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玉米茎秆纳米纤丝纤维提高废纸浆成纸强度


本文介绍利用农业废弃物玉米茎秆通过有机溶剂蒸煮制浆制备CNF。将玉米茎秆纤维素纳米纤丝(C-CNF)和桉树纳米硫酸盐浆纤维素纳米纤丝(E-CNF)分别加入废纸浆中,进行成纸后纸张的性能对比。实验中的废纸浆主要包括旧报纸、旧杂志纸和旧瓦楞纸等。 

    1 、CNF的制备 

    本文CNF主要来源于两种不同的纤维素原料。其中一种为来自Torraspapel S.A.的游离度(CSF)540.8ml蓝桉ECF漂白硫酸盐浆(EBK)。另一种为风干的玉米茎秆有机浆,该浆料是通过将玉米茎秆在实验室条件下,利用40%乙醇在165oC下蒸煮60min并用去离子水洗涤用以去除乙醇和溶解木素。玉米茎秆有机浆需在PFI磨浆机中(转速为5000r/min)进行磨浆,浆料游离度(CSF)为170ml,卡伯值为16.8。玉米茎秆浆料中未蒸煮化合物含量为5.4%,抽出物含量增加到0.55%。有机蒸煮制浆所得的浆料可避免硫酸盐蒸煮过程中环境的影响,浆料不经过漂白是为了最小化预处理和环境的影响。利用TEMPO氧化处理纳米纤维原料,其中EBK浆料中使用5mmol/g NaClO,玉米茎秆浆中使用15mmol/g NaClO。不同组分浆料需要不同的NaClO加入量。 

    氧化后,浆料需用去离子水洗涤、水解直到pH值为中性。最后,浆料在PANDAPLUS 2000中60MPA的压力下处理6次,所得CNF的浓度控制在0.3%~0.5%之间。 

    2 、纸浆 

    采用Messmer浆料打浆机将20g绝干废纸浆在转速为30000r/min的条件下处理1h。本实验不同的废纸浆分别为(i)旧报纸和旧杂志纸按照不同比例(70/30、60/40、50/50以及30/70)配比形成的脱墨报纸浆原料;(ⅱ)旧瓦楞纸的纸芯部分。再生纸需要浸泡在水中至少24h使得纤维能够完全润胀。旧瓦楞纸中的纤维物理水解,为了使得CNF能够留着利用磨浆机将浆料和阳离子淀粉混合处理20min。废纸浆中不同废纸的配比为60/40被认为是制备CNF最佳配比。 

    玉米茎秆纤维素纳米纤丝(C-CNF)的生产效率是56%,桉树纳米硫酸盐浆纤维素纳米纤丝(E-CNF)得率要超过95%。 

    利用AFM图像来表征CNF的特性,用以表征细纤维化和均化的不同,CNF基本上都是直径为6nm左右的纳米纤维。C-CNF悬浮液中大多为单根纤维和较少的纤维束,这样会使得C-CNF的均化程度高;但是E-CNF悬浮液中直径分布范围较广并且含有较多的纤维束。 

    从E-CNF透射度也可看出,C-CNF除了其较低的得率外还有很高的透射度。因此,C-CNF离心后会有大量的颗粒存在,但这些颗粒不是细小纤维和纤维;从表2中可知800nm透射光强的透射度数值表明C-CNF中存在颗粒的质量大于纤维素的质量,这是因为这些颗粒中可能有非纤维素物质存在。 

    3 、CNF作为废纸浆添加物 

    废纸浆中加入CNF用以改善废纸的机械性能,主要是改善成纸的抗张强度,CNF不会影响湿部的成纸过程。 

    表明抗张指数和CNF的类型和加入量相关,C-CNF浓度为0.5%时其抗张指数的增加值最大,要比没有加入C-CNF的抗张指数的增加值高出19.4%。E-CNF加入后纸张性能完全不同,随着E-CNF增加抗张强度也会随之改善。当E-CNF浓度为1.5%时,抗张指数增加20%。当E-CNF浓度为9%和12%时抗张指数会进一步增加(12%E-CNF抗张指数增加40%)。 

    表示了C-CNF和E-CNF对撕裂指数的影响。C-CNF对纸张性能会有更大的影响,因为浆料中有很多干强剂如C-PVA、C-PVA与A-PAM的络合物以及蔗糖。 

    C-CNF加入量对纸张性能的影响和E-CNF的影响相似但却略低于E-CNF对纸张性能的影响,本实验的研究结果与之前的研究结果在有关CNF对脱墨浆和原浆影响的表述基本上是一致的。 

    4 、不同废纸中CNF的应用 

    废纸原料用于制备再生纸张时对纸张的性能和添加物的性能均会有着相当显著的影响。本实验使用的OMG和ONP依据配比情况的不同也有着不同的特性,例如,OMG的高填料特性能够影响浆料的表观结构和灰分。 

    ONP/OMG浆料按照30:70的比例混合其填料的含量要比按照70:30的比例混合高出1倍。相比较含有CNF和不含CNF的浆料表观结构分析来看,浆料的表观结构基本上没有不同。手抄片中有CNF留着,但不会帮助浆料聚合或者对浆料产生其他的宏观影响。 

    当CNF加入到不同废纸浆料时,OMG组分对纸张的抗张指数几乎没有影响。 

    ONP/OMG废纸混合浆料中,C-CNF的浓度在0.5%~1.5%之间时抗张强度变化是相同的。当C-CNF加入量增加时,保证阳离子淀粉加入量不变,这样就不会导致纸张抗张指数的增加。该实验结果表明阳离子淀粉浓度为0.5%时会使得C-CNF留着量最大。当在OMG废纸浆中加入1.5%E-CNF时,抄造的手抄片抗张强度会轻微下降;当E-CNF浓度为3%时,抗张强度略有上升;OMG浆料中加入3%E-CNF的抗张强度最高。阳离子淀粉能够使浓度为3%E-CNF留着;这表明阳离子淀粉与E-CNF的相互作用程度要比C-CNF高。 

    5 、结论 

    5.1 玉米茎秆是一种可用于制备CNF的农业废弃物; 

    5.2 C-CNF能够改善再生纸板的机械性能,E-CNF也能够达到相似的效果; 

    5.3 C-CNF的生产效率和得率要低于E-CNF,低浓度C-CNF能够弥补原浆低得率带来的不利影响,因为低浓度(剂量)能够限制C-CNF对松厚度的不利影响,有利于C-CNF的分散。 责任编辑:单雯

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