多次回用下桉木纖維結(jié)構變化規(guī)律研究

多次回用下桉木纖維結(jié)構變化規(guī)律研究

利用報紙的使用，降低了纖維的潤脹能力，減少了成紙強度，引起了各國科學家的關注。對于二次纖維較系統(tǒng)的研究始于20世紀八十年代初,研究者普遍認為,回用會導致紙頁抗張指數(shù)、耐破指數(shù)等減少,而撕裂指數(shù)和光散射系數(shù)增加。對衰變原因的解釋,研究者大多是從保水值、孔隙結(jié)構等宏觀方面著手,對回用過程中纖維聚集態(tài)結(jié)構的變化研究甚少。纖維素作為一種天然高分子,其聚集態(tài)結(jié)構包括晶態(tài)結(jié)構、非晶態(tài)結(jié)構、取向結(jié)構等。研究表明,聚集態(tài)結(jié)構中的結(jié)晶部分及無定型部分是決定纖維素性質(zhì)的重要方面。纖維晶態(tài)結(jié)構的表征主要采用X射線衍射(XRD)、傅里葉紅外光譜(FT-IR)測定結(jié)晶度和紅外結(jié)晶指數(shù)來實現(xiàn)。近年來,交叉極化/魔角旋轉(zhuǎn)C13核磁共振技術(CP/MAS13CNMR)的興起,為研究纖維聚集態(tài)結(jié)構提供了一種新的有效方法。本研究采用三種測試手段獲得回用前后纖維素的結(jié)晶度及微晶結(jié)構的變化,進一步揭示纖維衰變過程中纖維聚集態(tài)結(jié)構變化對纖維強度的影響關系,探討微觀結(jié)構和宏觀性質(zhì)之間的聯(lián)系,對發(fā)展我國天然植物纖維資源的高效循環(huán)利用具有重要的理論價值。1實驗1.1桉木原漿的理化性質(zhì)、纖維素含量和生物量特征實驗室條件下采用硫酸鹽法蒸煮桉木木片,工藝條件為:用堿量17%,硫化度25%,液比1∶4,升溫時間2h,保溫2h,最高溫度170℃。對所得的桉木漿的主要化學成分進行分析,得到桉木原漿的纖維素含量為88.15%(硝酸法),半纖維素的含量為21.46%(GB/T745-1989),Klasson木素含量為7.09%(GB/T747-1989)。采用抄片、壓榨和干燥工藝模擬造紙過程,分別獲得一次及多次循環(huán)利用的植物纖維作為本研究中的再生纖維。1.2方法1.2.1桉木漿包紙回用手抄片在德國產(chǎn)抄片器上按GB7981-87標準制成,桉木漿抄紙定量80g/m2。在抄紙回用過程中,壓榨條件為0.45MPa,一次壓榨;干燥溫度為105℃,時間為10min。1.2.2稀酸水解處理脫木素采用亞氯酸鈉法(GB/T2677.10-1995),接著進行下面的稀酸水解處理。用0.1mol/L氫氧化鈉浸泡24h后,將樣品用去離子水洗至pH=4~5。此過程重復兩次之后,樣品分別用2.5mol/L鹽酸處理8h,最后再用去離子水將樣品洗滌至pH=4~5后,自然風干。1.3測試測試1.3.1紙張的物理功能測試物理性能按照GB453-89和GB454-89標準測定;1.3.2結(jié)晶指數(shù)的計算德國Bruker公司產(chǎn)的D8ADVANCE型X射線衍射儀。測試條件:Ni濾波,Cu靶Kα射線,管壓40kV,管流30mA,步長0.02度,掃描速度17.7s/步,掃描范圍從4°~60°。纖維素I的XRD特征峰在2θ=14.5°,16.5°,22.5°,34.7°附近,根據(jù)經(jīng)驗法計算結(jié)晶指數(shù),即CrI=[(I002-Iam)/I002]×100%,其中I002為22.5°的衍射強度,Iam定義為18°的衍射強度,晶粒尺寸的計算采用謝利公式:其中k是謝利常數(shù),與晶粒形狀及L002、β定義有關,一般K取0.9。λ是X-射線波長,β是衍射峰半峰寬。纖維素Ⅰ微晶的橫截面積(A)計算公式為:美國Nicolet公司生產(chǎn)的NEXUS670型傅里葉變換紅外光譜儀,掃描范圍4000~400cm-1,儀器分辨率為4cm-1,掃描次數(shù)32次。紅外結(jié)晶指數(shù)的計算公式:德國Bruker公司生產(chǎn)的AVANCEAV400型超導脈沖傅立葉變換核磁共振譜儀。測試條件為:場強7.05T,用7mm的魔角探頭,轉(zhuǎn)速5kHz,脈沖寬度90°,交叉極化時間4μs,接觸時間800μs,采樣間隔時間2.5s,一級定標用四甲基硅烷[(CH3)4Si],二級定標用甘氨酸,羰基信號強度在δ176.03。2結(jié)果和討論2.1在回用過程中，桉樹漿纖維纖維的超分子量對2.1.1纖維素i晶胞的標注結(jié)果通過XRD對不同回用次數(shù)后漿料的晶型結(jié)構進行了研究,其中衍射面指的是通過原子的平面,用字母(h,k,l)標記,該組數(shù)據(jù)稱為晶面指數(shù),或稱密勒指數(shù)。如圖1所示,其中,標注了纖維素I晶胞的主要衍射面出現(xiàn)在2θ=14.5°,16.5°,22.5°,34.7°附近。從峰型疊加譜圖1可以看到,樣品處理前后特征衍射峰的位置基本沒變,說明經(jīng)過不同回用次數(shù)的纖維素漿料的晶型沒有發(fā)生改變,仍然是纖維素I,只是衍射峰的強度發(fā)生了變化,導致峰值比即結(jié)晶度和晶面尺寸發(fā)生了變化。2.1.2酸處理漿料的結(jié)晶性能通過origin軟件自帶的peakfit軟件,采用高斯函數(shù)對纖維素中的結(jié)晶重疊峰和非結(jié)晶重疊峰進行了分峰擬合,如圖2所示,擬合結(jié)果見表1。由XRD疊加譜圖2和表1可以看到多次回用的酸處理漿料的纖維素晶胞的002面位置基本沒有改變,但垂直002面微晶體尺寸發(fā)生明顯的變化,三種纖維樣品的微晶尺寸經(jīng)過計算分別為3.59nm,3.67nm,3.78nm、3.88nm、3.94nm、4.03nm。說明回用并沒有改變纖維素原來的晶型,只是影響了微晶尺寸,還發(fā)現(xiàn)6種纖維素樣品的晶體橫截面積也發(fā)生明顯的變化,總體呈現(xiàn)增大的趨勢,使得晶區(qū)反應表面積減小,將不利于纖維素的各種化學反應。由此可以推測正是微晶尺寸增大導致的共結(jié)晶現(xiàn)象的發(fā)生導致了回用纖維性能的衰變。2.1.3紅外結(jié)晶指數(shù)n-o未漂白桉木漿回用后的紅外結(jié)晶指數(shù)見圖3、圖4。隨著回用次數(shù)的增加,其紅外結(jié)晶指數(shù)分別為1.003、1.026、1.033、1.054、1.056和1.058,呈逐漸增加的趨勢。紅外結(jié)晶指數(shù)N-O’KI呈現(xiàn)的變化規(guī)律與X-射線結(jié)晶度α變化規(guī)律一致。用Origin對所得到的紅外結(jié)晶指數(shù)N-O’KI和X-射線結(jié)晶度α進行一元線性回歸分析,回歸方程為:表明這兩種測試手段在衡量纖維素聚集態(tài)結(jié)構中的結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)比例方面具有很好的一致性。2.1.4硫綸木漿的cp/mas13c-nmr結(jié)晶度采用CP/MAS13C-NMR對選取的三種不同回用次數(shù)的纖維素漿料的微觀結(jié)構進行了研究,其中,碳原子數(shù)表示纖維素的葡糖糖殘基,符號i和s分別代表結(jié)晶區(qū)內(nèi)部和表面的信號,*代表半纖維素的信號。在固體核磁共振中,纖維素的吸收信號主要在化學位移δ110~60處。圖5為硫酸鹽桉木漿的CP/MAS13C-NMR光譜圖。δ102~108之間的區(qū)域歸屬于C1,δ81~93之間的區(qū)域歸屬于C4,δ70~81歸屬于環(huán)碳C2、C3、C5,化學位移為δ60~70的區(qū)域歸屬于C6。研究者發(fā)現(xiàn)可以根據(jù)結(jié)晶區(qū)C4峰的相對強度來計算纖維素結(jié)晶度。利用NMR方法計算的公式為:X=[S晶/(S晶+S非)]×100%,式中S晶、S非分別為δ86~92與δ80~86的信號面積,代表纖維素C4原子在結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)的相對含量,對比通過XRD和NMR計算得到的纖維素漿料的結(jié)晶度,得到表2所示結(jié)果。由表2的分析結(jié)果可知用NMR方法計算的結(jié)晶度結(jié)果比用XRD的計算結(jié)果小得多。這可能是由于相比X射線衍射,13CNMR對結(jié)晶的完整性要求較高,只對結(jié)晶區(qū)內(nèi)部的C原子信號敏感,只將這部分看作是結(jié)晶區(qū)。2.2利用桉樹漿纖維的物理性能2.2.1回用前后抗張和耐破指數(shù)的變化從圖6中可知,隨著回用次數(shù)的增加,紙頁的抗張性能和耐破性能都呈下降趨勢。經(jīng)過5次回用,抗張指數(shù)下降了61.61%,紙頁的耐破指數(shù)下降了11.03%。1次回用后,抗張指數(shù)和耐破指數(shù)分別下降了43.83%、1.01%,2次回用相對于1次回用抗張指數(shù)下降了19.86%,耐破指數(shù)下降了3.82%?？箯埿阅芎湍推菩阅艿淖兓厔莼鞠嗤?在前幾次回用中下降趨勢較大,經(jīng)過3次回用后,抗張和耐破指數(shù)的下降趨于平緩。對其原因進行分析,一方面是由于纖維不斷回用導致纖維結(jié)晶度的增加,結(jié)晶部分及無定型部分作為決定纖維素性質(zhì)的重要方面其比例發(fā)生了改變,不利于紙頁抗張強度的提高。另一方面漿料中細小纖維在回用過程中流失對抗張強度提高有利。而纖維紙頁耐破指數(shù)的變化主要是由纖維間的結(jié)合力造成,細小纖維一方面覆蓋在纖維表面緩解耐破度的降低,另一方面其本身發(fā)生了比纖維更嚴重的角質(zhì)化,從而使得耐破指數(shù)的變化趨于平緩。而撕裂指數(shù)在回用過程中呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。在經(jīng)過2次回用后撕裂指數(shù)上升了7.87%,之后持續(xù)下降。至第5次回用時降至0.85mN.m2/g,降幅高達33.07%。撕裂強度改變主要由纖維交織情況和纖維本身強度決定,細小纖維的流失改善了纖維之間交織情況因而撕裂指數(shù)增加直到達到最大值。但是隨著回用工序的反復進行,纖維本身的強度降低大于交織情況的改善,從而使得紙頁的撕裂指數(shù)又呈下降的趨勢。2.2.2撕裂指數(shù)降低圖7是002面微晶尺寸和成紙性能的關系曲線,隨著002面微晶尺寸的增加,抗張指數(shù)、耐破指數(shù)減小,撕裂指數(shù)先增加后減小。002面微晶尺寸的增加表明纖維發(fā)生了聚合現(xiàn)象,由此可以推測出造紙工藝中導致纖維聚集態(tài)結(jié)構中原纖聚合的因素都會導致成紙性能的衰變,對于本研究選取的不同回用次數(shù)的紙漿正是由于發(fā)生了纖維素鏈間的聚合,結(jié)晶區(qū)占的比例增大,微晶尺寸增大,成紙性能下降。3結(jié)晶指數(shù)的變化3.1纖維素的結(jié)晶度和紅外結(jié)晶指數(shù)隨著回用次數(shù)的增加而增大,二者有很好的一致性。3.