堿性亞鈉法處理的桉木化學(xué)熱磨漿紙頁(yè)強(qiáng)度及纖維表面特征

堿性亞鈉法處理的桉木化學(xué)熱磨漿紙頁(yè)強(qiáng)度及纖維表面特征

纖維表面木素含量與紙頁(yè)強(qiáng)度的關(guān)系化學(xué)熱磨機(jī)械漿（ctmp）是在傳統(tǒng)的tp基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的高得到率紙漿制備方法之一。它具有得率高、環(huán)境污染少、投資省、工藝設(shè)備簡(jiǎn)單等多種優(yōu)點(diǎn)。在CTMP制漿中,沒(méi)有去除連接纖維束間的胞間層(主要化學(xué)成分是木素),而且木素在胞間層的含量(70%-80%)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在纖維細(xì)胞壁的含量(20%-30%),使纖維分離不完全,纖維表面類似涂敷了一層疏水性的木素,如果有較多的木素在纖維表面,就會(huì)影響到氫鍵結(jié)合,纖維間的結(jié)合力就會(huì)降低,成紙結(jié)構(gòu)疏松,紙頁(yè)結(jié)合強(qiáng)度低等?，F(xiàn)代分析手段和先進(jìn)儀器的進(jìn)步,為對(duì)纖維表面進(jìn)行更深入系統(tǒng)的研究提供了良好的條件。本文用X射線光電子能譜(XPS)和掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)經(jīng)堿性亞鈉法處理后的桉木CTMP纖維表面特征進(jìn)行研究,探討纖維表面不同木素含量與紙頁(yè)強(qiáng)度的關(guān)系。堿性亞鈉法的化學(xué)處理可以改善紙漿強(qiáng)度和表面特性,NaOH可以使紙漿纖維潤(rùn)漲軟化,能夠和木素反應(yīng)導(dǎo)致小分子量的木素溶出,提高制漿的物理強(qiáng)度指標(biāo);Na2SO3通過(guò)對(duì)木素的磺化作用,提高了化機(jī)漿纖維的親水性和柔韌性,使得磨漿過(guò)程相對(duì)容易,提高纖維的細(xì)纖維化。1實(shí)驗(yàn)1.1安德里茲中試系統(tǒng)桉木原料,取自廣東雷州林業(yè)局尾葉桉,桉木CTMP漿由華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的安德里茲中試系統(tǒng)制得。工藝條件:NaOH2%,Na2SO32%,溫度100℃,保溫時(shí)間60min。磨漿條件:CTMP漿料再用吉林造紙廠GNW-300高濃磨漿機(jī)進(jìn)行兩段磨漿,磨漿間隙分別為0.3mm和0.1mm。1.2實(shí)驗(yàn)方法1.2.1水浴加熱處理每樣品取50g(絕干)桉木CTMP漿,按表1將漿料和化學(xué)藥品放入塑料袋密封進(jìn)行水浴處理,液比1∶7,為使藥液反應(yīng)均勻,每隔10min將塑料袋均勻捏一遍。1.2.2打漿機(jī)打漿將已處理的漿料充分洗滌、解離、濃縮后進(jìn)行打漿。打漿在Mark_V1型PFI打漿機(jī)內(nèi)進(jìn)行。每次30g(絕干)漿料,漿濃10%,打漿間距0mm。1.2.3來(lái)自桉樹(shù)ctmp砂漿中的木素測(cè)定Klason木素的測(cè)定采用72%硫酸法。酸溶木素含量的測(cè)定采用紫外光光度計(jì)法,波長(zhǎng)選用205nm,吸光系數(shù)用110L/g·cm。1.2.4紙樣的制備用標(biāo)準(zhǔn)紙頁(yè)成型器將紙漿抄成定量(60±2)g/m2的紙樣,抄造好的紙頁(yè)經(jīng)0.42MPa第一道壓榨4min,第二道壓榨2min,干燥條件100℃,10min。試樣在ISO標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕條件下平衡24h后,待用。1.3物理分辨率檢測(cè)將平衡水分后的紙頁(yè)按照ISO相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定紙頁(yè)的白度、不透明度、抗張指數(shù)、零距抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)。1.4scrab2005X射線光電子能譜(XPS)儀器型號(hào)是ThermoESCALAB250;X射線激發(fā)源為單色AlKa(hv=1486.6eV),功率150W,X射線束斑500μm,能量分析器固定透過(guò)能為20eV。1.5掃描電子顯微鏡sem的外觀分析纖維試樣噴金后由PHLIPSXL-30ESEM環(huán)境掃描電鏡觀察纖維表面形態(tài)。2結(jié)果與討論2.1纖維的力學(xué)性能從表2可以看出,隨堿性亞鈉法處理燒堿用量的增大,桉木CTMP漿的總木素含量逐漸降低,且不同木素含量對(duì)紙頁(yè)的物理性能影響很大。隨著NaOH用量的提高,木素含量降低,紙漿的抗張指數(shù)、零距抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)均有明顯的提高。這是由于NaOH的加入使木素降解或結(jié)構(gòu)變化,故木素含量隨用堿量增加而降低。此外,部分醚化的木素被裂解成酚型木素,為在木素中引入磺酸基創(chuàng)造條件。因?yàn)樵谌鯄A性或者中性條件下只有酚型木素才能與亞硫酸鈉反應(yīng),從而會(huì)使磺酸基的量增加,一方面使木素親水性增加,這有利于打漿時(shí)細(xì)纖維化而使纖維易于分離少受損傷。另一方面使纖維的柔軟性增加,提高纖維結(jié)合力,所以紙頁(yè)強(qiáng)度是增加的。由于“堿促變黑”現(xiàn)象,隨著用堿量增加,紙頁(yè)的白度是下降的。2.2桉木ctmp的表征X射線光電子能譜(XPS)是一種強(qiáng)有力的現(xiàn)代表面分析儀器,隨著科學(xué)的發(fā)展,被廣泛應(yīng)用到纖維和紙的表面分析,由于在木材纖維中主要含有C、H、O三種元素,H原子對(duì)X射線不敏感,XPS不能對(duì)H進(jìn)行表征,因此可以測(cè)定紙漿中的O/C。根據(jù)Dorris和Gray將木材中的碳原子分為4種結(jié)合形式,即C1、C2、C3、C4,(1)C1代表只和碳、氫連接的碳原子(-C-H,-C-C),其電子結(jié)合能為285eV,來(lái)源于纖維表面的木素和抽提物;(2)C2代表與1個(gè)非羰基類的氧原子連接的碳原子(-C-O),能譜峰為286.5eV,主要來(lái)源于纖維素和半纖維素的羥基;(3)C3代表與2個(gè)非羰基類的氧或一個(gè)羰基類氧原子連接的碳原子(O-C-O或C=O),能譜峰為288～288.5eV,主要來(lái)源于木素分子中的酮基、醛基或纖維素分子的氧化產(chǎn)物;(4)C4代表連有一個(gè)羰基類氧原子和一個(gè)非羰基類氧原子的碳原子(O-C=O),能譜峰為289～289.5eV,四種結(jié)合方式中,前三種是主要結(jié)合方式。通常C1s的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合能是285eV,對(duì)XPS圖譜中的C1s峰進(jìn)行峰分解,可分為四個(gè)小峰,即C1、C2、C3和C4峰,O1s譜由雙重峰組成,分別表示氧和碳的聯(lián)結(jié)方式,通過(guò)分析碳峰結(jié)合能的位置和強(qiáng)度可知碳原子的結(jié)合方式及相對(duì)含量的變化,從而可以了解纖維表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化。O1s的標(biāo)準(zhǔn)電子結(jié)合能為532eV,高結(jié)合能的O1則主要來(lái)自碳水化合物(C-O),其中低結(jié)合能的O2來(lái)自木素(C=O)。C1、C2、C3和C4的相對(duì)峰面積比就是其碳原子比,C1原子含量的多少反映了原料中非碳水化合物成分的多少。本研究對(duì)經(jīng)堿性亞鈉法處理的桉木CTMP進(jìn)行了XPS分析,主要利用C1s和O1s的XPS掃描圖譜和O/C,研究桉木CTMP表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化情況和表面木素含量的變化。圖1是桉木CTMP經(jīng)堿性亞鈉法處理后的XPS掃描圖譜。對(duì)于一般的有機(jī)化合物,碳和氧在XPS中的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合能分別為285eV(C1s)和532eV(O1s)。不過(guò)由圖1可以看出,化學(xué)處理的作用是可以導(dǎo)致其結(jié)合能變化的,隨用堿量增大編號(hào)1的C1s峰位由286.4eV提高到286.55eV。C1s峰位向高結(jié)合能方向漂移,說(shuō)明漿料表面碳水化合物含量是增加的。由表3知,隨用堿量增加,桉木CTMP纖維的O1s峰面積增大,表明氧原子數(shù)增大;C1s峰面積減少,說(shuō)明碳原子數(shù)減少,即O/C比增加和C1峰面積減小。表明桉木CTMP內(nèi)碳水化合物含量增加同時(shí)木素和抽提物含量減少。此結(jié)果與圖1結(jié)果相符合。表面木素濃度計(jì)算公式按照公式(1)計(jì)算:表面木素濃度=O/C紙頁(yè)?O/C碳水化合物O/C木素?O/C碳水化合物×100%(1)=Ο/C紙頁(yè)-Ο/C碳水化合物Ο/C木素-Ο/C碳水化合物×100%(1)其中(O/C)木素取0.333,(O/C)碳水化合物取0.833。從表3知,表面木素濃度隨處理用堿量增加而減少,和總木素含量測(cè)定所反映出來(lái)的趨勢(shì)一致。說(shuō)明XPS的測(cè)試結(jié)果與前面紙頁(yè)物理性能的分析結(jié)果是吻合的。另外,同一漿樣的表面木素濃度均比總木素含量高,得出漿料中木素大部分是分布在纖維表面,也驗(yàn)證了在XPS分析中用公式(1)來(lái)計(jì)算表面木素濃度具有較高的準(zhǔn)確性。2.3堿性亞鈉法處理桉木ctmp表面木素的效果通過(guò)SEM對(duì)經(jīng)堿性亞鈉法處理的桉木CTMP進(jìn)行表面形貌觀察分析,由圖2可以發(fā)現(xiàn)桉木CTMP纖維表面分布有大量的胞間層物質(zhì),主要為木素,與李克成等人有一致結(jié)論,由圖2還可看出:隨著用堿量增加,漿料表面包覆物質(zhì)逐步減少,纖維表面變得平滑一些,纖維之間的結(jié)合也更加緊密,說(shuō)明經(jīng)堿性亞鈉法處理桉木CTMP表面木素被降解、抽提物得到脫除,纖維表面木素含量降低,這一定性分析結(jié)果與XPS定量分析表面木素含量的結(jié)果一致。3不同用堿量對(duì)桉木ctmp表面木素濃度的影響3.1在桉木CTMP的堿性亞鈉法處理過(guò)程中,NaOH用量是影響白度、強(qiáng)