紙張三維結(jié)構(gòu)的CLSM表征及紙張?zhí)匦匝芯?/h1>
2020-07-23 08:53:12李嘉慶沈文浩
中國(guó)造紙 2020年6期
李嘉慶 沈文浩 郭 啟
（華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640）
紙張是一種多孔結(jié)構(gòu)材料，存在由纖維和孔隙組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，紙張的物理性能由纖維的特性和紙張的結(jié)構(gòu)決定[1]。由于非木材纖維抄造紙張物理性能較差，我國(guó)的紙張?jiān)牧蠘O大依靠進(jìn)口木漿和廢紙[2]，但我國(guó)擁有豐富的竹子、甘蔗等非木材植物資源，因此如何充分利用非木漿的儲(chǔ)備優(yōu)勢(shì)，提高其紙張的物理性能是一個(gè)重要研究。
紙張的物理性能主要由纖維自身特性和纖維間的結(jié)合強(qiáng)度及結(jié)合面積決定，前兩者均可通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)得，而纖維間的結(jié)合面積采用散射法測(cè)量[3]和Page 公式外推法[3]等方法均無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量。為獲取紙張纖維的結(jié)合面積，需要研究紙張的三維結(jié)構(gòu)，目前基于微計(jì)算機(jī)斷層（Micro-CT）掃描的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于水泥、巖石、紙張、骨骼等多個(gè)領(lǐng)域的三維結(jié)構(gòu)表征分析。利用X 射線的穿透性，Wang 等人[4]通過(guò)Micro-CT 掃描重構(gòu)紙張結(jié)構(gòu)，在不破壞紙張結(jié)構(gòu)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)紙張三維結(jié)構(gòu)的可視化，但由于植物纖維的直徑較小以及空氣和纖維之間的穿透性區(qū)別較小，Micro-CT 掃描纖維和纖維之間以及纖維和孔隙之間較難分離，需要定量確定閾值迭代方法進(jìn)行圖像分割，處理過(guò)程繁瑣，計(jì)算量大。而激光掃描共聚焦顯微鏡（CLSM）具有X 射線的穿透性，同時(shí)采用熒光特異性染色的原理，根據(jù)熒光的強(qiáng)弱提高不同對(duì)象之間的區(qū)分度，實(shí)現(xiàn)對(duì)象的三維可視化表征[5]。
本研究首先利用Bauer-McNett 纖維篩分儀和FS-3000 纖維質(zhì)量分析儀，定量表征棉漿、馬尾松漿、竹漿、桉木漿以及蔗渣漿纖維的特性，分析非木材纖維和木材纖維的差異。其次，結(jié)合激光掃描共聚焦顯微鏡實(shí)現(xiàn)紙張三維結(jié)構(gòu)的可視化，定量表征不同漿種所抄造紙張的孔隙率，分析影響不同漿種紙張物理性能的指標(biāo)。最終將棉漿、馬尾松漿、竹漿、桉木漿分別配抄到蔗渣漿中，研究不同漿種纖維對(duì)蔗渣漿紙張物理性能的影響，獲得抄造紙張較優(yōu)物理性能的漿料配比，為工廠采用纖維復(fù)配的方式提高蔗渣漿紙張的物理性能提供數(shù)據(jù)支撐。
1 實(shí) 驗(yàn)
1.1 原料
棉漿、馬尾松漿、竹漿、桉木漿以及蔗渣漿，均為漂白化學(xué)漿，購(gòu)自山東中紙人和制漿造紙有限公司。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1 紙漿的制備和纖維特性的測(cè)定
（1）按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 24325—2009）采用Valley 打漿機(jī)，依次對(duì)棉漿、馬尾松漿、竹漿、桉木漿、蔗渣漿進(jìn)行疏解和打漿，獲得打漿度均為（30±2）°SR的紙漿。
（2）采用FS-3000 纖維質(zhì)量分析儀對(duì)5 種漿料的纖維特性進(jìn)行表征，包括測(cè)定纖維的長(zhǎng)度、寬度和粗度。
（3）利用Bauer-McNett 纖維篩分儀對(duì)不同漿進(jìn)行纖維組分的篩分，篩網(wǎng)系列為16、30、50、100 和200 目，其中P 表示通過(guò)篩網(wǎng)、R 表示篩網(wǎng)截留，可分 別 得 到R16、P16/R30、P30/R50、P50/R100、P100/R200 5 種篩分級(jí)別的纖維，每次篩分10 g 絕干漿，篩分時(shí)間20 min。使用漿袋收集篩分后的纖維組分，并隨機(jī)抽取若干組試樣，使用CSY-L1 紙漿水分檢測(cè)儀測(cè)量各組分纖維的水分和絕干質(zhì)量。
1.2.2 紙張制備及檢測(cè)
（1）將棉漿、馬尾松漿、竹漿、桉木漿和蔗渣漿纖維，按照標(biāo)準(zhǔn)QB/T 3703—1999 使用TAPPI 手工抄片器抄造成紙張，不經(jīng)過(guò)壓榨工序，采用平板紙張干燥器將濕紙幅干燥后儲(chǔ)存于恒溫恒濕室。紙張定量為（60±2）g/m2，在抄造過(guò)程中未使用助留助濾劑和填料等助劑。
（2）以不同比例將棉漿、馬尾松漿、竹漿、桉木漿配抄到蔗渣漿中混合抄造成紙張，紙張定量為（60±2）g/m2，在抄造過(guò)程中未使用助留助濾劑和填料等助劑。
（3）將上述手抄紙張，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 24323—2009）檢測(cè)其物理性能，其中抗張強(qiáng)度采用L&W 抗張強(qiáng)度測(cè)定儀（066）檢測(cè)，零距抗張強(qiáng)度采用零距抗張強(qiáng)度測(cè)定儀（Z-Span2000）檢測(cè)，撕裂度采用L&W 撕裂度測(cè)定儀（HK-224C）檢測(cè)，耐破度采用L&W 耐破度測(cè)定儀（CE180）檢測(cè)，透氣度采用L&W透氣度儀（166）檢測(cè)。
1.2.3 紙張孔隙率的測(cè)定
孔隙率是指紙張的孔隙體積與紙張總體積之比，將紙張裁切成5 cm×5 cm 的正方形放入烘箱中，在100℃下干燥4 h 后，取出置于干燥器內(nèi)冷卻。將在恒溫恒濕室中（溫度23℃，相對(duì)濕度50%）處理的紙張浸入高純度的苯4 h，使用濾紙將紙張兩面過(guò)多苯吸收，稱量紙張質(zhì)量為W1，之后將紙樣置于105℃烘箱中干燥至絕干質(zhì)量為W2，紙張的體積為紙張的橫截面積（抄造紙張橫截面積均為0.02 m2）乘以浸入苯之前紙張的厚度，孔隙率（φ）計(jì)算見(jiàn)公式（1）。
式中，V 為紙張的體積；d 為苯的密度，0.88 g/mL。
1.2.4 紙張Z向斷層掃描圖片的獲取
（1）熒光檢測(cè)樣品的制備
選取上述經(jīng)Valley 打漿機(jī)處理后的桉木漿，稱取1.2 g 絕干漿，加入到50 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的番紅-O溶液中，在室溫下密封避光保存24 h，通過(guò)配制番紅-O 溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和控制染色時(shí)間來(lái)獲得最佳的熒光信號(hào)。染色完成后，使用TAPPI手工抄片器將所染色的漿料抄造成紙張，不經(jīng)過(guò)壓榨工序，濕紙幅通過(guò)平板紙張干燥器干燥后避光保存。馬尾松漿、竹漿、棉漿以及蔗渣漿按照上述熒光染色處理后分別抄造紙張，以備測(cè)試。
選擇帶有凹槽的石英載玻片，剪取約0.5 cm×0.5 cm 的正方形紙張，將其放在載玻片的凹槽中，用甘油對(duì)載玻片四周進(jìn)行固定。
（2）紙張Z向斷層掃描
采用激光掃描共聚焦顯微鏡（CLSM，Leica TCS-SP5）對(duì)紙張進(jìn)行斷層掃描，獲得紙張Z 向截面圖。CLSM 各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定：10 倍物鏡（數(shù)值孔徑0.4）；He-Ne 543 nm 激光，由于番紅染料的發(fā)色基團(tuán)激發(fā)波長(zhǎng)是470 ～555 nm，所以選擇激光的激發(fā)波長(zhǎng)是543 nm，而接收光譜范圍是553～629 nm[6]；激光器強(qiáng)度設(shè)定為20%；選擇1024×1024 分辨率和100 Hz的頻率進(jìn)行斷層掃描；Z 向掃描的步長(zhǎng)為0.12 μm。在檢測(cè)過(guò)程中，需避光快速完成激光掃描，防止光漂白。
1.3 紙張三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建
1.3.1 圖像的模式
CLSM的基本成像模式是XY平面，或焦平面樣本的一部分，因此形成的圖像只是一個(gè)二維平面，而不是整個(gè)樣本對(duì)象[7]。由于CLSM 的照明針孔與探測(cè)針孔相對(duì)于物鏡焦平面是共軛的，焦平面上的點(diǎn)同時(shí)聚焦于照明針孔與探測(cè)針孔，焦平面以外的點(diǎn)不會(huì)在探測(cè)針孔處成像，通過(guò)調(diào)節(jié)焦距觀察Z向截面，可以成像一系列焦平面光學(xué)截面，不同截面不會(huì)相互影響[8]。紙張三維圖像的獲取及其處理流程如圖1所示，其中，這些二維光學(xué)截面可以堆疊起來(lái)構(gòu)成紙張的三維圖像，確定紙張的孔隙率。
1.3.2 圖像處理
圖1 紙張三維圖像的獲取及處理流程圖
本研究采用圖像處理軟件Avizo 9.0.1[9]對(duì)CLSM獲取的紙張Z向截面圖進(jìn)行多種形式的閾值分割、形態(tài)學(xué)處理和計(jì)算等操作，實(shí)現(xiàn)紙張三維結(jié)構(gòu)的可視化表征。圖像處理的基本流程為：首先將斷層掃描的多張圖片載入；然后通過(guò)中值濾波函數(shù)（Median filter）[10]處理圖像使其平滑，避免局部纖維未染色及局部發(fā)生光漂白的情況，使纖維完整；再采用自動(dòng)閾值處理（Auto thresholding）[11]對(duì)圖像體素的灰度（0～255）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定閾值，通過(guò)二值化函數(shù)（Binarization）[12]處理，進(jìn)行二值化圖像分割，將圖像中像素點(diǎn)的灰度值大于閾值的點(diǎn)設(shè)為1（表示纖維），小于閾值的點(diǎn)設(shè)為0（表示孔隙），獲得紙張的三維重構(gòu)結(jié)構(gòu)圖；最后將孔隙和纖維分割后的圖形進(jìn)行圖像處理（Image processing），計(jì)算其體積分?jǐn)?shù)（Volume fraction）[13]，統(tǒng)計(jì)紙張三維結(jié)構(gòu)，像素點(diǎn)為0 的像素個(gè)數(shù)占圖形總像素點(diǎn)的百分?jǐn)?shù)即為紙張的孔隙率。
2 結(jié)果與討論
2.1 不同篩分級(jí)別組分纖維的含量和形態(tài)
將5 種漿料篩分后，不同的篩分纖維組分含量占比如表l 所示。其中，中長(zhǎng)組分纖維(R16、P16/R30和P30/R50)的占比從高到低依次為：馬尾松漿（57.87%）、棉漿（49.88%）、蔗渣漿（45.96%）、桉木漿（40.36%）和竹漿（40.12%），即馬尾松漿和棉漿中的長(zhǎng)纖維比重較大。
采用紙漿纖維質(zhì)量分析儀測(cè)得5 種漿料的纖維特性，其結(jié)果如表2 所示。由表2 可以看出，5 種漿料的纖維質(zhì)均長(zhǎng)度從大到小依次為：馬尾松漿、棉漿、竹漿、蔗渣漿、桉木漿，與表1中不同漿種長(zhǎng)組分纖維的占比結(jié)果基本一致。蔗渣漿和桉木漿的質(zhì)均長(zhǎng)度較小，分別為0.700 mm 和0.644 mm，短纖維比重較大；馬尾松漿和棉漿纖維的質(zhì)均長(zhǎng)度較大，中長(zhǎng)纖維比重較大，配抄時(shí)可提高蔗渣纖維間結(jié)合點(diǎn)的數(shù)量；另外，雖然竹漿纖維中的長(zhǎng)纖維占比小于蔗渣漿，但通過(guò)對(duì)竹漿和蔗渣漿的R16 組分進(jìn)行纖維質(zhì)量分析，該組分質(zhì)均長(zhǎng)度分別為1.438和1.280 mm，且R16組分纖維含量竹漿占比較大，因此導(dǎo)致竹纖維質(zhì)均長(zhǎng)度比蔗渣纖維長(zhǎng)。
表1 不同漿料篩分后的纖維組分含量占比 %
表2 不同漿種纖維的形態(tài)表征
2.2 不同漿種紙張的三維形態(tài)表征
采用CLSM 對(duì)紙張進(jìn)行Z 向斷層掃描，得到紙張的三維結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，分別采用圖像統(tǒng)計(jì)和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)得到紙張的孔隙率，其結(jié)果如表3所示。
由表3 可知，不同漿種紙張孔隙率的統(tǒng)計(jì)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)具有相同的趨勢(shì)，孔隙率由大到小依次為：棉漿、蔗渣漿、桉木漿、馬尾松漿、竹漿。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)孔隙率偏大是因?yàn)樵诩垙埨w維細(xì)胞腔吸收部分苯飽和溶液時(shí)發(fā)生潤(rùn)脹，擴(kuò)大了紙張的體積，而統(tǒng)計(jì)計(jì)算孔隙率不包含細(xì)胞腔的體積。同時(shí)，苯的極性很小，與纖維素葡萄糖大分子作用很弱，主要充斥于纖維的孔隙結(jié)構(gòu)之間，因此這種差異所帶來(lái)紙張孔隙率的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值之間的相對(duì)誤差不超過(guò)8%。相同定量的紙張，不同纖維的密度相差較小，因此紙張的厚度與孔隙率有關(guān)，當(dāng)孔隙率較大時(shí)，纖維結(jié)合不緊密，紙張的松厚度較大，纖維間的相對(duì)結(jié)合面積較小。
圖2 不同漿種紙張的三維結(jié)構(gòu)圖
表3 不同漿種所抄造紙張孔隙率的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的比較 %
從圖2 可看出，棉纖維和馬尾松纖維相較其他3種纖維粗長(zhǎng)，與表2纖維形態(tài)分析結(jié)果相一致。棉纖維和馬尾松纖維形態(tài)相似，纖維粗長(zhǎng)，但棉纖維抄制的紙張結(jié)構(gòu)疏松，結(jié)合不緊密導(dǎo)致孔隙率較大，而馬尾松纖維依靠自身長(zhǎng)度大和壁腔比小的優(yōu)勢(shì)，增加了纖維之間的結(jié)合點(diǎn)和結(jié)合面積進(jìn)而紙張的孔隙率較小。由于闊葉木柔軟度較差和纖維長(zhǎng)度小的特性，桉木纖維間的相對(duì)結(jié)合面積較小，因此孔隙率較大。蔗渣纖維在紙張中的彎曲度較小，雖然與竹纖維形態(tài)相似，但竹纖維柔軟結(jié)合緊密，孔隙率較低，配抄時(shí)可提高蔗渣紙張的緊度。
2.3 紙張物理性能
紙漿纖維對(duì)紙張的物理強(qiáng)度指標(biāo)均影響較大，如紙張撕裂度、抗張強(qiáng)度和耐破度都隨著纖維自身的強(qiáng)度以及纖維間結(jié)合強(qiáng)度的提高而改善[14]。分別檢測(cè)棉漿、馬尾松漿、竹漿、桉木漿、蔗渣漿抄造紙張的性能，其結(jié)果如表4所示。
本研究將不同漿種纖維的特性（表2）和紙張三維結(jié)構(gòu)（圖2）相結(jié)合，分析不同漿種纖維特性對(duì)紙張性能（表4）的影響因素。
（1）透氣度
通過(guò)對(duì)紙張進(jìn)行透氣度檢測(cè)，從大到小依次為:棉漿、蔗渣漿、桉木漿、馬尾松漿、竹漿。根據(jù)表3中孔隙率和表4 中透氣度的數(shù)據(jù)，可以得出以下推論：紙張的透氣度和紙張的孔隙率呈相同變化趨勢(shì)。隨著孔隙率的提高其透氣度也增大，紙張的松厚度提高，其纖維的相對(duì)結(jié)合面積降低，因此可采用紙張的孔隙率對(duì)纖維的相對(duì)結(jié)合面積進(jìn)行表征。
（2）抗張強(qiáng)度和耐破度
在5 種纖維中，棉纖維長(zhǎng)度僅次于馬尾松纖維，粗度最大，但棉纖維細(xì)胞壁較厚[15]，成紙時(shí)纖維間的接觸面積較小，結(jié)合力差，因此紙張孔隙率最大，松厚度較大，導(dǎo)致其紙張的抗張強(qiáng)度和耐破度較差。馬尾松的粗度相比棉纖維較小，形態(tài)更加細(xì)長(zhǎng)，雖然自身零距抗張指數(shù)相較棉纖維有所降低，但比表面積增加，紙張孔隙率較小，進(jìn)而紙張的物理性能最好。竹漿紙張由于竹纖維結(jié)合緊密，孔隙率最低僅為10.60%，因此耐破度和抗張強(qiáng)度較好。蔗渣纖維自身強(qiáng)度較差，同時(shí)纖維間的結(jié)合能力較差，因此其物理性能均較差。桉木纖維長(zhǎng)度較短，僅為0.644 mm，但由于闊葉木的自身特性，其零距抗張指數(shù)較大為163 N·m/g；同時(shí)，其柔軟度較差[16]，纖維之間結(jié)合能力較弱，進(jìn)而降低了紙張的抗張強(qiáng)度和耐破度。
（3）撕裂度
一方面，由于纖維結(jié)合能力差的紙張被撕裂時(shí)，較多的纖維被拉出來(lái)，而不是被拉斷，因此紙張的撕裂指數(shù)受到纖維間結(jié)合點(diǎn)數(shù)量的影響；另一方面，當(dāng)纖維間結(jié)合良好的紙張被撕裂時(shí)更多的纖維被拉斷，與纖維本身的強(qiáng)度密切相關(guān)。雖然棉纖維和桉木纖維紙張孔隙率均較大，因柔軟度較小纖維之間結(jié)合能力較弱，但棉纖維較長(zhǎng)以及桉木纖維比表面積較大，進(jìn)而增加了纖維間結(jié)合點(diǎn)的數(shù)量，導(dǎo)致其紙張撕裂指數(shù)均較大。由于馬尾松纖維結(jié)合緊密，同時(shí)自身強(qiáng)度較大，因此撕裂指數(shù)最大。竹纖維紙張孔隙率最低，纖維間結(jié)合緊密，但其自身強(qiáng)度較差，其零距抗張指數(shù)為121 N·m/g，當(dāng)紙張被撕裂時(shí)纖維更易被拉斷，因此撕裂強(qiáng)度較差。
綜上所述，蔗渣纖維由于其自身強(qiáng)度和結(jié)合能力均較差，為提高其抗張強(qiáng)度需從這兩個(gè)方面考慮。因此，本研究利用棉纖維的長(zhǎng)度優(yōu)勢(shì)、馬尾松纖維的自身強(qiáng)度和結(jié)合能力、竹纖維的結(jié)合能力以及桉木纖維自身強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，分別配抄到蔗渣漿中，研究其對(duì)蔗渣漿紙張物理性能的影響。
2.4 不同漿種與蔗渣漿配抄對(duì)紙張性能的影響
2.4.1 抗張強(qiáng)度和透氣度
圖3 為配抄纖維對(duì)蔗渣漿抄造紙張性能的影響。由圖3(a)可知，與蔗渣漿紙張相比，配抄馬尾松漿、竹漿、桉木漿和棉漿的蔗渣漿紙張的抗張指數(shù)最大分別提高了56.8%、46.3%、38.3%、26.9%。
其中，配抄馬尾松漿的蔗渣漿紙張抗張強(qiáng)度增強(qiáng)效果最為明顯。當(dāng)蔗渣漿中加入50%的馬尾松漿時(shí)，紙張的抗張指數(shù)提高了56.8%，因?yàn)檎嵩w維細(xì)小，隨著馬尾松漿的配抄，蔗渣纖維圍繞馬尾松纖維交織，提高了結(jié)合點(diǎn)的數(shù)量，圖3（b）中隨著配抄纖維比例逐漸增加，紙張的透氣度逐漸降低，根據(jù)透氣度和孔隙率趨勢(shì)一致，推論紙張孔隙率下降，因此纖維間的相對(duì)結(jié)合面積逐漸增大，同時(shí)發(fā)揮馬尾松自身纖維強(qiáng)度較大，可提高內(nèi)部纖維的強(qiáng)度和結(jié)合能力，進(jìn)而提高紙張的抗張強(qiáng)度。
表4 不同漿種的紙張物理性能對(duì)比
配抄棉漿會(huì)使蔗渣漿紙張抗張強(qiáng)度有一個(gè)先上升后下降的趨勢(shì)。棉纖維與馬尾松形態(tài)相似，但由于棉纖維自身結(jié)合性能較差，加入少量棉纖維會(huì)提高結(jié)合能力，隨著配比的增加，棉纖維自身的特性逐漸占主要因素，紙張的透氣度先下降后上升，推論紙張孔隙率先下降后上升，纖維間的相對(duì)結(jié)合面積先上升后下降，因此紙張抗張強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。
通過(guò)配抄竹漿和桉木漿均對(duì)蔗渣漿紙張的抗張強(qiáng)度有所改善，根據(jù)透氣度的趨勢(shì)，可知竹漿通過(guò)提高蔗渣纖維間的相對(duì)結(jié)合面積，而桉木漿是利用其纖維的高抗張強(qiáng)度提高內(nèi)部纖維的強(qiáng)度，進(jìn)而提高紙張的抗張強(qiáng)度。
2.4.2 耐破度
由圖3(c)可知，通過(guò)在蔗渣漿中分別配抄馬尾松漿、竹漿、桉木漿和棉漿，對(duì)混合蔗渣漿抄造紙張的耐破指數(shù)最大分別提高了99.3%、77.6%、77.6%、47.3%。
隨著竹漿和馬尾松漿配比的增加，紙張的透氣度下降（見(jiàn)圖3（b）），推論紙張的孔隙率下降，纖維間的相對(duì)結(jié)合面積增加，紙張的耐破度逐漸提高。而隨著棉漿配比的增加，透氣度先下降后上升，紙張的孔隙率先下降后上升，因此紙張的耐破度先提高后下降。
隨著桉木漿配比的增加，雖然紙張的透氣度先下降后上升，推論紙張的孔隙率先下降后上升，因此纖維間的相對(duì)結(jié)合面積先增大后減小，但由于桉木和蔗渣纖維均較短，在耐破過(guò)程中纖維的斷裂占主要因素，因此桉木纖維自身的高抗張強(qiáng)度提高了紙張的耐破度，進(jìn)而呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。
2.4.3 撕裂度
由圖3(d)可知，通過(guò)在蔗渣漿中分別配抄馬尾松漿、棉漿、桉木漿和竹漿，對(duì)混合蔗渣漿抄造紙張的撕裂指數(shù)最大分別提高了108.1%、59.3%、40.7%、36.4%。
紙張的撕裂強(qiáng)度主要由纖維長(zhǎng)度決定，其次考慮纖維之間的結(jié)合狀況。配抄竹漿、桉木漿、棉漿以及馬尾松漿對(duì)蔗渣漿抄造紙張的撕裂度有明顯的提高，隨著纖維的長(zhǎng)度增加，紙張的撕裂指數(shù)逐漸增加。當(dāng)配抄50%的馬尾松漿時(shí)，撕裂指數(shù)提高108.1%，配抄其他漿種也均提高30%～60%。
圖3 配抄纖維對(duì)蔗渣漿抄造紙張性能的影響
將圖3 和表4 中的數(shù)據(jù)對(duì)比，當(dāng)其他4 種漿分別與蔗渣漿配抄時(shí)，均存在配抄纖維抄造紙張的抗張指數(shù)、耐破指數(shù)以及撕裂指數(shù)大于單一漿種抄造紙張的該物理指標(biāo)，因此具有協(xié)同提升作用。其中，配抄馬尾松漿紙張性能提高最大，其次竹漿和蔗渣協(xié)同作用最好。
3 結(jié) 論
本研究首先對(duì)棉漿、馬尾松漿、竹漿、桉木漿和蔗渣漿纖維進(jìn)行分析，并結(jié)合激光掃描共聚焦顯微鏡（CLSM）對(duì)紙張三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征；并將棉漿、馬尾松漿、竹漿、桉木漿分別與蔗渣漿配抄，分析了配抄紙張物理性能。
3.1 利用CLSM 實(shí)現(xiàn)了紙張三維結(jié)構(gòu)的可視化，定量表征了不同漿種紙張的孔隙率，結(jié)果表明，對(duì)于不同的漿種，紙張的透氣度和孔隙率的變化趨勢(shì)一致，可用于表征相同定量紙張纖維間的相對(duì)結(jié)合面積。作為一種新的測(cè)量方法，以上5 種漿所抄紙張所得到的孔隙率計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差小于8%。
3.2 分別將竹漿、桉木漿、棉漿以及馬尾松漿配抄到蔗渣漿中，在纖維配比不超過(guò)50%的范圍內(nèi)，蔗渣纖維與其他4種纖維復(fù)配均具有協(xié)同作用，配抄的纖維對(duì)蔗渣漿紙張物理性能提升的貢獻(xiàn)度從大到小依次為：纖維結(jié)合能力、纖維自身強(qiáng)度、纖維長(zhǎng)度。其中配抄50%馬尾松漿的蔗渣漿紙張物理性能提高最大，抗張指數(shù)、耐破指數(shù)、撕裂指數(shù)分別提高了56.8%、99.3%、108.1%。
李嘉慶 沈文浩 郭 啟
（華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640）
紙張是一種多孔結(jié)構(gòu)材料，存在由纖維和孔隙組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，紙張的物理性能由纖維的特性和紙張的結(jié)構(gòu)決定[1]。由于非木材纖維抄造紙張物理性能較差，我國(guó)的紙張?jiān)牧蠘O大依靠進(jìn)口木漿和廢紙[2]，但我國(guó)擁有豐富的竹子、甘蔗等非木材植物資源，因此如何充分利用非木漿的儲(chǔ)備優(yōu)勢(shì)，提高其紙張的物理性能是一個(gè)重要研究。
紙張的物理性能主要由纖維自身特性和纖維間的結(jié)合強(qiáng)度及結(jié)合面積決定，前兩者均可通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)得，而纖維間的結(jié)合面積采用散射法測(cè)量[3]和Page 公式外推法[3]等方法均無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量。為獲取紙張纖維的結(jié)合面積，需要研究紙張的三維結(jié)構(gòu)，目前基于微計(jì)算機(jī)斷層（Micro-CT）掃描的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于水泥、巖石、紙張、骨骼等多個(gè)領(lǐng)域的三維結(jié)構(gòu)表征分析。利用X 射線的穿透性，Wang 等人[4]通過(guò)Micro-CT 掃描重構(gòu)紙張結(jié)構(gòu)，在不破壞紙張結(jié)構(gòu)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)紙張三維結(jié)構(gòu)的可視化，但由于植物纖維的直徑較小以及空氣和纖維之間的穿透性區(qū)別較小，Micro-CT 掃描纖維和纖維之間以及纖維和孔隙之間較難分離，需要定量確定閾值迭代方法進(jìn)行圖像分割，處理過(guò)程繁瑣，計(jì)算量大。而激光掃描共聚焦顯微鏡（CLSM）具有X 射線的穿透性，同時(shí)采用熒光特異性染色的原理，根據(jù)熒光的強(qiáng)弱提高不同對(duì)象之間的區(qū)分度，實(shí)現(xiàn)對(duì)象的三維可視化表征[5]。
本研究首先利用Bauer-McNett 纖維篩分儀和FS-3000 纖維質(zhì)量分析儀，定量表征棉漿、馬尾松漿、竹漿、桉木漿以及蔗渣漿纖維的特性，分析非木材纖維和木材纖維的差異。其次，結(jié)合激光掃描共聚焦顯微鏡實(shí)現(xiàn)紙張三維結(jié)構(gòu)的可視化，定量表征不同漿種所抄造紙張的孔隙率，分析影響不同漿種紙張物理性能的指標(biāo)。最終將棉漿、馬尾松漿、竹漿、桉木漿分別配抄到蔗渣漿中，研究不同漿種纖維對(duì)蔗渣漿紙張物理性能的影響，獲得抄造紙張較優(yōu)物理性能的漿料配比，為工廠采用纖維復(fù)配的方式提高蔗渣漿紙張的物理性能提供數(shù)據(jù)支撐。
1 實(shí) 驗(yàn)
1.1 原料
棉漿、馬尾松漿、竹漿、桉木漿以及蔗渣漿，均為漂白化學(xué)漿，購(gòu)自山東中紙人和制漿造紙有限公司。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1 紙漿的制備和纖維特性的測(cè)定
（1）按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 24325—2009）采用Valley 打漿機(jī)，依次對(duì)棉漿、馬尾松漿、竹漿、桉木漿、蔗渣漿進(jìn)行疏解和打漿，獲得打漿度均為（30±2）°SR的紙漿。
（2）采用FS-3000 纖維質(zhì)量分析儀對(duì)5 種漿料的纖維特性進(jìn)行表征，包括測(cè)定纖維的長(zhǎng)度、寬度和粗度。
（3）利用Bauer-McNett 纖維篩分儀對(duì)不同漿進(jìn)行纖維組分的篩分，篩網(wǎng)系列為16、30、50、100 和200 目，其中P 表示通過(guò)篩網(wǎng)、R 表示篩網(wǎng)截留，可分 別 得 到R16、P16/R30、P30/R50、P50/R100、P100/R200 5 種篩分級(jí)別的纖維，每次篩分10 g 絕干漿，篩分時(shí)間20 min。使用漿袋收集篩分后的纖維組分，并隨機(jī)抽取若干組試樣，使用CSY-L1 紙漿水分檢測(cè)儀測(cè)量各組分纖維的水分和絕干質(zhì)量。
1.2.2 紙張制備及檢測(cè)
（1）將棉漿、馬尾松漿、竹漿、桉木漿和蔗渣漿纖維，按照標(biāo)準(zhǔn)QB/T 3703—1999 使用TAPPI 手工抄片器抄造成紙張，不經(jīng)過(guò)壓榨工序，采用平板紙張干燥器將濕紙幅干燥后儲(chǔ)存于恒溫恒濕室。紙張定量為（60±2）g/m2，在抄造過(guò)程中未使用助留助濾劑和填料等助劑。
（2）以不同比例將棉漿、馬尾松漿、竹漿、桉木漿配抄到蔗渣漿中混合抄造成紙張，紙張定量為（60±2）g/m2，在抄造過(guò)程中未使用助留助濾劑和填料等助劑。
（3）將上述手抄紙張，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 24323—2009）檢測(cè)其物理性能，其中抗張強(qiáng)度采用L&W 抗張強(qiáng)度測(cè)定儀（066）檢測(cè)，零距抗張強(qiáng)度采用零距抗張強(qiáng)度測(cè)定儀（Z-Span2000）檢測(cè)，撕裂度采用L&W 撕裂度測(cè)定儀（HK-224C）檢測(cè)，耐破度采用L&W 耐破度測(cè)定儀（CE180）檢測(cè)，透氣度采用L&W透氣度儀（166）檢測(cè)。
1.2.3 紙張孔隙率的測(cè)定
孔隙率是指紙張的孔隙體積與紙張總體積之比，將紙張裁切成5 cm×5 cm 的正方形放入烘箱中，在100℃下干燥4 h 后，取出置于干燥器內(nèi)冷卻。將在恒溫恒濕室中（溫度23℃，相對(duì)濕度50%）處理的紙張浸入高純度的苯4 h，使用濾紙將紙張兩面過(guò)多苯吸收，稱量紙張質(zhì)量為W1，之后將紙樣置于105℃烘箱中干燥至絕干質(zhì)量為W2，紙張的體積為紙張的橫截面積（抄造紙張橫截面積均為0.02 m2）乘以浸入苯之前紙張的厚度，孔隙率（φ）計(jì)算見(jiàn)公式（1）。
式中，V 為紙張的體積；d 為苯的密度，0.88 g/mL。
1.2.4 紙張Z向斷層掃描圖片的獲取
（1）熒光檢測(cè)樣品的制備
選取上述經(jīng)Valley 打漿機(jī)處理后的桉木漿，稱取1.2 g 絕干漿，加入到50 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的番紅-O溶液中，在室溫下密封避光保存24 h，通過(guò)配制番紅-O 溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和控制染色時(shí)間來(lái)獲得最佳的熒光信號(hào)。染色完成后，使用TAPPI手工抄片器將所染色的漿料抄造成紙張，不經(jīng)過(guò)壓榨工序，濕紙幅通過(guò)平板紙張干燥器干燥后避光保存。馬尾松漿、竹漿、棉漿以及蔗渣漿按照上述熒光染色處理后分別抄造紙張，以備測(cè)試。
選擇帶有凹槽的石英載玻片，剪取約0.5 cm×0.5 cm 的正方形紙張，將其放在載玻片的凹槽中，用甘油對(duì)載玻片四周進(jìn)行固定。
（2）紙張Z向斷層掃描
采用激光掃描共聚焦顯微鏡（CLSM，Leica TCS-SP5）對(duì)紙張進(jìn)行斷層掃描，獲得紙張Z 向截面圖。CLSM 各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定：10 倍物鏡（數(shù)值孔徑0.4）；He-Ne 543 nm 激光，由于番紅染料的發(fā)色基團(tuán)激發(fā)波長(zhǎng)是470 ～555 nm，所以選擇激光的激發(fā)波長(zhǎng)是543 nm，而接收光譜范圍是553～629 nm[6]；激光器強(qiáng)度設(shè)定為20%；選擇1024×1024 分辨率和100 Hz的頻率進(jìn)行斷層掃描；Z 向掃描的步長(zhǎng)為0.12 μm。在檢測(cè)過(guò)程中，需避光快速完成激光掃描，防止光漂白。
1.3 紙張三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建
1.3.1 圖像的模式
CLSM的基本成像模式是XY平面，或焦平面樣本的一部分，因此形成的圖像只是一個(gè)二維平面，而不是整個(gè)樣本對(duì)象[7]。由于CLSM 的照明針孔與探測(cè)針孔相對(duì)于物鏡焦平面是共軛的，焦平面上的點(diǎn)同時(shí)聚焦于照明針孔與探測(cè)針孔，焦平面以外的點(diǎn)不會(huì)在探測(cè)針孔處成像，通過(guò)調(diào)節(jié)焦距觀察Z向截面，可以成像一系列焦平面光學(xué)截面，不同截面不會(huì)相互影響[8]。紙張三維圖像的獲取及其處理流程如圖1所示，其中，這些二維光學(xué)截面可以堆疊起來(lái)構(gòu)成紙張的三維圖像，確定紙張的孔隙率。
1.3.2 圖像處理
圖1 紙張三維圖像的獲取及處理流程圖
本研究采用圖像處理軟件Avizo 9.0.1[9]對(duì)CLSM獲取的紙張Z向截面圖進(jìn)行多種形式的閾值分割、形態(tài)學(xué)處理和計(jì)算等操作，實(shí)現(xiàn)紙張三維結(jié)構(gòu)的可視化表征。圖像處理的基本流程為：首先將斷層掃描的多張圖片載入；然后通過(guò)中值濾波函數(shù)（Median filter）[10]處理圖像使其平滑，避免局部纖維未染色及局部發(fā)生光漂白的情況，使纖維完整；再采用自動(dòng)閾值處理（Auto thresholding）[11]對(duì)圖像體素的灰度（0～255）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定閾值，通過(guò)二值化函數(shù)（Binarization）[12]處理，進(jìn)行二值化圖像分割，將圖像中像素點(diǎn)的灰度值大于閾值的點(diǎn)設(shè)為1（表示纖維），小于閾值的點(diǎn)設(shè)為0（表示孔隙），獲得紙張的三維重構(gòu)結(jié)構(gòu)圖；最后將孔隙和纖維分割后的圖形進(jìn)行圖像處理（Image processing），計(jì)算其體積分?jǐn)?shù)（Volume fraction）[13]，統(tǒng)計(jì)紙張三維結(jié)構(gòu)，像素點(diǎn)為0 的像素個(gè)數(shù)占圖形總像素點(diǎn)的百分?jǐn)?shù)即為紙張的孔隙率。
2 結(jié)果與討論
2.1 不同篩分級(jí)別組分纖維的含量和形態(tài)
將5 種漿料篩分后，不同的篩分纖維組分含量占比如表l 所示。其中，中長(zhǎng)組分纖維(R16、P16/R30和P30/R50)的占比從高到低依次為：馬尾松漿（57.87%）、棉漿（49.88%）、蔗渣漿（45.96%）、桉木漿（40.36%）和竹漿（40.12%），即馬尾松漿和棉漿中的長(zhǎng)纖維比重較大。
采用紙漿纖維質(zhì)量分析儀測(cè)得5 種漿料的纖維特性，其結(jié)果如表2 所示。由表2 可以看出，5 種漿料的纖維質(zhì)均長(zhǎng)度從大到小依次為：馬尾松漿、棉漿、竹漿、蔗渣漿、桉木漿，與表1中不同漿種長(zhǎng)組分纖維的占比結(jié)果基本一致。蔗渣漿和桉木漿的質(zhì)均長(zhǎng)度較小，分別為0.700 mm 和0.644 mm，短纖維比重較大；馬尾松漿和棉漿纖維的質(zhì)均長(zhǎng)度較大，中長(zhǎng)纖維比重較大，配抄時(shí)可提高蔗渣纖維間結(jié)合點(diǎn)的數(shù)量；另外，雖然竹漿纖維中的長(zhǎng)纖維占比小于蔗渣漿，但通過(guò)對(duì)竹漿和蔗渣漿的R16 組分進(jìn)行纖維質(zhì)量分析，該組分質(zhì)均長(zhǎng)度分別為1.438和1.280 mm，且R16組分纖維含量竹漿占比較大，因此導(dǎo)致竹纖維質(zhì)均長(zhǎng)度比蔗渣纖維長(zhǎng)。
表1 不同漿料篩分后的纖維組分含量占比 %
表2 不同漿種纖維的形態(tài)表征
2.2 不同漿種紙張的三維形態(tài)表征
采用CLSM 對(duì)紙張進(jìn)行Z 向斷層掃描，得到紙張的三維結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，分別采用圖像統(tǒng)計(jì)和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)得到紙張的孔隙率，其結(jié)果如表3所示。
由表3 可知，不同漿種紙張孔隙率的統(tǒng)計(jì)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)具有相同的趨勢(shì)，孔隙率由大到小依次為：棉漿、蔗渣漿、桉木漿、馬尾松漿、竹漿。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)孔隙率偏大是因?yàn)樵诩垙埨w維細(xì)胞腔吸收部分苯飽和溶液時(shí)發(fā)生潤(rùn)脹，擴(kuò)大了紙張的體積，而統(tǒng)計(jì)計(jì)算孔隙率不包含細(xì)胞腔的體積。同時(shí)，苯的極性很小，與纖維素葡萄糖大分子作用很弱，主要充斥于纖維的孔隙結(jié)構(gòu)之間，因此這種差異所帶來(lái)紙張孔隙率的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值之間的相對(duì)誤差不超過(guò)8%。相同定量的紙張，不同纖維的密度相差較小，因此紙張的厚度與孔隙率有關(guān)，當(dāng)孔隙率較大時(shí)，纖維結(jié)合不緊密，紙張的松厚度較大，纖維間的相對(duì)結(jié)合面積較小。
圖2 不同漿種紙張的三維結(jié)構(gòu)圖
表3 不同漿種所抄造紙張孔隙率的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的比較 %
從圖2 可看出，棉纖維和馬尾松纖維相較其他3種纖維粗長(zhǎng)，與表2纖維形態(tài)分析結(jié)果相一致。棉纖維和馬尾松纖維形態(tài)相似，纖維粗長(zhǎng)，但棉纖維抄制的紙張結(jié)構(gòu)疏松，結(jié)合不緊密導(dǎo)致孔隙率較大，而馬尾松纖維依靠自身長(zhǎng)度大和壁腔比小的優(yōu)勢(shì)，增加了纖維之間的結(jié)合點(diǎn)和結(jié)合面積進(jìn)而紙張的孔隙率較小。由于闊葉木柔軟度較差和纖維長(zhǎng)度小的特性，桉木纖維間的相對(duì)結(jié)合面積較小，因此孔隙率較大。蔗渣纖維在紙張中的彎曲度較小，雖然與竹纖維形態(tài)相似，但竹纖維柔軟結(jié)合緊密，孔隙率較低，配抄時(shí)可提高蔗渣紙張的緊度。
2.3 紙張物理性能
紙漿纖維對(duì)紙張的物理強(qiáng)度指標(biāo)均影響較大，如紙張撕裂度、抗張強(qiáng)度和耐破度都隨著纖維自身的強(qiáng)度以及纖維間結(jié)合強(qiáng)度的提高而改善[14]。分別檢測(cè)棉漿、馬尾松漿、竹漿、桉木漿、蔗渣漿抄造紙張的性能，其結(jié)果如表4所示。
本研究將不同漿種纖維的特性（表2）和紙張三維結(jié)構(gòu)（圖2）相結(jié)合，分析不同漿種纖維特性對(duì)紙張性能（表4）的影響因素。
（1）透氣度
通過(guò)對(duì)紙張進(jìn)行透氣度檢測(cè)，從大到小依次為:棉漿、蔗渣漿、桉木漿、馬尾松漿、竹漿。根據(jù)表3中孔隙率和表4 中透氣度的數(shù)據(jù)，可以得出以下推論：紙張的透氣度和紙張的孔隙率呈相同變化趨勢(shì)。隨著孔隙率的提高其透氣度也增大，紙張的松厚度提高，其纖維的相對(duì)結(jié)合面積降低，因此可采用紙張的孔隙率對(duì)纖維的相對(duì)結(jié)合面積進(jìn)行表征。
（2）抗張強(qiáng)度和耐破度
在5 種纖維中，棉纖維長(zhǎng)度僅次于馬尾松纖維，粗度最大，但棉纖維細(xì)胞壁較厚[15]，成紙時(shí)纖維間的接觸面積較小，結(jié)合力差，因此紙張孔隙率最大，松厚度較大，導(dǎo)致其紙張的抗張強(qiáng)度和耐破度較差。馬尾松的粗度相比棉纖維較小，形態(tài)更加細(xì)長(zhǎng)，雖然自身零距抗張指數(shù)相較棉纖維有所降低，但比表面積增加，紙張孔隙率較小，進(jìn)而紙張的物理性能最好。竹漿紙張由于竹纖維結(jié)合緊密，孔隙率最低僅為10.60%，因此耐破度和抗張強(qiáng)度較好。蔗渣纖維自身強(qiáng)度較差，同時(shí)纖維間的結(jié)合能力較差，因此其物理性能均較差。桉木纖維長(zhǎng)度較短，僅為0.644 mm，但由于闊葉木的自身特性，其零距抗張指數(shù)較大為163 N·m/g；同時(shí)，其柔軟度較差[16]，纖維之間結(jié)合能力較弱，進(jìn)而降低了紙張的抗張強(qiáng)度和耐破度。
（3）撕裂度
一方面，由于纖維結(jié)合能力差的紙張被撕裂時(shí)，較多的纖維被拉出來(lái)，而不是被拉斷，因此紙張的撕裂指數(shù)受到纖維間結(jié)合點(diǎn)數(shù)量的影響；另一方面，當(dāng)纖維間結(jié)合良好的紙張被撕裂時(shí)更多的纖維被拉斷，與纖維本身的強(qiáng)度密切相關(guān)。雖然棉纖維和桉木纖維紙張孔隙率均較大，因柔軟度較小纖維之間結(jié)合能力較弱，但棉纖維較長(zhǎng)以及桉木纖維比表面積較大，進(jìn)而增加了纖維間結(jié)合點(diǎn)的數(shù)量，導(dǎo)致其紙張撕裂指數(shù)均較大。由于馬尾松纖維結(jié)合緊密，同時(shí)自身強(qiáng)度較大，因此撕裂指數(shù)最大。竹纖維紙張孔隙率最低，纖維間結(jié)合緊密，但其自身強(qiáng)度較差，其零距抗張指數(shù)為121 N·m/g，當(dāng)紙張被撕裂時(shí)纖維更易被拉斷，因此撕裂強(qiáng)度較差。
綜上所述，蔗渣纖維由于其自身強(qiáng)度和結(jié)合能力均較差，為提高其抗張強(qiáng)度需從這兩個(gè)方面考慮。因此，本研究利用棉纖維的長(zhǎng)度優(yōu)勢(shì)、馬尾松纖維的自身強(qiáng)度和結(jié)合能力、竹纖維的結(jié)合能力以及桉木纖維自身強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，分別配抄到蔗渣漿中，研究其對(duì)蔗渣漿紙張物理性能的影響。
2.4 不同漿種與蔗渣漿配抄對(duì)紙張性能的影響
2.4.1 抗張強(qiáng)度和透氣度
圖3 為配抄纖維對(duì)蔗渣漿抄造紙張性能的影響。由圖3(a)可知，與蔗渣漿紙張相比，配抄馬尾松漿、竹漿、桉木漿和棉漿的蔗渣漿紙張的抗張指數(shù)最大分別提高了56.8%、46.3%、38.3%、26.9%。
其中，配抄馬尾松漿的蔗渣漿紙張抗張強(qiáng)度增強(qiáng)效果最為明顯。當(dāng)蔗渣漿中加入50%的馬尾松漿時(shí)，紙張的抗張指數(shù)提高了56.8%，因?yàn)檎嵩w維細(xì)小，隨著馬尾松漿的配抄，蔗渣纖維圍繞馬尾松纖維交織，提高了結(jié)合點(diǎn)的數(shù)量，圖3（b）中隨著配抄纖維比例逐漸增加，紙張的透氣度逐漸降低，根據(jù)透氣度和孔隙率趨勢(shì)一致，推論紙張孔隙率下降，因此纖維間的相對(duì)結(jié)合面積逐漸增大，同時(shí)發(fā)揮馬尾松自身纖維強(qiáng)度較大，可提高內(nèi)部纖維的強(qiáng)度和結(jié)合能力，進(jìn)而提高紙張的抗張強(qiáng)度。
表4 不同漿種的紙張物理性能對(duì)比
配抄棉漿會(huì)使蔗渣漿紙張抗張強(qiáng)度有一個(gè)先上升后下降的趨勢(shì)。棉纖維與馬尾松形態(tài)相似，但由于棉纖維自身結(jié)合性能較差，加入少量棉纖維會(huì)提高結(jié)合能力，隨著配比的增加，棉纖維自身的特性逐漸占主要因素，紙張的透氣度先下降后上升，推論紙張孔隙率先下降后上升，纖維間的相對(duì)結(jié)合面積先上升后下降，因此紙張抗張強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。
通過(guò)配抄竹漿和桉木漿均對(duì)蔗渣漿紙張的抗張強(qiáng)度有所改善，根據(jù)透氣度的趨勢(shì)，可知竹漿通過(guò)提高蔗渣纖維間的相對(duì)結(jié)合面積，而桉木漿是利用其纖維的高抗張強(qiáng)度提高內(nèi)部纖維的強(qiáng)度，進(jìn)而提高紙張的抗張強(qiáng)度。
2.4.2 耐破度
由圖3(c)可知，通過(guò)在蔗渣漿中分別配抄馬尾松漿、竹漿、桉木漿和棉漿，對(duì)混合蔗渣漿抄造紙張的耐破指數(shù)最大分別提高了99.3%、77.6%、77.6%、47.3%。
隨著竹漿和馬尾松漿配比的增加，紙張的透氣度下降（見(jiàn)圖3（b）），推論紙張的孔隙率下降，纖維間的相對(duì)結(jié)合面積增加，紙張的耐破度逐漸提高。而隨著棉漿配比的增加，透氣度先下降后上升，紙張的孔隙率先下降后上升，因此紙張的耐破度先提高后下降。
隨著桉木漿配比的增加，雖然紙張的透氣度先下降后上升，推論紙張的孔隙率先下降后上升，因此纖維間的相對(duì)結(jié)合面積先增大后減小，但由于桉木和蔗渣纖維均較短，在耐破過(guò)程中纖維的斷裂占主要因素，因此桉木纖維自身的高抗張強(qiáng)度提高了紙張的耐破度，進(jìn)而呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。
2.4.3 撕裂度
由圖3(d)可知，通過(guò)在蔗渣漿中分別配抄馬尾松漿、棉漿、桉木漿和竹漿，對(duì)混合蔗渣漿抄造紙張的撕裂指數(shù)最大分別提高了108.1%、59.3%、40.7%、36.4%。
紙張的撕裂強(qiáng)度主要由纖維長(zhǎng)度決定，其次考慮纖維之間的結(jié)合狀況。配抄竹漿、桉木漿、棉漿以及馬尾松漿對(duì)蔗渣漿抄造紙張的撕裂度有明顯的提高，隨著纖維的長(zhǎng)度增加，紙張的撕裂指數(shù)逐漸增加。當(dāng)配抄50%的馬尾松漿時(shí)，撕裂指數(shù)提高108.1%，配抄其他漿種也均提高30%～60%。
圖3 配抄纖維對(duì)蔗渣漿抄造紙張性能的影響
將圖3 和表4 中的數(shù)據(jù)對(duì)比，當(dāng)其他4 種漿分別與蔗渣漿配抄時(shí)，均存在配抄纖維抄造紙張的抗張指數(shù)、耐破指數(shù)以及撕裂指數(shù)大于單一漿種抄造紙張的該物理指標(biāo)，因此具有協(xié)同提升作用。其中，配抄馬尾松漿紙張性能提高最大，其次竹漿和蔗渣協(xié)同作用最好。
3 結(jié) 論
本研究首先對(duì)棉漿、馬尾松漿、竹漿、桉木漿和蔗渣漿纖維進(jìn)行分析，并結(jié)合激光掃描共聚焦顯微鏡（CLSM）對(duì)紙張三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征；并將棉漿、馬尾松漿、竹漿、桉木漿分別與蔗渣漿配抄，分析了配抄紙張物理性能。
3.1 利用CLSM 實(shí)現(xiàn)了紙張三維結(jié)構(gòu)的可視化，定量表征了不同漿種紙張的孔隙率，結(jié)果表明，對(duì)于不同的漿種，紙張的透氣度和孔隙率的變化趨勢(shì)一致，可用于表征相同定量紙張纖維間的相對(duì)結(jié)合面積。作為一種新的測(cè)量方法，以上5 種漿所抄紙張所得到的孔隙率計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差小于8%。
3.2 分別將竹漿、桉木漿、棉漿以及馬尾松漿配抄到蔗渣漿中，在纖維配比不超過(guò)50%的范圍內(nèi)，蔗渣纖維與其他4種纖維復(fù)配均具有協(xié)同作用，配抄的纖維對(duì)蔗渣漿紙張物理性能提升的貢獻(xiàn)度從大到小依次為：纖維結(jié)合能力、纖維自身強(qiáng)度、纖維長(zhǎng)度。其中配抄50%馬尾松漿的蔗渣漿紙張物理性能提高最大，抗張指數(shù)、耐破指數(shù)、撕裂指數(shù)分別提高了56.8%、99.3%、108.1%。
