浆液浓度对其制备PET沉析纤维形态及纸张性能的影响

张美娟 张素风 万 婧

(陕西科技大学轻工科学与工程学院,陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室,陕西西安,710021)



·PET沉析纤维·

浆液浓度对其制备PET沉析纤维形态及纸张性能的影响

张美娟 张素风*万 婧

(陕西科技大学轻工科学与工程学院,陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室,陕西西安,710021)

采用光学显微镜、扫描电子显微镜、比表面积仪等检测手段，对5种不同PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)浆液浓度制备的PET沉析纤维进行表观形貌、比表面积大小及与PET短切纤维配抄的纸张性能的研究。结果表明，PET沉析纤维呈飘带状，尺寸细小，纤维原纤化程度大；随着浆液浓度的增大，自制PET沉析纤维“树干”结构明显，在表面分裂出细小的微纤维量减少，形成近似棒状的纤维束；PET沉析纤维的比表面积随着浆液浓度的增大而减小；同时PET沉析纤维与PET短切纤维以5∶5比例配抄纸张的抗张指数、撕裂指数和耐破指数随着浆液浓度的增大呈上升趋势。

PET沉析浆粕；形态；浓度；成纸性能

随着特种纸的发展,功能纸的作用越来越受到人们的重视[1]。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维作为功能纸的纸基材料,既是聚酯纤维[2]的代表,也是当前合成纤维的第一大品种[3],PET纤维分子结构含有刚性的苯环和柔性的脂肪族链节，且分子结构高度对称，因此赋予PET纤维一系列优异的性能，如强度大、耐高温、弹性模量高、分散性和加工性能好等，被广泛应用于服饰、造纸、建筑、阻燃材料和隔音材料等领域[4]。PET沉析纤维作为PET纤维差别化新产品，兼具了合成纤维优异的强度、耐热性，另外纤维细小，比表面积大，易分散，可广泛用于增强复合材料湿法成形。

目前沉析纤维的制备还处于研发阶段，与传统的熔融纺丝、湿法纺丝、液晶纺丝、静电纺丝等纤维制造技术不同。沉析法制备沉析纤维的专利早在1961年就已发表[5]，PET沉析纤维通过沉析法[6-7]制备，即将一定浓度的PET浆液逐滴滴入高速剪切流动的沉析剂中。液滴在剪切流动过程中逐渐被拉伸变形、发生双扩散、形成非均相体系、产生凝固分离，从而形成初生细小纤维(称PET沉析纤维)。沉析纤维制备工艺简单，省去了复杂的纺丝切割帚化过程，不需要磨浆和除杂质设备，对设备的要求较低。沉析纤维的形态特征及其在纸基材料中的含量对纸基材料性能有着重要的影响[8-10]。

本研究以5种不同PET浆液浓度制备的PET沉析纤维为原料，通过光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)及比表面积仪等仪器对PET沉析纤维的形态特征进行检测分析。将PET沉析纤维和PET短切纤维按照5∶5的比例进行配抄，并研究不同PET沉析纤维的添加对纸张撕裂指数、抗张指数和耐破指数的影响。

1 实 验

1.1 原料及主要仪器

PET切片，上海某厂家；PET短切纤维，长度3 mm，日本东洋纺织公司。

SK200 Digital数码显微镜，麦克奥迪实业集团有限公司；TD10-200A标准手动抄片器，德国HG公司；60-2600撕裂度测定仪，Testing Machine INC；MTA-1000P耐破度测定仪，四川长江造纸仪器有限公司；062/69921抗张强度仪，瑞典Lorentzen & Wettre 公司；Gemini VII2390比表面积分析仪，麦克默瑞提克；TESCAN VEGA 3 SBH扫描电镜，捷克TESCAN。

图1 5种不同浆液浓度制备的PET沉析纤维的光学显微镜照片

1.2 PET沉析纤维的制备

称取一定量的PET切片溶解在质量比为1∶1的苯酚-四氯乙烷混合溶液中，在80℃水浴锅中搅拌30 min 左右，直到PET切片充分溶解，即得到一定浓度的PET浆液。再将PET浆液逐滴滴入高速剪切流动的沉析剂(甘油∶无水乙醇=3∶1体积比)中，液滴在剪切流动过程中逐渐被拉伸变形、浆液和沉析剂间发生双扩散、形成非均相体系、产生凝固分离，从而形成初生细小纤维(即PET沉析纤维)。

1.3 PET沉析纤维形态观察

1.3.1 显微镜观察

取适量PET沉析纤维于标准疏解机中疏解20000转，待沉析纤维充分分散后，用吸管吸取少量悬浮物于载玻片上，用赫氏试剂进行染色，制成玻片后在数码显微镜下观察PET沉析纤维的大小和形态。

1.3.2 SEM检测

取少量样品用导电胶固定在载台上，表面经喷金处理后，采用SEM进行观察，采用二次电子成像模式，加速电压为15 kV。

1.4 比表面积测定

样品经充分干燥后，采用比表面积分析仪对5种不同浆液浓度制备的PET沉析纤维比表面积进行测定，通过氮吸附法[11-12]计算样品的比表面积。

1.5 PET纸张的制备

将浆液浓度为5.0%、7.5%、10.0%、12.5%、15.0%条件下制备的 5种PET沉析纤维分别同PET短切纤维按照5∶5比例进行配抄(纸张定量为100 g/m2)。

图2 5种不同浆液浓度制备PET沉析纤维的SEM图

在10 MPa、210℃条件下热压40 s。按照国家标准对纸张物理性能(抗张指数、撕裂指数、耐破指数)进行检测，考察添加不同浆液浓度制备的PET沉析纤维对纸张性能的影响。

2 结果与讨论

2.1 PET沉析纤维表面形态研究

2.1.1 光学显微镜观察

5种不同浆液浓度(5.0%、7.5%、10.0%、12.5%、15.0%)制备的PET沉析纤维显微镜照片如图1所示。由图1可以看出，当浆液浓度较低时，单根PET沉析纤维呈细丝状，排列整齐，没有明显的黏结现象。随着浆液浓度增大，PET沉析纤维“树干”结构明显，较多细小纤维黏结在表面，说明浆液浓度增加时，体系大分子数增多，分子缠结的概率和流体黏度增大，分子链较难移动，剪切过程双扩散作用不充分，多根纤维容易黏合在一起形成“树干”结构的纤维。在湿法成纸过程，“树干”结构的PET沉析纤维不易于均匀分散，进而会影响纸张的匀度。

2.1.2 表观形貌观察

浆液浓度是影响PET沉析纤维微观形貌的主要因素之一，图2为同一放大倍数下5种不同浆液浓度制备的PET沉析纤维的SEM图。

从图2可以看出，PET沉析纤维外形像飘带，形态柔顺，尺寸细小。对比5种不同浆液浓度制备的PET沉析纤维SEM照片，发现随着PET浆液浓度的增大，分散的沉析纤维量较少，多股纤维相互黏结形成纤维束现象明显，当浆液浓度为15.0%时，形成棒条状沉析纤维较多，在表面分裂出的细小纤维量很少，可能原因是由于浆液黏度较大，浆液体系与沉析剂间存在较大的浓度差，高速剪切作用下，浆液液滴与沉析剂迅速发生双扩散，在浆液表面形成一层致密的表皮层[13]，阻碍了双扩散的进行，导致分裂出的细小纤维量减少。

2.2 浆液浓度对其制备PET沉析纤维比表面积影响研究

图3为5种不同浆液浓度制备PET沉析纤维比表面积分布图。由图3可知，随着浆液浓度的增大，制备的PET沉析纤维的原纤化程度越弱，细小纤维含量减少，PET沉析纤维的比表面积呈减小趋势。当PET浆液浓度大于12.5%时，PET沉析纤维的比表面积缓慢减小，说明浆液浓度增加到一定程度，体系大分子量增加，高速剪切过程中，沉析剂与液滴表面发生扩散，在纤维表面形成一层致密的皮层，进而阻碍了纤维表面分裂出更多的细小纤维。因此PET沉析纤维比表面积减小。

图3 5种不同浆液浓度制备PET沉析纤维比表面积分布图

2.3 PET沉析纤维成纸性能研究

PET短切纤维作为骨架材料，均匀分散在纸张中，决定着纸张物理结构和机械强度。而PET沉析纤维形态柔顺像飘带，原纤化现象明显，比表面积大等，用作填充和黏结材料。纸张热压过程中沉析纤维受热软化，与短切纤维紧密地黏结在一起，通过黏结作用及沉析纤维自身强度产生纸张整体力学结构，赋予纸张整体强度和性能[14]。

2.3.1 浆液浓度对纸张抗张指数的影响

影响抗张指数的3大因素：①纤维自身强度性质；②纤维间结合强度；③纤维的排列分布[15]。将PET短切纤维分别与5种不同浆液浓度制备的PET沉析纤维按5∶5比例进行配抄，在210℃、10 MPa条件下热压40 s测得纸张抗张指数如图4所示。

图4 浆液浓度对纸张抗张指数的影响曲线

由图4可知，当浆液浓度从5.0%增加到10.0%时，对应制备的PET沉析纤维抄造纸张的抗张指数增加较快；当浆液浓度超过10.0%时，纸张的抗张指数增长缓慢，原因是浆液浓度在5.0%～10.0%时，由于产生的细小纤维量较多，进而热压后纸张结合强度大幅提升，这种作用对纸张强度的贡献占据主要地位。随着浆液浓度的继续增大，产生的细小纤维量减少，热压后纸张结合强度降低，但多根纤维相互黏结现象明显，沉析纤维自身强度增加。实验结果表明，沉析纤维自身强度增加对纸张强度的贡献足以抵消纸张热压后由于结合力下降对纸张强度造成的影响。因此，纸张抗张强度随着浆液浓度的增加呈增长趋势，但是纤维相互黏结数量过多，容易导致纤维分散不均匀，进而会对纸张强度起到负影响。

2.3.2 浆液浓度对纸张撕裂指数的影响

PET短切纤维与5种PET沉析纤维分别按5∶5比例配抄，经上述相同热压条件处理后测得撕裂指数如图5所示。由图5可知，随着浆液浓度的增大，纸张撕裂指数与抗张指数一样都呈现先快速增加再缓慢增加趋势，分析原因与浆液浓度对纸张抗张指数影响相同。实验表明，纸张热压后细小纤维变形和迁移的结果会使纤维间的空隙变小和变少，纤维接触面积变大，纤维结合更紧密，从而使纸张撕裂指数大幅提高。

图5 浆液浓度对纸张撕裂指数的影响

2.3.3 浆液浓度对纸张耐破指数的影响

PET短切纤维与5种PET沉析纤维分别按5∶5比例配抄，热压后测得纸张耐破指数如图6所示。耐破指数是衡量纸张在单位面积上所能承受的均匀增大的最大压力指标，影响耐破指数的因素主要有纤维长度和纤维间的结合力，其中纤维间的结合力对纸张耐破指数影响更大。由图6可知，纸张的耐破指数随着浆液浓度的增大呈上升趋势。当浆液浓度较小时，细小纤维在纸张中的分布相当于单层排列，纤维间的结合力是由细小纤维与短切纤维表面黏结产生；随着浆液浓度增大，多根纤维黏结形成初生纤维束在纸张中相当于多层排列，初生纤维束除了纤维间存在作用力外还与短切纤维表面黏结产生作用力，这两种作用力交织在一起，形成网状作用力，能够承受较大的外界压力，一定程度上提高了纸张的耐破指数。

图6 浆液浓度对纸张耐破指数的影响

3 结 论

本实验研究了5种不同PET浆液浓度制备PET沉析纤维的性能,及与PET短切纤维配抄纸张的性能。

3.1 PET沉析纤维呈飘带状，尺寸细小，纤维分丝帚化现象明显。随着PET浆液浓度的增大，PET沉析纤维原纤化程度减小，细小沉析纤维含量减小，多根纤维黏结形成初生纤维束现象明显。

3.2 随着PET浆液浓度的增大，PET沉析纤维的比表面积呈减小趋势，当PET浆液浓度超过12.5%时，PET沉析纤维的比表面积变化趋势减小。

3.3 PET沉析纤维与PET短切纤维以5∶5的比例配抄纸张，纸张的抗张指数和撕裂指数随着PET浆液浓度的增大呈现先快速增长再缓慢增长的趋势；纸张的耐破指数随着PET浆液浓度的增大呈现增长趋势。总之，随着PET浆液浓度的增大，纸张的抗张指数、撕裂指数及耐破指数均增大。

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(责任编辑：刘振华)

The Influence of PET Slurry’s Concentration on the Morphology and Property of PET Fibrids

ZHANG Mei-juan ZHANG Su-feng*WAN Jing

(CollegeofLightIndustryScienceandEnergying,ShaanxiProvinceKeyLabofPapermakingTechnologyandSpecialtyPaper,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

(*E-mail: sufengzhang@126.com)

In this paper, 5 kinds of PET fibrids prepared from different concentration of slurry were observed under microscope and scanning electron microscope, their specific surface area were tested, and their papermaking performance was also studied. The results showed that the morphology of PET fibrids was the streamers, however, as the concentration increasing of PET slurry, several fibrids were gathered together, and formed the fiber bundle. The specific surface area of PET fibrid decreased as the increasing of slurry’s concentration, tensile index, tear index and burst index of the PET papers were enhanced as the increasing of slurry’s concentration.

PET fibrid; morphology; concentration; paper property

张美娟女士,在读硕士研究生;主要研究方向:PET沉析纤维新材料的制备及性能研究。

2016- 01-23(修改稿)

陕西省2015科技统筹创新工程计划(编号：2015-KTCQ01- 44)。

TS722

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.09.005

*通信作者：张素风女士，E-mail:sufengzhang@126.com。