吳衍青 趙傳山 韓文佳 姜亦飛 胡 星

(齊魯工業(yè)大學制漿造紙科學與技術教育部重點實驗室,山東濟南,250353)

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·聚烯烴長纖維·

聚烯烴長纖維分散及其紙張性能的研究

吳衍青 趙傳山 韓文佳 姜亦飛 胡 星

(齊魯工業(yè)大學制漿造紙科學與技術教育部重點實驗室,山東濟南,250353)

通過改變漿濃、疏解時間以及選用不同的表面活性劑,對聚烯烴長纖維懸浮液的分散效果進行了研究。采用測定懸浮液體積、觀察纖維懸浮液分散情況以及分析紙張性能,確定了適宜的漿濃和疏解時間,優(yōu)選出了適宜的表面活性劑。結果表明,當漿濃為0.04%,疏解時間為2 min時,聚烯烴長纖維的分散效果較好。當脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸銨(AESA)溶液濃度為4%時聚烯烴長纖維漿料懸浮液表面張力小于十二烷基硫酸鈉(SDS)溶液的，AESA溶液對聚烯烴長纖維漿料懸浮液的分散效果優(yōu)于SDS溶液的。在聚烯烴長纖維漿料懸浮液中添加AESA溶液,抄造所得紙張的抗張指數比添加SDS溶液的好,在此條件下得到紙張的抗張指數為37.5 N·m/g,紙張孔徑主要分布于15～25 μm范圍。

聚烯烴長纖維；表面活性劑；分散；紙張

(*E-mail: yqwno_1@163.com)

長纖維的平均長度往往超過3 mm,有的可達幾十毫米,寬度為10～16 μm[1]。用于造紙行業(yè)的非木材長纖維資源主要包括：種毛纖維類(一年生的棉短絨)、韌皮纖維類(棉稈皮和麻類草本科)以及人造纖維(聚烯烴纖維,聚乙烯醇纖維)[2]等。這些纖維具有纖維細長、強度性能好、纖維柔韌等性能。添加到紙張中,使其具有不同于普通纖維紙的特征。為了改善某些特種紙的性能指標,化學纖維作為添加原料已成為趨勢。

聚烯烴長纖維(polyolefin long-fiber)是由烯烴聚合成的線型大分子構成的合成纖維,是一種輕型纖維。作為特種紙原料,根據成紙要求切成長度為3～8 mm的尺寸。聚烯烴長纖維具有強度高、抗酸堿腐蝕性強、生物相容性好、無毒性、耐磨損性能好和價格低廉等優(yōu)點[3]。由于聚烯烴長纖維具有優(yōu)異的力學性能,廣泛應用于衛(wèi)生用品制作、尿不濕的基材[4]。利用聚烯烴長纖維的纖維特征和穩(wěn)定性制作特種紙,如電池隔膜紙、空氣過濾紙、壁紙等[5- 6]。但由于聚烯烴長纖維的吸水率較小、親水性差、高結晶度、纖維較長、產生靜電力等特性導致其在水中難分散易絮聚,從而影響紙張勻度。而勻度是表征紙張的一項重要指標[7-9]。因此,聚烯烴長纖維的分散[10]成為該類長纖維紙制備的關鍵。

在聚烯烴長纖維懸浮液的分散工藝中,分散劑[11-13]的選用很重要,本實驗通過改變漿濃、疏解時間以及添加不同的表面活性劑對聚烯烴長纖維懸浮液的分散效果及其紙張性能進行了研究。

1 實 驗

1.1 原料

聚烯烴長纖維(以下簡稱長纖維)，深圳市某公司提供。脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸銨(AESA),分析純,上海某公司。十二烷基硫酸鈉(SDS),分析純,濟南某有限公司。

1.2 儀器

H158紙漿疏解機,瑞典L&W公司；FT1101抄片器,產自奧地利；抗張強度測定儀,山東德瑞克儀器有限公司；比表面積及孔徑分析儀,貝士德儀器科技(北京)有限公司。

1.3 實驗方法

將長纖維配制成漿濃為0.01%～0.08%的漿料，置于量筒中,手動攪拌靜置2 min后記錄長纖維的懸浮液體積。

配制漿濃0.04%的長纖維溶液用H158紙漿疏解機疏解,分別疏解1、2、3、4、5 min后將漿料倒入量筒,觀察疏解時間對長纖維分散性能的影響,并記錄2 min后的懸浮液體積。

選用兩種分散劑AESA和SDS加入到疏解好的長纖維懸浮液中,分散劑濃度分別為1%、2%、3%、4%、5%,觀察單根長纖維分散和整體長纖維分散程度,然后抄造成紙,測其性能。

2 結果與討論

2.1 漿濃對長纖維分散性能的影響

聚烯烴長纖維的密度低且具有憎水性，纖維長、長寬比大,所以上網濃度要比普通紙漿纖維低得多,一般為0.01%～0.1%,否則上網時會導致分布不均勻，在流送和抄造的過程中纖維容易絮聚成團,嚴重影響紙張的勻度,使紙張產生“云彩團”。為了避免漿料在上網過程中產生絮聚成團現象,可以先選擇一個合適的漿料上網濃度。

圖1 長纖維漿濃與其懸浮液體積的關系

圖1為長纖維漿濃對其懸浮液體積的影響。由圖1可知,長纖維懸浮液體積隨著漿濃的增加先增加,到117 mL后開始下降。長纖維漿濃過低時單根纖維分散較好,但是因為懸浮液中纖維數量較少,纖維網狀結構不穩(wěn)定,其懸浮液體積較小。隨著長纖維漿濃的增加,纖維網狀結構趨于穩(wěn)定,其懸浮液體積增大,但隨著長纖維漿濃的繼續(xù)增大,單根纖維分散較差，纖維之間容易絮聚成團,導致懸浮液體積越來越小。長纖維漿濃為0.04%時,長纖維懸浮液體積最大,相應地其分散效果最好。

2.2 疏解時間對長纖維分散性能的影響

借助疏解機可以有效增強長纖維在水中的分散。隨著疏解時間的增加,長纖維的懸浮液體積不斷變大,但過長時間的疏解會使長纖維受到機械外力的作用而發(fā)生形變。圖2為疏解時間對長纖維懸浮液體積的影響。由圖2可知,當疏解時間在0～2 min 時,長纖維懸浮液體積驟增,2 min后長纖維懸浮液體積雖仍呈上升趨勢但趨于平緩。綜合考慮,最佳的疏解時間為2 min,長纖維懸浮液體積為510 mL。

圖2 疏解時間對長纖維懸浮液體積的影響

2.3 表面活性劑對長纖維分散性能的影響

2.3.1 AESA和SDS對長纖維的分散

長纖維漿料中分別添加AESA和SDS后,長纖維整體的分散情況如圖3所示,分散效果如表1所示。AESA和SDS對漿料懸浮液表面張力的影響見表2。

表1 AESA和SDS的濃度對長纖維分散的效果

表2 AESA和SDS的濃度對漿料懸浮液表面張力的影響

圖3 不同濃度AESA和SDS對長纖維的分散效果

圖4 AESA和SDS對長纖維分散效果的顯微鏡照片

由圖3可知,隨著AESA和SDS濃度的增加,長纖維在溶液中的分散性能也隨之得到較大的提升,但由圖3(a)和圖3(b)可以看出,AESA對長纖維的分散效果比SDS的好。由表2可知,當SDS濃度為1%時,漿料懸浮液的表面張力為64.5 mN/m,相比于未加入SDS的漿料懸浮液表面張力下降并不大。SDS的濃度小長纖維整體的分散效果很差,但隨著SDS濃度的增加,長纖維分散效果雖然得到良好改善,即使SDS濃度提高到5%,還是無法滿足抄造紙張的需求。相反,AESA對長纖維的分散則起到了非常好的作用,且AESA經濟適用,成本較低。AESA更易降低漿料懸浮液的表面張力,使長纖維更加容易被液體潤濕,纖維的親水性能提高,纖維的分散性能也隨之得到改善。AESA還能賦予纖維表面電荷,從而使長纖維之間產生負電荷排斥力相互疏遠,單根纖維分散效果變好。

在顯微鏡條件下可以觀察到,表面活性劑的加入使得懸浮液中的纖維都分散開,纖維網狀結構的勻度也隨之得到改善。加入AESA的長纖維懸浮液體系，在顯微鏡下可以很明顯地觀察到纖維的分散效果很好,見圖4(a)。但是加入SDS的長纖維分散效果明顯比加入AESA的差,加入SDS的纖維之間還是有很多纏結的地方,見圖4(b)。

2.3.2 長纖維紙張性能的檢測

長纖維在水中的分散很差,如果不加入表面活性劑纖維之間易絮聚成團,紙張勻度很差,紙張中的纖維層數不均一,嚴重影響紙張性能。加入表面活性劑,可以降低漿料懸浮液的表面張力,從而使纖維與纖維之間分散開來,紙張勻度好,這樣就能大大提高紙張的強度性能。

將漿濃0.04%的漿料疏解2 min后,漿料懸浮液中分別添加AESA和SDS兩種表面活性劑,抄造成紙。圖5為表面活性劑濃度對紙張抗張指數的影響。從圖5可知,隨著表面活性劑濃度的增大,紙張的抗張指數也隨之提高。這是因為漿料懸浮液表面張力的減小,使單根纖維獨自分散于水溶液中,抄造成紙時,纖維與纖維之間交織均勻,從而使紙張強度增大。由于SDS對長纖維的分散效果遠不如AESA的好,且AESA較SDS成本低,所以AESA是較理想的表面活性劑。

圖5 表面活性劑濃度對紙張抗張指數的影響

利用比表面積及孔徑分析儀對紙張孔徑進行測定,結果如表3所示。

表3 紙張孔徑分布情況

大部分的紙種對孔徑的分布有一定的要求,由此可見孔徑的分布非常重要[14]。由表3可知,漿料懸浮液中加入SDS后紙張孔徑兩極分化比較嚴重,紙張中主要是最大和最小孔徑分布的多。而在漿料懸浮液中加入AESA的紙張孔徑主要分布在15～25 μm,最大孔徑和最小孔徑的分布都比較少。由此可見,在漿料懸浮液中加入AESA溶液對纖維的分散效果明顯優(yōu)于SDS溶液。

3 結 論

3.1 聚烯烴長纖維較之普通植物纖維長度長,且柔軟,在水中分散時易發(fā)生絮聚。合適的漿濃以及疏解時間有益于漿料的上網成形,通過測長纖維懸浮液體積,聚烯烴長纖維分散時較優(yōu)的漿濃為0.04%,疏解時間為2 min。

3.2 通過測定長纖維懸浮液體積和觀察纖維懸浮液分散情況,可知聚烯烴長纖維分散較合適的表面活性劑為脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸銨(AESA)。在漿濃0.04%,疏解2 min的條件下,在漿料中添加濃度4%的AESA時長纖維的分散性能好,紙張性能佳,紙張的抗張指數為37.5 N·m/g,孔徑主要分布于15～25 μm范圍。

[1] Huang Zhao-huan.Long fiber paper[J]. Paper and Paper Making, 1984(3): 44.

黃照環(huán). 長纖維紙[J]. 紙和造紙, 1984(3): 44.

[2] Nie Xun-zai. Development of non-wood long fiber materials is a shortcut to resolve the shortage of long fiber raw material papermaking industry in China[J]. Hubei Paper, 2001(4): 2.

聶勛載. 開發(fā)非木材長纖維原料是解決我國造紙工業(yè)長纖維原料短缺的捷徑[J]. 湖北造紙, 2001(4): 2.

[3] Gao Kun, Hu Xin-guo, Yi Ting-feng. The characteristics and the current development situation of lithium ion battery polyolefin diaphragm[J]. Chinese Battery Industry, 2001, 12(2): 122.

高 昆, 胡信國, 伊廷鋒. 鋰離子電池聚烯烴隔膜的特性及發(fā)展現狀[J]. 電池工業(yè), 2007, 12(2): 122.

[4] Yu Wei-yan. Exploitation of polyolefin fibers[J]. Textile Science Research, 1993(3): 33.於蔚炎. 聚烯烴纖維的開發(fā)利用[J]. 紡織科學研究, 1993(3): 33.

[5] Wu Xiao-xin, Wu Shui-zhu, Zhao Jian-qing, et al. Lithium-ion battery polyolefin separatormodified polyolefin and functional studies[J]. Synthetic Materials Aging and Application,2012, 41(4): 43.

巫曉鑫, 吳水珠, 趙建青, 等. 鋰離子電池聚烯烴隔膜改性及功能化研究[J]. 合成材料老化與應用, 2012, 41(4): 43.

[6] Ran Jing-hui, Wang Xi-wen, Hu Jian, et al. Study on the wet nonwoven fabric prepared alkaline manganese battery separator paper[J]. Tianjin Paper Making, 2008(2): 42.

冉景慧, 王習文, 胡 健, 等. 濕法無紡布制備堿錳電池隔膜紙的研究[J]. 天津造紙, 2008(2): 42.

[7] Long Ai-yun. Advances in sheet structure[J]. East China Pulp & Paper Industry, 2014, 45(3): 24.

龍愛云. 紙頁結構的研究進展[J]. 華東紙業(yè), 2014, 45(3): 24.

[8] Wang Qiu-yun, Dong Rong-ye. Measures to improve the paper formation[J]. Paper Chemicals, 2005(4): 40.

王秋云, 董榮業(yè). 紙張勻度的改進措施[J]. 造紙化學品, 2005(4): 40.

[9] Liu Zi-ting. Paper evenness control and influence of using[J]. Printing Quality & Standardization, 2006(7): 33.

劉子亭. 紙的勻度控制及使用中的影響[J]. 印刷質量與標準化, 2006(7): 33.

[10] ZHANG Mei-yun, LIU Jun-hua, LU Zhao-qing. Studies of Poly (ethylene oxide) Para-aramid Fiber Dispersion Effect[J]. China Pulp & Paper, 2014, 33(3): 17.

張美云, 劉俊華, 陸趙情. 聚氧化乙烯對對位芳綸纖維分散效果的研究[J]. 中國造紙, 2014, 33(3): 17.

[11] Johnson J A, Barbato M J, Hopkins S R, et al. Dispersion and film properties of carbon nanofiber pigmented conductive coatings[J]. Progress in Organic Coatings, 2003, 47: 198.

[12] Zhang Hong-tao, Li You-ming. Progress of dispersants in the fiber suspension[J]. Paper Chemicals, 2000(4): 36.

張洪濤, 李友明. 分散劑在纖維懸浮液中的應用進展[J]. 造紙化學品, 2000(4): 36.

[13] Fu Rui-fang. Dispersants in paper industry[J]. Shanghai Paper Making, 2007, 38(5): 40.

傅瑞芳. 分散劑在造紙工業(yè)中的應用[J]. 上海造紙, 2007, 38(5): 40.

[14] WANG Yu-long, CAO Zhen-lei, WANG Yan-zhong. Using a Mercury Intrusion Method to Measure the Pore Distribution and Porosity of the Paper[J]. China Pulp & Paper, 2006, 25(3): 19.

(責任編輯：董鳳霞)

Research on Polyolefin Long-fiber Dispersion and Its Paper Properties

WU Yan-qing*ZHAO Chuan-shan HAN Wen-jia JIANG Yi-fei HU Xing

(KeyLabofPulp&PaperScienceandTechnologyofMinistryofEducation,QiluUniversityofTechnology,Ji’nan,ShandongProvince, 250353)

The dispersion performances of polyolefin long-fiber suspension were investigated by changing the suspension consistency, fiber disintegration time and application of various surfactants. Based on sedimentation volume method, fiber suspension observation and testing of the properties of resultant paper suitable pulp concentration and fiber disintegration time as well as a suitable surface surfactant were identified. The results showed that, when the pulp consistency was 0.04%, disintegration time was 2 mins, the dispersion of the long fibers could meet the basic requirements. The 4%concentration of AESA solution had better dispersive performance than that of SDS thanks to its lower surface tension. The paper formation, pore size, and the tensile strength of the sheet were better compared to the application of SDS. Its tensile index was 37.5 N·m/g, pore size of paper mainly distributed in 15～25 μm.

polyolefin long-fiber; surfactant; dispersion; sheet

吳衍青女士，在讀碩士研究生；主要研究方向：化學纖維成紙的增強及其機理研究。

2016- 03- 06(修改稿)

TS722

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.08.003