聚烯烃长纤维分散及其纸张性能的研究

吴衍青 赵传山 韩文佳 姜亦飞 胡 星

(齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术教育部重点实验室,山东济南,250353)



·聚烯烃长纤维·

聚烯烃长纤维分散及其纸张性能的研究

吴衍青 赵传山 韩文佳 姜亦飞 胡 星

(齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术教育部重点实验室,山东济南,250353)

通过改变浆浓、疏解时间以及选用不同的表面活性剂,对聚烯烃长纤维悬浮液的分散效果进行了研究。采用测定悬浮液体积、观察纤维悬浮液分散情况以及分析纸张性能,确定了适宜的浆浓和疏解时间,优选出了适宜的表面活性剂。结果表明,当浆浓为0.04%,疏解时间为2 min时,聚烯烃长纤维的分散效果较好。当脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵(AESA)溶液浓度为4%时聚烯烃长纤维浆料悬浮液表面张力小于十二烷基硫酸钠(SDS)溶液的，AESA溶液对聚烯烃长纤维浆料悬浮液的分散效果优于SDS溶液的。在聚烯烃长纤维浆料悬浮液中添加AESA溶液,抄造所得纸张的抗张指数比添加SDS溶液的好,在此条件下得到纸张的抗张指数为37.5 N·m/g,纸张孔径主要分布于15～25 μm范围。

聚烯烃长纤维；表面活性剂；分散；纸张

(*E-mail: yqwno_1@163.com)

长纤维的平均长度往往超过3 mm,有的可达几十毫米,宽度为10～16 μm[1]。用于造纸行业的非木材长纤维资源主要包括：种毛纤维类(一年生的棉短绒)、韧皮纤维类(棉秆皮和麻类草本科)以及人造纤维(聚烯烃纤维,聚乙烯醇纤维)[2]等。这些纤维具有纤维细长、强度性能好、纤维柔韧等性能。添加到纸张中,使其具有不同于普通纤维纸的特征。为了改善某些特种纸的性能指标,化学纤维作为添加原料已成为趋势。

聚烯烃长纤维(polyolefin long-fiber)是由烯烃聚合成的线型大分子构成的合成纤维,是一种轻型纤维。作为特种纸原料,根据成纸要求切成长度为3～8 mm的尺寸。聚烯烃长纤维具有强度高、抗酸碱腐蚀性强、生物相容性好、无毒性、耐磨损性能好和价格低廉等优点[3]。由于聚烯烃长纤维具有优异的力学性能,广泛应用于卫生用品制作、尿不湿的基材[4]。利用聚烯烃长纤维的纤维特征和稳定性制作特种纸,如电池隔膜纸、空气过滤纸、壁纸等[5- 6]。但由于聚烯烃长纤维的吸水率较小、亲水性差、高结晶度、纤维较长、产生静电力等特性导致其在水中难分散易絮聚,从而影响纸张匀度。而匀度是表征纸张的一项重要指标[7-9]。因此,聚烯烃长纤维的分散[10]成为该类长纤维纸制备的关键。

在聚烯烃长纤维悬浮液的分散工艺中,分散剂[11-13]的选用很重要,本实验通过改变浆浓、疏解时间以及添加不同的表面活性剂对聚烯烃长纤维悬浮液的分散效果及其纸张性能进行了研究。

1 实 验

1.1 原料

聚烯烃长纤维(以下简称长纤维)，深圳市某公司提供。脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵(AESA),分析纯,上海某公司。十二烷基硫酸钠(SDS),分析纯,济南某有限公司。

1.2 仪器

H158纸浆疏解机,瑞典L&W公司；FT1101抄片器,产自奥地利；抗张强度测定仪,山东德瑞克仪器有限公司；比表面积及孔径分析仪,贝士德仪器科技(北京)有限公司。

1.3 实验方法

将长纤维配制成浆浓为0.01%～0.08%的浆料，置于量筒中,手动搅拌静置2 min后记录长纤维的悬浮液体积。

配制浆浓0.04%的长纤维溶液用H158纸浆疏解机疏解,分别疏解1、2、3、4、5 min后将浆料倒入量筒,观察疏解时间对长纤维分散性能的影响,并记录2 min后的悬浮液体积。

选用两种分散剂AESA和SDS加入到疏解好的长纤维悬浮液中,分散剂浓度分别为1%、2%、3%、4%、5%,观察单根长纤维分散和整体长纤维分散程度,然后抄造成纸,测其性能。

2 结果与讨论

2.1 浆浓对长纤维分散性能的影响

聚烯烃长纤维的密度低且具有憎水性，纤维长、长宽比大,所以上网浓度要比普通纸浆纤维低得多,一般为0.01%～0.1%,否则上网时会导致分布不均匀，在流送和抄造的过程中纤维容易絮聚成团,严重影响纸张的匀度,使纸张产生“云彩团”。为了避免浆料在上网过程中产生絮聚成团现象,可以先选择一个合适的浆料上网浓度。

图1 长纤维浆浓与其悬浮液体积的关系

图1为长纤维浆浓对其悬浮液体积的影响。由图1可知,长纤维悬浮液体积随着浆浓的增加先增加,到117 mL后开始下降。长纤维浆浓过低时单根纤维分散较好,但是因为悬浮液中纤维数量较少,纤维网状结构不稳定,其悬浮液体积较小。随着长纤维浆浓的增加,纤维网状结构趋于稳定,其悬浮液体积增大,但随着长纤维浆浓的继续增大,单根纤维分散较差，纤维之间容易絮聚成团,导致悬浮液体积越来越小。长纤维浆浓为0.04%时,长纤维悬浮液体积最大,相应地其分散效果最好。

2.2 疏解时间对长纤维分散性能的影响

借助疏解机可以有效增强长纤维在水中的分散。随着疏解时间的增加,长纤维的悬浮液体积不断变大,但过长时间的疏解会使长纤维受到机械外力的作用而发生形变。图2为疏解时间对长纤维悬浮液体积的影响。由图2可知,当疏解时间在0～2 min 时,长纤维悬浮液体积骤增,2 min后长纤维悬浮液体积虽仍呈上升趋势但趋于平缓。综合考虑,最佳的疏解时间为2 min,长纤维悬浮液体积为510 mL。

图2 疏解时间对长纤维悬浮液体积的影响

2.3 表面活性剂对长纤维分散性能的影响

2.3.1 AESA和SDS对长纤维的分散

长纤维浆料中分别添加AESA和SDS后,长纤维整体的分散情况如图3所示,分散效果如表1所示。AESA和SDS对浆料悬浮液表面张力的影响见表2。

表1 AESA和SDS的浓度对长纤维分散的效果

表2 AESA和SDS的浓度对浆料悬浮液表面张力的影响

图3 不同浓度AESA和SDS对长纤维的分散效果

图4 AESA和SDS对长纤维分散效果的显微镜照片

由图3可知,随着AESA和SDS浓度的增加,长纤维在溶液中的分散性能也随之得到较大的提升,但由图3(a)和图3(b)可以看出,AESA对长纤维的分散效果比SDS的好。由表2可知,当SDS浓度为1%时,浆料悬浮液的表面张力为64.5 mN/m,相比于未加入SDS的浆料悬浮液表面张力下降并不大。SDS的浓度小长纤维整体的分散效果很差,但随着SDS浓度的增加,长纤维分散效果虽然得到良好改善,即使SDS浓度提高到5%,还是无法满足抄造纸张的需求。相反,AESA对长纤维的分散则起到了非常好的作用,且AESA经济适用,成本较低。AESA更易降低浆料悬浮液的表面张力,使长纤维更加容易被液体润湿,纤维的亲水性能提高,纤维的分散性能也随之得到改善。AESA还能赋予纤维表面电荷,从而使长纤维之间产生负电荷排斥力相互疏远,单根纤维分散效果变好。

在显微镜条件下可以观察到,表面活性剂的加入使得悬浮液中的纤维都分散开,纤维网状结构的匀度也随之得到改善。加入AESA的长纤维悬浮液体系，在显微镜下可以很明显地观察到纤维的分散效果很好,见图4(a)。但是加入SDS的长纤维分散效果明显比加入AESA的差,加入SDS的纤维之间还是有很多缠结的地方,见图4(b)。

2.3.2 长纤维纸张性能的检测

长纤维在水中的分散很差,如果不加入表面活性剂纤维之间易絮聚成团,纸张匀度很差,纸张中的纤维层数不均一,严重影响纸张性能。加入表面活性剂,可以降低浆料悬浮液的表面张力,从而使纤维与纤维之间分散开来,纸张匀度好,这样就能大大提高纸张的强度性能。

将浆浓0.04%的浆料疏解2 min后,浆料悬浮液中分别添加AESA和SDS两种表面活性剂,抄造成纸。图5为表面活性剂浓度对纸张抗张指数的影响。从图5可知,随着表面活性剂浓度的增大,纸张的抗张指数也随之提高。这是因为浆料悬浮液表面张力的减小,使单根纤维独自分散于水溶液中,抄造成纸时,纤维与纤维之间交织均匀,从而使纸张强度增大。由于SDS对长纤维的分散效果远不如AESA的好,且AESA较SDS成本低,所以AESA是较理想的表面活性剂。

图5 表面活性剂浓度对纸张抗张指数的影响

利用比表面积及孔径分析仪对纸张孔径进行测定,结果如表3所示。

表3 纸张孔径分布情况

大部分的纸种对孔径的分布有一定的要求,由此可见孔径的分布非常重要[14]。由表3可知,浆料悬浮液中加入SDS后纸张孔径两极分化比较严重,纸张中主要是最大和最小孔径分布的多。而在浆料悬浮液中加入AESA的纸张孔径主要分布在15～25 μm,最大孔径和最小孔径的分布都比较少。由此可见,在浆料悬浮液中加入AESA溶液对纤维的分散效果明显优于SDS溶液。

3 结 论

3.1 聚烯烃长纤维较之普通植物纤维长度长,且柔软,在水中分散时易发生絮聚。合适的浆浓以及疏解时间有益于浆料的上网成形,通过测长纤维悬浮液体积,聚烯烃长纤维分散时较优的浆浓为0.04%,疏解时间为2 min。

3.2 通过测定长纤维悬浮液体积和观察纤维悬浮液分散情况,可知聚烯烃长纤维分散较合适的表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵(AESA)。在浆浓0.04%,疏解2 min的条件下,在浆料中添加浓度4%的AESA时长纤维的分散性能好,纸张性能佳,纸张的抗张指数为37.5 N·m/g,孔径主要分布于15～25 μm范围。

[1] Huang Zhao-huan.Long fiber paper[J]. Paper and Paper Making, 1984(3): 44.

黄照环. 长纤维纸[J]. 纸和造纸, 1984(3): 44.

[2] Nie Xun-zai. Development of non-wood long fiber materials is a shortcut to resolve the shortage of long fiber raw material papermaking industry in China[J]. Hubei Paper, 2001(4): 2.

聂勋载. 开发非木材长纤维原料是解决我国造纸工业长纤维原料短缺的捷径[J]. 湖北造纸, 2001(4): 2.

[3] Gao Kun, Hu Xin-guo, Yi Ting-feng. The characteristics and the current development situation of lithium ion battery polyolefin diaphragm[J]. Chinese Battery Industry, 2001, 12(2): 122.

高 昆, 胡信国, 伊廷锋. 锂离子电池聚烯烃隔膜的特性及发展现状[J]. 电池工业, 2007, 12(2): 122.

[4] Yu Wei-yan. Exploitation of polyolefin fibers[J]. Textile Science Research, 1993(3): 33.於蔚炎. 聚烯烃纤维的开发利用[J]. 纺织科学研究, 1993(3): 33.

[5] Wu Xiao-xin, Wu Shui-zhu, Zhao Jian-qing, et al. Lithium-ion battery polyolefin separatormodified polyolefin and functional studies[J]. Synthetic Materials Aging and Application,2012, 41(4): 43.

巫晓鑫, 吴水珠, 赵建青, 等. 锂离子电池聚烯烃隔膜改性及功能化研究[J]. 合成材料老化与应用, 2012, 41(4): 43.

[6] Ran Jing-hui, Wang Xi-wen, Hu Jian, et al. Study on the wet nonwoven fabric prepared alkaline manganese battery separator paper[J]. Tianjin Paper Making, 2008(2): 42.

冉景慧, 王习文, 胡 健, 等. 湿法无纺布制备碱锰电池隔膜纸的研究[J]. 天津造纸, 2008(2): 42.

[7] Long Ai-yun. Advances in sheet structure[J]. East China Pulp & Paper Industry, 2014, 45(3): 24.

龙爱云. 纸页结构的研究进展[J]. 华东纸业, 2014, 45(3): 24.

[8] Wang Qiu-yun, Dong Rong-ye. Measures to improve the paper formation[J]. Paper Chemicals, 2005(4): 40.

王秋云, 董荣业. 纸张匀度的改进措施[J]. 造纸化学品, 2005(4): 40.

[9] Liu Zi-ting. Paper evenness control and influence of using[J]. Printing Quality & Standardization, 2006(7): 33.

刘子亭. 纸的匀度控制及使用中的影响[J]. 印刷质量与标准化, 2006(7): 33.

[10] ZHANG Mei-yun, LIU Jun-hua, LU Zhao-qing. Studies of Poly (ethylene oxide) Para-aramid Fiber Dispersion Effect[J]. China Pulp & Paper, 2014, 33(3): 17.

张美云, 刘俊华, 陆赵情. 聚氧化乙烯对对位芳纶纤维分散效果的研究[J]. 中国造纸, 2014, 33(3): 17.

[11] Johnson J A, Barbato M J, Hopkins S R, et al. Dispersion and film properties of carbon nanofiber pigmented conductive coatings[J]. Progress in Organic Coatings, 2003, 47: 198.

[12] Zhang Hong-tao, Li You-ming. Progress of dispersants in the fiber suspension[J]. Paper Chemicals, 2000(4): 36.

张洪涛, 李友明. 分散剂在纤维悬浮液中的应用进展[J]. 造纸化学品, 2000(4): 36.

[13] Fu Rui-fang. Dispersants in paper industry[J]. Shanghai Paper Making, 2007, 38(5): 40.

傅瑞芳. 分散剂在造纸工业中的应用[J]. 上海造纸, 2007, 38(5): 40.

[14] WANG Yu-long, CAO Zhen-lei, WANG Yan-zhong. Using a Mercury Intrusion Method to Measure the Pore Distribution and Porosity of the Paper[J]. China Pulp & Paper, 2006, 25(3): 19.

(责任编辑：董凤霞)

Research on Polyolefin Long-fiber Dispersion and Its Paper Properties

WU Yan-qing*ZHAO Chuan-shan HAN Wen-jia JIANG Yi-fei HU Xing

(KeyLabofPulp&PaperScienceandTechnologyofMinistryofEducation,QiluUniversityofTechnology,Ji’nan,ShandongProvince, 250353)

The dispersion performances of polyolefin long-fiber suspension were investigated by changing the suspension consistency, fiber disintegration time and application of various surfactants. Based on sedimentation volume method, fiber suspension observation and testing of the properties of resultant paper suitable pulp concentration and fiber disintegration time as well as a suitable surface surfactant were identified. The results showed that, when the pulp consistency was 0.04%, disintegration time was 2 mins, the dispersion of the long fibers could meet the basic requirements. The 4%concentration of AESA solution had better dispersive performance than that of SDS thanks to its lower surface tension. The paper formation, pore size, and the tensile strength of the sheet were better compared to the application of SDS. Its tensile index was 37.5 N·m/g, pore size of paper mainly distributed in 15～25 μm.

polyolefin long-fiber; surfactant; dispersion; sheet

吴衍青女士，在读硕士研究生；主要研究方向：化学纤维成纸的增强及其机理研究。

2016- 03- 06(修改稿)

TS722

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.08.003