综纤维素纤维的制备及其对纸张回用性能的影响

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植物纤维回用不仅可以节约资源、保护环境,还有利于减少碳排放。然而纤维回用后出现的原纤聚集现象,即角质化效应,会导致回用纸的性能降低而达不到实际使用要求,极大限制了废纸纤维的回收再利用。虽然研究者提出了许多改善回用纸性能的方法,但是这些方法均有一定的局限性。基于半纤维素能起到延缓纤维角质化的作用,综纤维素纸浆的应用引起了关注。针对纤维回用后品质下降的问题,本文研究了综纤维素纸浆在纤维二次回用中的优势、半纤维素组分在综纤维素纤维回用过程中发挥的作用以及综纤维素纤维提高Kraft纤维性能和品质的应用,深入探讨了综纤维素纤维中半纤维素组分延缓角质化效应的机制。从纤维的尺寸、形貌、化学组分、保水值、结晶度以及纸张的机械性能等方面出发,综合考察了回用过程中纤维性质、纸张性能的变化趋势。(1)以剑麻为原料,通过酸性亚氯酸钠法制备综纤维素,并使用热碱对综纤维素进行脱半纤维素处理制备纤维素,研究半纤维素对纸张性能的影响。结果表明,综纤维素纸的回用性能比纤维素纸的更好。五次回用后,纤维素纸的抗张强度下降了74%,而综纤维素纸的抗张强度仅仅下降30%,同时十次回用后其抗张强度也只下降了58%。综纤维素具有更高含量的半纤维素组分,回用再湿润时能通过简单的疏解过程分散成单根纤维,并吸水膨胀恢复至接近回用前状态,再形成纸张时纤维仍能提供较强的纤维间结合力。(2)以桦木为原料,研究不同液比条件的过氧乙酸法对制备的综纤维素产品的影响;进一步地,使用碱处理和酶处理两种后处理方法调控综纤维素中的半纤维素组分,分别从含量、位置两方面构造了不同的半纤维素-纤维素纤维,分析半纤维素延缓纤维回用角质化效应的作用机制。结果表明,制备过程中,液比为1:20 g/m L时得到的综纤维素中半纤维素组分含量最高,占纤维总量的24.47%;液比为1:40 g/m L时成型的纸张机械性能最好,抗张强度最高可达102 MPa。后处理过程中,在与经过半纤维素调控的纤维对比中发现,回用前后综纤维素的保水值始终高于经过后处理的纤维:五次回用后,综纤维素的保水值从220%下降到145%,角质化程度上升了34.1%;碱处理后纤维的保水值从181%下降到80%,角质化程度上升了55.8%;酶处理后纤维的保水值从170%下降到109%,角质化程度上升了47.6%。这归因于纤维中半纤维素的分布差异,碱处理对纤维表面和纤维内部的半纤维素均有脱除作用,而酶处理仅脱除纤维表面的半纤维素。纸张的抗张强度变化与纤维保水值的变化相一致:综纤维素纸经过五次回用后的抗张强度从81 MPa下降到56 MPa,下降了31%;碱纤维纸的抗张强度从48 MPa下降到11 MPa,下降了78%;酶纤维纸的强度从80 MPa下降到35 MPa,下降了56%。纤维的半纤维素有助于维持纤维较高的保水值;纤维表面的半纤维素减少纤维素间的接触面积,降低了回用过程中的角质化程度;表面的半纤维素弥补了脱木素后的纤维表面缺陷,增加纤维结合面积,有利于提高纤维间结合力;纤维内部的半纤维素保证纤维具有良好的柔韧性和膨胀性,确保形成纸张的纤维能够发挥其固有强度;内部的半纤维素防止纤维在干燥时自身发生不可逆的坍塌、形变,即纤维自身的角质化效应,在再湿润时仍能恢复较好的纤维状态,形成的回用纸拥有较高的机械性能。可见,半纤维素作为一种牺牲介质延缓了纤维间的角质化效应。(3)以桦木综纤维素为增强材料,研究其对Kraft纤维纸张机械性能及回用性能的影响。结果表明,综纤维素的占比越大,混合纤维的质量越好,得到的复合纸的性能越高。综纤维素占比为30%的复合纸的抗张强度、耐破度较纯Kraft纤维纸分别提高47%、122%,回用五次后较未回用时分别下降55%、70%、;综纤维素占比为70%的复合纸较纯Kraft纤维纸分别提高273%、256%,回用五次后较未回用时分别下降54%、58%。综纤维素的品质较Kraft纤维更优,综纤维素的高长度和高宽度纤维比例比Kraft纤维更高,分布更集中,半纤维素含量更多,纤维形态更均匀。
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