高模聚乙烯醇(HSHMPVA)纤维长度增加而上升。

3.2HSHMPVA纤维用量的增加可以提高纸张的松厚度,但会降低纸张的裂断长和撕裂指数。

3.3相同HSHMPVA纤维用量,增加网浆速比,会增加纸张横向裂断长,降低纸张的纵向裂断长；增加横向撕裂指数,降低纵向撕裂指数。

3.4经过酸处理或碱处理的HSHMPVA纤维均可以增加纸张裂断长,其中,酸处理的HSHMPVA纤维增强效果要好于碱处理的；且壳聚糖涂敷过的HSHMPVA纤维也对纸张强度提高有一定的促进作用。

[1]CAI Xiaoliang, SHAO Binjiao, WANG Jiaming. Development Survey and Application Prospect of HSHMPE Fiber[J]. Hi-Tech Fiber & Application, 2008, 33(4)： 36.

蔡晓良, 邵斌姣, 汪家铭. 高强高模聚乙烯纤维发展概况与应用前景[J]. 高科技纤维与应用, 2008, 33(4)： 36.

[2]XIAO Changfa. Research on structure and performance of high strength poly fiber[J]. Hi-Tech Fiber & Application, 2005, 30(2)： 11.

肖长发. 高强度聚乙烯醇纤维结构与性能研究[J]. 高科技纤维与应用, 2005, 30(2)： 11.

[3]LI Mingxing, WANG Kai. The Reseacrh Porgesrs of PVA Fiber With High Strength and High Modulus[J]. Synthetic Fiber in China, 2003, (1)： 21.

李明星, 王凯. 高强高模聚乙烯醇(PVA)纤维的研究进展[J]. 合成纤维, 2003, (1)： 21.

[4]Zhang Cancan. High Strength and High Modulus Polyethylene Fiber Applications in the Construction of the Wall[J]. Shandong Textile Economy, 2010, (8)： 43.

张灿灿. 高强高模聚乙烯纤维在建筑墙体上的应用分析[J]. 山东纺织经济, 2010, (8)： 43.

[5]HE Yun, LIU Bing, LIANG Mingjiang. Application of PVA Fiber in Paper Making[J]. Sichuan Textile Technology, 2004(1)： 36.

何云, 刘斌, 梁明江. PVA纤维在造纸业的应用浅析[J]. 四川纺织科技, 2004(1)： 36.

[6]Gandini A,Pasquini D.The impact of cellulose fibre surface modification on some physico-chemical properties of the ensuing papers[J]. Industrial Crops and Products, 2012, 35(1)： 15.

[7]YUE Zhennan, HUANG Ying, WANG Yan, et al. Study on the Affect of Low Temperature Plasma Treatment on Surface Modification of Pbo Fibers[J]. FRP/CM, 2011(1)： 16.

岳震南, 黄英, 王岩, 等. 低温等离子体对PBO纤维表面改性的研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2011(1)： 16.

[8]Gatenholm P. Improvement of the wetting and adsorption properties of lignocellulosic fibers by means of gass phase ozonation[J]. Langmuir, 2005, 21: 160.

[9]YU Tiao-juan, LI Rong-nian, LI Hong-zhu, et al. Hydrophilic Modification of Polypropylene and the Application of Graft Polypropylene[J]. China Pulp & Paper, 2006, 25(1): 6.

余调娟, 李荣年, 李红祝, 等. 聚丙烯纤维亲水改性技术及其应用[J]. 中国造纸, 2006, 25(1)： 6.

[10]LIU Wen-bo, QIAN Li-ying, HE Bei-hai. A Novel Method to Modify Chemical Fibers by Chitosan Gel[J]. China Pulp & Paper, 2005, 24(7): 14.

刘文波, 钱丽颖, 何北海. 壳聚糖改性化学纤维的新方法及其微观分析[J]. 中国造纸, 2005, 24(7)： 14.

[11]QIAN Liying, LIU Wenbo, HE Beihai. The New Methods of Chemical Fibers Modification by Coating Natural Polymers[J]. Transactions of China Pulp and Paper, 2007, 21(4)： 107.

钱丽颖, 刘文波, 何北海. 天然高分子对化学纤维涂覆改性的新方法[J]. 中国造纸学报, 2007, 21(4)： 107.

[12]ZHANG Fang-dong, PEI Ji-cheng, LI Jing, et al. The Effect of Speeds of Jet and Wire on the Physical Properties of Paper Sheets Forming in a Dynamic Sheet Former[J]. China Pulp & Paper, 2014, 33(6): 25.

(责任编辑：董凤霞)

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

徐飞强先生,在读硕士研究生；研究方向：清洁制浆及木质资源综合利用。

2015-12- 06(修改稿)

张方东先生，E-mail:fangdongzh@126.com。

TQ722

ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.06.004