多次回用对OCC浆料强度及纤维表面性能的影响

巫 山唐艳军,2赵 宇薛国新,＊

(1.浙江理工大学,浙江杭州,310018;2.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640)

多次回用对OCC浆料强度及纤维表面性能的影响

巫 山1唐艳军1,2赵 宇1薛国新1,＊

(1.浙江理工大学,浙江杭州,310018;2.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640)

研究了旧瓦楞纸箱(OCC)浆料多次回用过程中纤维物理强度的变化,并借助扫描电镜(SEM)和傅里叶红外光谱(FTI R)表面分析手段对回用纤维的表面性能进行了分析。研究表明,回用过程中纸张物理强度性能呈下降趋势。与原纸的裂断长、耐折度、撕裂指数、环压指数和耐破指数相比,2次回用纸分别减少了34.0%、80.0%、42.2%、45.5%、49.6%;而从2次回用纸到5次回用纸时裂断长、撕裂指数、环压指数和耐破指数分别减少了27.3%、37.1%、23.9%、35.3%。在回用过程中OCC浆料纤维的保水值也呈下降趋势,原浆到2次回用浆时减少了12.5%;而从2次回用浆到5次回用浆时减少了20.6%。SEM分析结果显示,随着回用次数的增加,纤维表面变得越来越粗糙,当回用次数达到3次时纤维有裂开的痕迹。FT-IR分析表明,随着OCC浆料回用次数的增加,氢键特征吸收频率发生偏移,表明纤维-纤维间不可逆氢键增加。

OCC浆料;回用;不可逆氢键;纤维角质化

近年来造纸原料日益短缺,特别是制浆工业面临的环境污染和能耗问题,使人们对二次纤维即废纸的利用越来越重视。废纸已成为我国造纸业最重要的一种纤维原料,2008年消费废纸浆的比例已经超过60%[1]。随着二次纤维回用次数的增加,回用纸的严重缺陷——纤维角质化影响了废纸回收利用。本研究以旧瓦楞纸箱(OCC)为原料,进行了二次纤维的多次回用实验。通过检测成纸性能来分析回用对纤维品质产生的影响,同时,对多次回用的纤维的表面性能进行分析,旨为二次纤维品质衰变规律和衰变机理提供理论支持。

1 实 验

1.1 原料

高得率阔叶木浆为主的旧瓦楞纸箱(OCC)取自浙江某纸业有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 OCC浆料的回用

将旧瓦楞纸箱撕成15 mm×15 mm的碎片,浸泡一段时间;调整浆料浓度为10%,用美国Adirondack Machine公司N-100T高浓水力碎浆机碎解15 min;平衡水分,待打浆备用。采用ZQS2-23型打浆机打浆,打浆浓度为2%,使OCC浆料打浆度至(31± 1)°SR。在ZQJ1-B-Ⅱ型纸样抄取器上抄制瓦楞原纸,定量为112 g/m2。回用纸为先经老化、浸泡后再抄造的纸[2]。

1.2.2 纤维保水值的测定[3]

采用离心法测定纤维保水值。称取绝干质量相当于1.5 g的浆料,疏解后在2800 r/min的转速下离心处理15 min。称取湿、干浆料的质量,两者之差与绝干浆料质量的比值即为纤维保水值。

式中:m1为离心后湿浆的质量,g;m2为绝干浆的质量,g。

1.2.3 纤维表面性能分析

对OCC原浆、回用次数为1次、3次、5次下所抄瓦楞原纸进行扫描电镜观察。将预先制备好的纸样使用中镜科仪公司TPM-900数显红外烘烤灯干燥5min左右,然后使用日本JEOL公司JFC-1600真空离子溅射仪进行喷金处理,最后使用日本JEOL公司JS M-5610LV扫描电子显微镜在放大倍数为1000倍下对回用纤维进行观察。利用美国热电公司Nicolet 5700型傅里叶变换红外光谱仪采用衰减全反射表征纤维样品的红外光谱变化。

1.2.4 纸张物理强度检测

按照国家标准检测瓦楞原纸物理强度[3]。

2 结果与讨论

本实验采用浙江某纸业公司同一批次旧瓦楞纸箱为原料,在进行浆料的1次疏解和抄片之后,对所抄造的瓦楞原纸采用实验室标准老化处理以间接反映纸产品进入流通过程中所承受的各种物理化学变化,即一次实验室标准老化过程相当于纸的一次使用流通过程[2]。

2.1 多次回用对瓦楞原纸物理性能的影响

随着回用次数的增加,纤维的物理和化学性能发生衰变,从而引起纸张物理强度的变化。一般来说,化学浆纤维经多次回用后,撕裂度和挺度变化不明显,而伸长率、裂断长和耐折度有所下降。而对于机械浆和化学机械浆,其情况则有所不同[4]。由于各研究者的实验条件不同,许多前期研究的结果在强度指标变化规律上不尽相同,甚至有相反的现象[5-6]。

为了解OCC浆料的回用性能,对回用过程中瓦楞原纸的主要物理强度指标进行了测试并比较。实验采用机械处理、老化处理对OCC浆料再生循环使用5次进行了模拟实验。随着回用次数的增加,瓦楞原纸的裂断长、耐折度、撕裂指数、环压指数和耐破指数的变化情况如图1～图3所示。

从图1可以看出,随着OCC浆料不断回用,瓦楞原纸的裂断长和耐折度均有不同程度的降低,但经过2次回用后,其变化较为平缓。裂断长由最初的2.62 km下降到2次回用时的1.73 km,下降幅度近34.0%;而从第2次回用到第5次回用中纸张裂断长下降到1.25 km,下降了27.3%。耐折度2次回用时已从最初的5次降至最低次数1次,下降了近80.0%;而从2次回用到5次回用的过程中,瓦楞原纸的耐折度没有变化,均为1次。

由图2可知,随着纤维回用次数的增加,瓦楞原纸的撕裂指数和环压指数都在前2次回用过程中有着较大幅度的降低。但从第2次回用到第5次回用时变化较为平缓。撕裂指数从最初的5.55 mN·m2/g下降到2次回用时的3.21 mN·m2/g,下降了42.2%;而从第2次回用到第5次回用时撕裂指数下降到2.02 mN·m2/g,下降了37.1%。环压指数由最初的6.46 N·m/g下降到2次回用时的3.52 N·m/g,下降了45.5%;而从第2次回用到第5次回用,纸张环压指数下降到2.68 N·m/g,下降幅度为23.9%。

图3显示,OCC浆料多次回用导致瓦楞原纸的耐破指数也明显下降;由最初的1.35 kPa·m2/g下降到2次回用时的0.68 kPa·m2/g,下降了49.6%;而从第2次回用到第5次回用时耐破指数下降到0.44 kPa·m2/g,下降幅度为35.3%。

综上所述,随着OCC浆料回用次数的增加,纸张强度性能都有着不同程度的下降。纸张性能衰变一般可归因于两方面[4]。一方面,随着回用次数的增加,纤维角质化程度逐渐增强,纤维与纤维之间氢键的亲合程度减弱,从而导致纤维之间结合力减小,促使纸张性能下降;另一方面,碎解、打浆作用会使纤维长度变短且产生大量的微细组分,这些微细组分在纤维回用时只起填充纸张的作用,而对纤维间的结合强度毫无贡献,因而使纸张强度下降。

2.2 多次回用对浆料保水值的影响

保水值表征浆料与水亲合能力的大小,即纤维的润胀程度。保水值的大小与纤维的活性密切相关,保水值越大表示纤维越容易交联且结合强度也越大。保水值随纤维素材料超分子结构及聚合状态等内部结构的改变而改变,可以反映内部试剂可及的程度以及纤维细纤维化的程度[7]。图4反映了OCC浆料回用次数与浆料保水值之间的关系。

图4 多次回用对浆料保水值的影响

从图4可以看出,随着回用次数的增加,浆料保水值呈下降趋势。从OCC原浆的保水值为250.8%下降到2次回用浆时的219.4%,减少了12.5%;而从2次回用浆到5次回用浆时下降到174.2%,下降的幅度达到20.6%。

纤维表面丰富的羧基能提高纤维的润胀性和柔软性,增强纸张中纤维的成键能力。但多次回用导致纤维表面的亲水性基团减少,纤维润胀能力下降,从而导致浆料保水值降低。

2.3 不同回用次数下纤维的形态

对OCC原浆、1次回用、3次回用、5次回用浆料在同一区域内不同纤维进行扫描电镜观察。观察不同纤维表面状况,选取具有区域代表性的纤维表面进行拍照(见图5～图8)。

从图5～图8可以明显看出,随着回用次数的增加,纤维表面变得越来越粗糙,而且OCC浆料从第3次回用到第5次回用时纤维表面都有裂开的痕迹。这说明纤维本身强度在下降,纤维存在角质化现象,从而导致纤维润胀性降低,加快了纤维强度的衰变。这也是纸张裂断长、耐折度、撕裂指数、环压指数、耐破指数以及浆料保水值下降的内在原因。

2.4 不同回用次数下纤维的氢键分析

有文献指出[8],纸张干燥过程中纤维-纤维间的不可逆氢键对纤维强度衰变有一定程度的影响。在OCC浆料多次回用过程中,纤维经干燥再润湿,其间的某些氢键无法再打开,不能与水分子形成氢键结合,从而导致纤维润胀性能下降,保水值降低以及引起纤维角质化。

红外光谱分析是表征纤维氢键的有效方法之一,吸收波数和谱带宽度的变化是氢键强度的一种量度。图9为OCC浆料多次回用过程中纤维的红外光谱图。

图9 不同回用次数下纤维的FT-IR谱

从图9不难看出,纤维在3600～3200 cm-1和 1300～800 cm-1之间有较宽的谱带,这说明纤维有着较强的氢键。另外,根据FT-I R数据分析,随着回用次数增加,纤维在3600～3200 cm-1间的吸收峰向低波数方向偏移。这与文献[8]所报道的桉木浆回用过程中纤维红外光谱表征结果是一致的。可以认为,随着回用次数的增加,纤维-纤维间不可逆氢键增加,使得回用纤维的润胀性能下降,从而加快了纤维强度的衰变。

3 结 论

3.1 进行了OCC浆料的多次回用实验,探讨了多次回用过程纤维强度的衰变规律。随着回用次数的增加,瓦楞原纸的裂断长、耐折度、撕裂指数、环压指数和耐破指数均呈明显下降趋势,浆料的保水性能也明显变差。

3.2 对多次回用过程纤维的表面性能进行了分析, SEM结果表明,多次回用后,纤维表面变得越来越粗糙,当回用3次以后纤维表面出现裂痕。这可以直观反映出纤维本身强度在下降,纤维出现角质化现象。

3.3 FT-IR分析显示,随着回用次数的增加,纤维在3600～3200 cm-1间的吸收峰向低波数方向偏移。随着回用次数的增加,纤维-纤维间不可逆氢键增加,使纤维的润胀性能下降,加快了纤维强度的衰变。

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[2] 阚兴传,杨本彬,万小红,等.两性聚丙烯酰胺在瓦楞纸板回收过程中的应用[J].西南造纸,2006,35(6):20.

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[8] 肖 青,万金全.桉木浆回用过程中纤维物理化学性能的变化[J].造纸科学与技术,2008,27(6):59.

Abstract:In this paper,the change ofphysical strength of recycledOCC fiberswas studied,and the surface propertiesof recycled fiber sampleswere characterized by SEM and FT-I R techniques.Itwas shown that the physical strength of recycled fibers dropped sharplywith the increase of recycling time.After recycling for the first2 times,the breaking length,folding strength,tear index,ring crush index and burst index of the recycled fiberswas reduced by 34.0%,80.0%,42.2%,45.5%,49.6%,respectively.Up to the fifth-time recycling,a significant change in the physical strength of the recycled fibers happened,correspondingly.Moreover,the water retention value decreased by 12.5%after the first 2 times recycling,also decreased by 20.6%from the second to the fifth-time recycling ofOCC fibers.Itwas observed by SEM that the surface of the recycled fibers seemed to exhibit rougher and rougher,even appeared the trace of crack,which was probably due to the fiber’s hornification in the recycling process.According to the spectra of FT-IR,itwas inferred thatwith the recycling time increasing,the hydrogen bond of fiber-fiber increased which promoted the decay of fiber surface strength.

Keywords:OCC pulp;recycling;irreversible hydrogen bond;fiber hornification

(责任编辑:关 颖)

Influence of Recycling on OCC Pulp Strength and FiberSurface Properties

WU Shan1TANG Yan-jun1,2ZHAO Yu1XUE Guo-xin1,＊

(1.Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou,Zhejiang Province,310018;

2.State Key Lab of Pulp and Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640)
(＊E-mail:guoxin@zstu.edu.cn)

TS724

A

1000-6842(2010)03-0038-04

2010-04-02(修改稿)

浙江省科技计划一般项目(2009C31054)和制浆造纸工程国家重点实验室开放基金(200818)。

巫 山,1985年生,男;在读硕士研究生;研究方向:二次纤维回用技术。

＊通信联系人:薛国新,E-mail:guoxin@zstu.edu.cn。