王 欣 李志強(qiáng) 張紅杰，，,* 錢(qián)學(xué)君 程洪順 張鳳山 李曉亮

(1.天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457；2.河北華泰紙業(yè)有限公司，河北趙縣，051530；3.山東華泰紙業(yè)股份有限公司，山東東營(yíng)，257335)

·機(jī)械木漿·

機(jī)械木漿纖維形變性表征及其對(duì)纖維間結(jié)合性能的影響

王 欣1李志強(qiáng)1張紅杰1，2，3,*錢(qián)學(xué)君2程洪順2張鳳山3李曉亮3

(1.天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457；2.河北華泰紙業(yè)有限公司，河北趙縣，051530；3.山東華泰紙業(yè)股份有限公司，山東東營(yíng)，257335)

針對(duì)不同木素含量的纖維原料，采用不同評(píng)價(jià)方法對(duì)其形變性能進(jìn)行表征，包括纖維柔軟性(F)、纖維橫截面縱橫比(AR)和纖維壓潰指數(shù)(CI)；同時(shí)圍繞纖維形變性對(duì)纖維間結(jié)合性能以及手抄片物理強(qiáng)度的影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明，F(xiàn)、AR和CI都可以用來(lái)表征纖維的形變性，其中，當(dāng)木素含量從24.28%減少到2.67%時(shí)，F(xiàn)表征的相對(duì)形變量為956.5%，數(shù)倍于其他兩者，說(shuō)明F這一指標(biāo)表征的更為全面；隨著F從0.516×1012N-1·m-2增加到5.454×1012N-1·m-2，紙張中纖維間的相對(duì)結(jié)合面積(RBA)和剪切結(jié)合強(qiáng)度(b)增大，Page結(jié)合強(qiáng)度指數(shù)從3.60 N·m/g線性增加到84.07 N·m/g；在紙張成形過(guò)程中，可以通過(guò)改變纖維形變性能調(diào)節(jié)紙張強(qiáng)度和松厚度之間的對(duì)立關(guān)系。

木漿纖維；形變性；結(jié)合性能；柔軟性

木質(zhì)纖維原料作為一種可再生資源廣泛存在于自然界中，由于其綠色環(huán)保、可回收、可降解等特點(diǎn)符合可持續(xù)發(fā)展的要求，因而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益[1-2]。除傳統(tǒng)的制漿造紙行業(yè)和紡織行業(yè)之外，木質(zhì)纖維原料還可用于生物質(zhì)精煉。生物質(zhì)精煉的開(kāi)發(fā)與研究主要基于生物質(zhì)能源、生物質(zhì)基材料和生物質(zhì)化學(xué)品三大平臺(tái)，用以生產(chǎn)燃料、電熱能以及化學(xué)品等。木質(zhì)纖維原料的生物質(zhì)精煉是未來(lái)重點(diǎn)研究和發(fā)展方向[3]。另外木質(zhì)纖維原料還可生產(chǎn)功能基材料，用于汽車(chē)制造、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

木質(zhì)纖維原料的成分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，纖維素、半纖維素和木素是木質(zhì)纖維細(xì)胞壁的三大組分。纖維素如同“骨架”，支撐著纖維的整體結(jié)構(gòu)，而半纖維素和木素充當(dāng)著“黏合劑”和“填充劑”的作用，使纖維細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)更加緊密、牢固。纖維材料本身的性質(zhì)影響并限制著木質(zhì)纖維的應(yīng)用范圍以及終端產(chǎn)品的性能。作為纖維性能之一，纖維的形變程度不可忽視。形變性表征的是在纖維網(wǎng)絡(luò)中，纖維之間相互交織、纖維形態(tài)發(fā)生變化的能力。纖維形變的表征方式有很多種，如纖維的柔軟性(flexibility)[4- 6]、可壓潰性(collapsibility)[7]、適應(yīng)性能(conformability)[8]等。盡管表征方式有所差異，影響形變性的因素都是纖維的截面尺寸等，因此在一定程度上這幾種性能相互影響。

纖維形變通過(guò)影響纖維自身強(qiáng)度、漿料的濾水性能、纖維之間的結(jié)合性能進(jìn)而影響紙張的抗張強(qiáng)度、表觀密度、光散射系數(shù)等。根據(jù)Page的抗張強(qiáng)度理論[9]，抗張強(qiáng)度受纖維自身強(qiáng)度、纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度以及相對(duì)結(jié)合面積共同影響。柔軟的纖維通常擁有更多的機(jī)會(huì)形成纖維之間的結(jié)合，增大了相對(duì)結(jié)合面積，抗張強(qiáng)度增大；緊度是指單位體積紙張的質(zhì)量[10]，表示纖維在紙張中緊密交織的程度。柔軟的纖維之間相互交織結(jié)合更為緊密，使紙張更牢固，因此具有較高緊度；形變性能好的纖維，例如越柔軟的纖維形成的紙張相對(duì)結(jié)合面積越大，或者壓潰性能越好的纖維，纖維相互接觸面積越大，都會(huì)使紙張的光散射系數(shù)降低。纖維形變對(duì)于木漿纖維的應(yīng)用有著巨大的影響。本實(shí)驗(yàn)的目的在于對(duì)木漿纖維形變性進(jìn)行表征與評(píng)價(jià)，進(jìn)而闡明木漿纖維形變性對(duì)其結(jié)合性能的響應(yīng)機(jī)制。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料和試劑

松木熱磨機(jī)械漿(TMP)：取自河北廊坊某廠；亞氯酸鈉：分析純，天津市化學(xué)試劑一廠；冰醋酸：分析純，天津市化學(xué)試劑一廠；雙組分環(huán)氧樹(shù)脂膠：常溫固化型，天津燕?；瘜W(xué)有限公司；冷凍切片包埋劑：低溫固化型，美國(guó)Thermo fisher公司。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器

8901- 05鮑爾篩分儀，美國(guó)TMI公司；LT- 86C臺(tái)式照明放大鏡，惠州齊力電子有限公司；FE&FSE冷凍切片機(jī)，美國(guó)Thermo Fisher公司；SU-1510掃描電子顯微鏡，日本日立公司；NOVA3200e物理化學(xué)吸附儀，美國(guó)Quantachrome公司；7407S標(biāo)準(zhǔn)紙頁(yè)成形器，美國(guó)AMC公司；SE 062 969921抗張強(qiáng)度測(cè)定儀，瑞典Lorentzen&Wettre公司；2400零距抗張強(qiáng)度測(cè)定儀，美國(guó)PULMAC公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1木漿纖維原料的準(zhǔn)備

利用鮑爾篩分儀將經(jīng)過(guò)熱疏解的TMP進(jìn)行篩分，參照TAPPI T233 cm-1995，收集R30組分的長(zhǎng)纖維，平衡水分后進(jìn)行水分含量的測(cè)定。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10741—2008進(jìn)行苯-醇抽提，對(duì)于抽提后的漿樣再次測(cè)定水分，備用。

1.3.2木漿纖維原料的脫木素處理

取20 g絕干原料入錐形瓶中，加入去離子水稀釋至漿濃為3%，加入亞氯酸鈉1%(以絕干原料計(jì))，采用冰醋酸調(diào)節(jié)漿料pH值為3.5～4.0，將錐形瓶放入75℃的恒溫水浴中處理1 h，期間不斷搖晃錐形瓶使反應(yīng)均勻進(jìn)行。1 h后，加入同樣劑量的亞氯酸鈉，并用冰醋酸調(diào)節(jié)pH值為3.5～4.0。按照上述方法分別處理0、2、4、6 h以獲得不同木素含量的纖維原料。反應(yīng)結(jié)束后，用去離子水將木漿纖維洗至中性。

1.3.3木素含量的測(cè)定

參照TAPPI T222 om- 02和T13 wd-74測(cè)定不同纖維原料的總木素含量，即包括酸不溶木素和酸溶木素之和。

1.3.4手抄片的抄造及物理性能測(cè)定

參照TAPPI T205 sp-95，取不同木素含量的纖維原料在標(biāo)準(zhǔn)紙頁(yè)成形器上抄造手抄片，定量為60 g/m2。參照TAPPI T220 sp-96，測(cè)定手抄片的抗張強(qiáng)度、零距抗張強(qiáng)度。

1.3.5木漿纖維形變性能的測(cè)定

1.3.5.1 纖維柔軟性測(cè)定

圖1 Steadman法測(cè)定纖維柔軟性示意圖[11]

采用Steadman等人[11]研究的方法測(cè)量纖維的柔軟性。假定纖維是完全服從彈性形變的測(cè)量，柔軟性F=1/EI，其中E為纖維壁的彈性模量，I為纖維彎曲平面的慣性矩。Steadman法的測(cè)定原理如圖1所示。將0.1 g絕干原料稀釋至漿濃為0.01%。利用標(biāo)準(zhǔn)紙頁(yè)成形器使纖維均勻分散于濾布上，將固定有直徑為35 μm金屬絲的載玻片均勻?qū)ΨQ(chēng)放置于金屬片上，蓋上濾布，上下各放置一張壓榨毛毯，用標(biāo)準(zhǔn)濕紙幅壓榨機(jī)壓榨5 min，壓榨壓力為340 kPa。結(jié)束后將載玻片放入干燥器中干燥8 h。將制好的樣品置于光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，尋找與金屬絲垂直交織的纖維，并進(jìn)行拍照。利用儀器自帶軟件測(cè)量載荷長(zhǎng)度(纖維未與載玻片接觸的距離)和纖維寬度[12]，代入式(1)計(jì)算纖維的柔軟性。

(1)

式中，E——纖維的彈性模量，N/m2；

I——纖維彎曲平面的慣性矩，m4；

d——金屬絲直徑，m；

q——纖維單位長(zhǎng)度載荷，N/m；

L——載荷長(zhǎng)度，m。

1.3.5.2 纖維壓潰性測(cè)定

實(shí)驗(yàn)采用兩種方法表示壓潰性，其一為Paavilainen[13]的方法測(cè)量纖維的縱橫比(AR，即纖維橫截面最長(zhǎng)直徑和最短直徑之比)；另一種表示方法是Jang H F[14]定義的壓潰指數(shù)(CI，collapse index)，即經(jīng)過(guò)物理或化學(xué)處理后，與原始纖維相比，損失的纖維內(nèi)腔所占的比例，計(jì)算如式(2)所示。

(2)

式中，LA——纖維橫截面圖像測(cè)定的細(xì)胞腔面積，μm；

LA0——纖維經(jīng)處理之前的原始細(xì)胞腔面積，μm。

采用包埋劑將干燥后的手抄片進(jìn)行冷凍包埋，并用冷凍切片機(jī)切片，厚度為5 μm。將切片置于掃描電子顯微鏡下觀察，得到完整纖維截面圖像。利用Image-Pro Plus 6.0計(jì)算纖維橫截面的縱橫比，以及纖維截面的橫截面積，每組取約30個(gè)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

1.3.6木漿纖維結(jié)合性能的測(cè)定

1.3.6.1 相對(duì)結(jié)合面積(RBA)的測(cè)定

基于氮吸附的方法測(cè)定纖維網(wǎng)絡(luò)相對(duì)結(jié)合面積[15]，取適量絕干漿，用去離子水調(diào)整漿濃為0.3%，用乙醇置換脫水。將木漿原料置于50℃的環(huán)境下真空干燥24 h，將干燥后的纖維和手抄片在105℃下干燥8 h。采用物理化學(xué)吸附儀對(duì)纖維和紙張的比表面積進(jìn)行測(cè)定。RBA由式(3)計(jì)算。

(3)

式中，RBA——木漿纖維網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)結(jié)合面積，%；

St——絕干纖維的比表面積，g/m2；

Su——手抄片的比表面積，g/m2。

1.3.6.2 手抄片結(jié)合強(qiáng)度指數(shù)的測(cè)定

手抄片的結(jié)合強(qiáng)度指數(shù)由Page結(jié)合強(qiáng)度指數(shù)(B)[9]確定。Page結(jié)合強(qiáng)度指數(shù)可由抗張強(qiáng)度指數(shù)(T)以及零距抗張強(qiáng)度指數(shù)(Z)計(jì)算得到，剪切結(jié)合強(qiáng)度(b)可以通過(guò)纖維形態(tài)參數(shù)和相對(duì)結(jié)合面積(RBA)計(jì)算得到，如公式(4)和公式(5)所示。

(4)

(5)

式中，B——Page結(jié)合強(qiáng)度指數(shù)，N·m/g;

T——手抄片的抗張強(qiáng)度指數(shù)，N·m/g;

Z——手抄片的零距抗張強(qiáng)度，N·m/g;

PL——纖維橫截面周長(zhǎng)，m;

c——纖維粗度，g/100 m纖維;

b——剪切結(jié)合強(qiáng)度，N/m2;

RBA——相對(duì)結(jié)合面積，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 木漿纖維形變性的表征

2.1.1纖維形變性的三種表征方式

在制漿及紙張成形過(guò)程中，纖維會(huì)產(chǎn)生壓潰行為，纖維細(xì)胞腔會(huì)發(fā)生部分坍塌，腔面積減少。因此，常采用纖維壓潰性和柔軟性對(duì)其形變能力進(jìn)行表征。另外，纖維的壓潰程度也常采用纖維截面的縱橫比(AR)來(lái)表示，即纖維橫截面最長(zhǎng)直徑與最短直徑的比[7，16-19]。Page[20]定義的壓潰指數(shù)(CI)也反映了纖維的壓潰性能，即經(jīng)過(guò)物理化學(xué)處理后，與原始纖維相比，損失的纖維內(nèi)腔所占的比例。由式(2)可知，當(dāng)LA=0或細(xì)胞腔完全壓潰時(shí)，CI為1；另一方面，當(dāng)LA=LA0，或者當(dāng)細(xì)胞腔完全沒(méi)有壓潰時(shí)，CI為0。傳統(tǒng)意義上將柔軟性定義為彎曲剛度的倒數(shù)，即F=1/EI，這個(gè)定義的基礎(chǔ)是將纖維看作一個(gè)完全服從彈性形變的測(cè)量，E是纖維材料的彈性模量，是材料自身的特性；I是纖維彎曲平面的慣性矩，是一種物理性能[11，21]。研究人員研發(fā)了多種測(cè)量纖維柔軟性的方法[11,18-19,22-23]。實(shí)驗(yàn)采用的Steadman法最為接近紙張成形過(guò)程中纖維發(fā)生的真實(shí)行為。實(shí)驗(yàn)采用纖維截面縱橫比(AR)、纖維壓潰指數(shù)(CI)及纖維柔軟性(F)對(duì)木漿纖維的形變性進(jìn)行表征。結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同木素含量對(duì)木漿纖維的形變性的影響

由圖2可知，木漿纖維的木素含量與纖維的壓潰指數(shù)(CI)、縱橫比(AR)和柔軟性(F)都呈反比關(guān)系，且變化趨勢(shì)相同，說(shuō)明三者有一定的內(nèi)在聯(lián)系且都可用于表征纖維的形變性能。隨著纖維中木素含量的不斷減少，纖維的壓潰性增強(qiáng)，柔軟性增大，即纖維變得柔軟可塑，更易發(fā)生變形。纖維的寬度以及纖維的細(xì)胞壁厚度共同決定了纖維的可壓潰性。木素被脫除后，纖維的橫截面面積變小，纖維粗度降低，細(xì)胞壁變薄都使得纖維變得柔軟更容易被壓潰。在紙張成形過(guò)程中這些被壓潰的纖維能夠更好地結(jié)合在一起，并形成更多的氫鍵，使紙張結(jié)構(gòu)變得致密、強(qiáng)韌、平滑。隨著纖維中木素含量的降低，CI從0.329上升到0.792，AR由1.616上升到3.652，變化較大，但CI更為準(zhǔn)確和科學(xué)，因?yàn)樗婵紤]了纖維未經(jīng)處理和經(jīng)過(guò)處理的兩個(gè)狀態(tài)，除此之外，CI的值域?yàn)?～1，不同纖維樣品之間可以進(jìn)行比較。隨著纖維中木素含量的不斷降低，纖維柔軟性不斷增強(qiáng)。木素含量由24.28%降低至2.67%時(shí)，F(xiàn)由0.5162×1012N-1·m-2增加到5.454×1012N-1·m-2，變化幅度較大。這是由于未處理過(guò)的纖維中大量的木素作為“膠黏劑”存在于纖維細(xì)胞壁中，纖維壁結(jié)構(gòu)緊密，難以潤(rùn)脹；經(jīng)過(guò)處理后木素從細(xì)胞壁中脫除，纖維細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)更加疏松，孔隙增多，進(jìn)入細(xì)胞壁中的水分子增多，柔軟性增強(qiáng)，易于發(fā)生形變。由于纖維柔軟性的測(cè)定方法模擬了實(shí)際紙張成形時(shí)的狀態(tài)[24]，因此F間接地反映出纖維的形變性。

2.1.2三種不同表征方式的比較

纖維形變的不同表述和表征方式是從不同角度對(duì)纖維形變進(jìn)行詮釋?zhuān)鼈冎g有一定的內(nèi)在聯(lián)系。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)AR、CI和F三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合來(lái)表征木漿纖維的形變。纖維的可壓潰性能是將纖維視作一個(gè)中空的圓柱體結(jié)構(gòu)，紙張成形過(guò)程中其纖維腔體狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，發(fā)生部分或全部被壓潰，強(qiáng)調(diào)了纖維腔體形態(tài)發(fā)生變化的能力；而纖維柔軟性的前提是把纖維假設(shè)為一個(gè)完全服從彈性形變的測(cè)量，采用間接的方法使金屬絲與纖維交織，使纖維的適應(yīng)性與彎曲剛度相結(jié)合來(lái)確定纖維的柔軟性，它強(qiáng)調(diào)了纖維網(wǎng)絡(luò)形成過(guò)程中的彎曲性能以及產(chǎn)生彎曲變化的能力[15]。

為了清晰比較幾種評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)劣，將纖維的相對(duì)形變量(以未經(jīng)處理的纖維為基礎(chǔ))進(jìn)行對(duì)比，比較結(jié)果如圖3所示。隨著纖維中木素含量的不斷降低，F(xiàn)、AR和CI的相對(duì)形變量都呈上升趨勢(shì)。但AR僅僅采用纖維橫截面參數(shù)來(lái)表征纖維的壓潰性能，相同壓潰狀態(tài)的纖維數(shù)值可能相差很大。相比之下CI有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，更為科學(xué)和準(zhǔn)確。在纖維的加工過(guò)程中，它以絕對(duì)的方式測(cè)量了纖維的平整程度，能夠針對(duì)不同形態(tài)的纖維或不同處理方式的相同形態(tài)纖維的壓潰性能進(jìn)行比較。從圖3中可明顯看出，F(xiàn)的相對(duì)形變量呈數(shù)倍增加，遠(yuǎn)超于AR和CI，原因是在F的測(cè)定過(guò)程模擬了紙張的“真實(shí)成形”，需要對(duì)其進(jìn)行壓榨，因此纖維除了產(chǎn)生彎曲行為之外，還會(huì)產(chǎn)生壓潰行為，兩者共同作用對(duì)F的測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，采用F來(lái)表征纖維形變性更為全面。

圖3 不同木素含量木漿纖維三種相對(duì)形變的比較

2.2 木漿纖維形變性對(duì)紙張結(jié)合性能的影響

2.2.1形變性對(duì)纖維間結(jié)合性能的影響

紙張?jiān)诿撍倪^(guò)程中，纖維之間的相互作用受到纖維形態(tài)特征的顯著影響，隨著纖維中木素的脫除，纖維細(xì)胞壁變得疏松多孔，水分子更易進(jìn)入到微細(xì)纖維之間，纖維易于潤(rùn)脹，柔軟性增加，從而影響著紙張內(nèi)部纖維之間的結(jié)合。

纖維之間的結(jié)合性能影響著紙張的光學(xué)性能、表觀性能、機(jī)械性能等。纖維之間結(jié)合性能有兩個(gè)重要的影響因素：纖維間的結(jié)合力和結(jié)合面積[25]。纖維的結(jié)合力強(qiáng)度和結(jié)合面積對(duì)紙張的所有性能幾乎都有影響，如光學(xué)、機(jī)械、熱和電性能等[26]。纖維之間的結(jié)合性能可以用Page結(jié)合強(qiáng)度指數(shù)(B)來(lái)表征，它是關(guān)于纖維形態(tài)參數(shù)、纖維剪切結(jié)合強(qiáng)度(b)和相對(duì)結(jié)合面積(RBA)的函數(shù)，見(jiàn)式(4)，其中B可由紙張物理強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算得到。圖4給出了F對(duì)RBA和剪切結(jié)合強(qiáng)度(b)的影響。

圖4 纖維柔軟性F對(duì)相對(duì)結(jié)合面積(RBA)和剪切結(jié)合強(qiáng)度(b)的影響

圖6 木漿纖維手抄片橫截面的SEM圖

由圖4可以看出，隨著F降低，RBA和b都呈下降趨勢(shì)，呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)F從0.516×1012N-1·m-2增加到5.454×1012N-1·m-2，RBA從15.64%增加到43.76%，b從2.08 MPa增加到13.92 MPa。F增加時(shí)，纖維形變性增大，紙張成形過(guò)程中纖維相互纏繞交織，使得細(xì)胞腔更易被壓潰，纖維之間的相互接觸幾率增大，接觸面積增加，另外，由于水分子的進(jìn)入使得纖維之間氫鍵結(jié)合增多，兩者的共同作用增加了纖維之間的結(jié)合力。圖5給出了F對(duì)B的影響。由圖5可知，隨著F的增加，B呈上升趨勢(shì)，F(xiàn)從0.516×1012N-1·m-2增加到5.454×1012N-1·m-2，B從3.60 N·m/g增加到84.07 N·m/g。其相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到了0.994，斜率為15.70。其相關(guān)性方程為y=15.70x-0.032?？梢?jiàn)纖維形變性對(duì)于纖維之間結(jié)合性能有著重要影響。

圖5 纖維柔軟性F對(duì)Page結(jié)合強(qiáng)度指數(shù)(B)的影響

2.2.2形變性對(duì)于紙張物理強(qiáng)度的影響

抗張強(qiáng)度常用來(lái)表征紙張的物理強(qiáng)度。根據(jù)Page抗張強(qiáng)度理論模型，抗張強(qiáng)度主要有3個(gè)決定性因素，即纖維自身性能、纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度以及結(jié)合面積[27]。纖維形變性越好，纖維之間結(jié)合幾率越大，相對(duì)結(jié)合面積越大，進(jìn)而增加紙張的抗張強(qiáng)度。松厚度是指纖維表觀密度的倒數(shù)[10]，表征的是紙和紙板結(jié)構(gòu)的緊密程度。在造紙工業(yè)中，通常追求較高結(jié)合性能和適當(dāng)松厚度的產(chǎn)品，因?yàn)檩^高結(jié)合性能可以提供給產(chǎn)品較高的物理強(qiáng)度，而適當(dāng)松厚度可以滿(mǎn)足產(chǎn)品的使用性能，便于后期不同的應(yīng)用領(lǐng)域使用。一般地，木素含量高的木質(zhì)纖維材料具有較高的松厚度，但其物理強(qiáng)度很差；而物理強(qiáng)度性能好的紙張，纖維之間結(jié)合緊密，松厚度較差。機(jī)械漿纖維原料由于大量木素的存在通常物理強(qiáng)度較差[28-29]，通過(guò)去除木素可以提高紙張的物理強(qiáng)度性能，因?yàn)槟舅孛摮?，纖維易于發(fā)生形變，纖維之間接觸面積增大，結(jié)合力上升，結(jié)合性能隨之增加。

圖6所示為掃描電子顯微鏡下手抄片橫截面的SEM圖。當(dāng)纖維細(xì)胞壁中木素含量較多時(shí)，纖維較為硬，形變性能差，即保持原有狀態(tài)的能力強(qiáng)，結(jié)合面積較小，纖維間結(jié)合性能較差，因此形成的手抄片結(jié)構(gòu)疏松，具有較高的松厚度，如圖6(a)所示。相反，當(dāng)木素被脫除，纖維變得柔軟可塑，形變能力增強(qiáng)，纖維之間的接觸面積增大，結(jié)合性能較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊固并具有較高的強(qiáng)度，所以松厚度變低，如圖6(b)所示。木素脫除的過(guò)程中纖維發(fā)生的形變行為可以解釋這二者之間的對(duì)立關(guān)系。纖維柔軟性對(duì)紙張抗張強(qiáng)度指數(shù)和松厚度的影響見(jiàn)圖7。如圖7所示，F(xiàn)從0.516×1012N-1·m-2增加到5.45×1012N-1·m-2，紙張的抗張強(qiáng)度指數(shù)從3.47 N·m/g提高至54.10 N·m/g，而其松厚度從5.08 cm3/g下降至1.83 cm3/g。當(dāng)纖維細(xì)胞壁中含有較多木素時(shí)，纖維更加挺硬，形變性能差，纖維之間結(jié)合的幾率小，纖維之間相互結(jié)合性能差，紙張強(qiáng)度性能差，但具有較高的松厚度，如圖7中的虛線b處，紙張松厚度急劇上升，抗張強(qiáng)度指數(shù)急劇下降；相反，當(dāng)纖維木素含量較低時(shí)，纖維較為柔軟，纖維的形變能力增強(qiáng)，纖維之間形成更多的接觸，結(jié)合性能較強(qiáng)，紙張結(jié)構(gòu)更為致密，具有較高的物理強(qiáng)度，但松厚度降低，如圖7中的虛線a處。因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)纖維細(xì)胞壁中化學(xué)成分的比例(木素含量和碳水化合物含量)，使纖維柔軟性F處于圖7中的a線和b線之間，從而降低紙張松厚度和抗張強(qiáng)度之間的對(duì)立關(guān)系，在保證一定松厚度的前提下提高紙張的物理強(qiáng)度。

圖7 纖維柔軟性F對(duì)抗張強(qiáng)度指數(shù)和松厚度的影響

紙張的抗張強(qiáng)度和松厚度之間有著密切的關(guān)系，且不同用途的紙張對(duì)于松厚度和抗張強(qiáng)度的要求也不盡相同。濾紙等需要較高的松厚度，若松厚度小會(huì)影響其過(guò)濾性能；而對(duì)于印刷紙而言，則要求適當(dāng)?shù)乃珊穸?，以保證紙張的強(qiáng)度及表面性能，但松厚度也不宜過(guò)小，以免降低紙張的不透明度和印刷性能[30]。纖維的形變性能也受到纖維原料的種類(lèi)、制漿和打漿等方法與工藝參數(shù)等的影響，因此，在上述影響因素相同的條件下，可以根據(jù)不同紙種對(duì)于抗張強(qiáng)度和松厚度的要求，通過(guò)調(diào)節(jié)纖維中不同化學(xué)成分的比例(木素含量和碳水化合物含量)來(lái)改變纖維的形變性，進(jìn)而滿(mǎn)足不同紙種對(duì)于這兩種指標(biāo)的需求。

3 結(jié) 論

利用亞氯酸鈉在酸性條件下對(duì)松木熱磨機(jī)械漿(TMP)進(jìn)行脫木素處理，TMP的木素含量由24.28%降低到2.67%，纖維的柔軟性(F)從0.516×1012N-1·m-2增加到5.45×1012N-1·m-2，壓潰指數(shù)(CI)從0.329上升到0.792，縱橫比(AR)從1.616增加到3.652，以上三種方式都顯示出木素含量少的纖維更容易發(fā)生形變行為。其中F更接近纖維在紙張成形中發(fā)生的真實(shí)情況，所以用來(lái)表征纖維的形變性能更具有代表性。另外，木素脫除后纖維變得柔軟可塑，能夠被壓潰的部分增多，形變性增強(qiáng)，更容易形成結(jié)合，纖維網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)合性能和宏觀物理性能都增強(qiáng)，纖維網(wǎng)絡(luò)中纖維的相對(duì)結(jié)合面積(RBA)和剪切結(jié)合強(qiáng)度(b)增大，導(dǎo)致Page結(jié)合強(qiáng)度指數(shù)(B)隨著纖維柔軟性的增大呈線性增加，紙張抗張強(qiáng)度指數(shù)等隨著纖維形變性的改善而增大。因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)纖維中不同化學(xué)成分的比例平衡在紙張成形過(guò)程中強(qiáng)度增大和松厚度降低這一對(duì)立關(guān)系。

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TheCharacterizationofDeformationBehaviorofMechanicalLignocellulosicFibersandItsEffectonInterfiberBondingProperties

WANG Xin1LI Zhi-qiang1ZHANG Hong-jie1,2,3,*QIAN Xue-jun2CHENG Hong-shun2ZHANG Feng-shan3LI Xiao-liang3

(1.TianjinKeyLabofPulp&Paper,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin, 300457; 2.HebeiHuataiPaperIndustryCo.,Ltd.,Zhaoxian,HebeiProvince, 051530; 3.ShandongHuataiPaperIndustryCo.,Ltd.,Dongying,ShandongProvince, 257335)

In this study, the pine TMP was delignified with sodium chlorite under acidic conditions, to obtain pulp fibers with different lignin contents. The deformation properties of these fibers were characterized by different methods, including flexibility of fiber(F), aspect ratio of fiber cross section(AR) and deformation index of fiber(CI). Finally, the effects of fiber deformation behavior on the interfiber bonding properties and physical strength of handsheets were discussed in details. The results showed that theF,ARandCIcould characterize the fiber deformation, when the lignin content decreased from 24.28% to 2.67%, the change of relative deformation characterized byFwas 956.5%, which was several times greater than that characterized by the others, therefore,Fwas the most comprehensive characterization index among them; the increase ofFfrom 0.516×1012N-1·m-2to 5.454×1012N-1·m-2contributed to the increase of the relative bonding area (RBA) and shear bond strength (b) of the fibers, which led to the linear increase of the Page bonding strength index from 3.60 N·m/g to 84.07 N·m/g. During the paper sheet forming process, the contradiction relationship between physical strength and bulk properties of the paper sheets could be alleviated by adjusting the deformation properties of fiber materials.

lignocellulosic fiber; deformation property; bonding property;flexibility

王 欣女士，在讀碩士研究生；主要研究方向：木質(zhì)纖維原料的高效分離與組分性能分析。

TS71.2

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.12.003

2017- 07-28(修改稿)

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31670588)；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2016M600516)。

*通信作者：張紅杰，博士，副教授；主要研究方向：植物纖維資源不同組分的高效分離與高值化應(yīng)用。

(*E-mail: hongjiezhang@tust.edu.cn)

馬 忻)