改性玉米秆髓对纸张物理强度的影响

2011-09-27李士勇,孙广卫,韩颖,丁旭,杨汝男

大连工业大学学报 2011年6期

李士勇, 孙广卫, 韩颖, 丁旭, 杨汝男

( 大连工业大学辽宁省高校制浆造纸工程重点实验室, 辽宁大连 116034 )

0 引言

我国的生物质资源十分丰富,年产量约11 145亿吨,仅生物秸秆就达7亿多吨 ,其中玉米秸秆约占35%[1]。

玉米秸秆由秸皮、髓和秸叶组成。由于玉米秸秆的外皮中所含纤维强度高、韧性好,目前已被用来造纸,制人造板,尤其是在玉米秸秆皮穰分离机[2]发明后,应用更为广泛。而秆髓每年产量在1 700万吨左右,仅有少量用来加工饲料和制作一次性餐具[3],并没有进行高值利用。本论文针对玉米秆髓在造纸行业纸张增强剂方面进行了有效的探索。

1 试验

1.1 原料

玉米秸秆,产自大连市,贮存时间一年以上；杨木碱性过氧化氢机械浆(APMP),由河南濮阳龙丰纸业提供。

1.2 方法

1.2.2 秆髓处理方法

1.2.2.1 探索性试验

将玉米秆髓切成火柴杆状大小的细条,经水煮排气后,用体积比为1∶1的过氧化氢和冰醋酸浸没原料,在60 ℃下处理数小时,直至分离成单根纤维。

1.2.2.2 NaClO2处理玉米秆髓工艺

天然玉米秆髓→植物粉碎机粉碎→过18目筛→NaClO2用量30%,冰乙酸5 mL,在温度85 ℃下处理2 h(固液质量比为1∶30)→洗涤→改性玉米秆髓(以下称NaClO2改性玉米秆髓)。

1.2.3 抄片试验

按照一定比例将NaClO2改性玉米秆髓与APMP浆混合均匀,用ZQJ 1-A型纸样抄取器进行抄片试验,定量为70 g/m2。

1.2.4 物理强度指标的检测

打浆度、白度、裂断长、撕裂度、耐破度和厚度均按国家标准进行测定。

2 结果与讨论

2.1 玉米秆髓做纸张增强剂的可行性

增强对象首先选择杂细胞含量较低、强度较差的(与化学浆相比)高得率木浆或者微细组分较少的废纸浆。本试验选用杨木APMP来做试验。

探索性试验表明,玉米秆髓可被解离成单细胞,成糊状。

将解离后的玉米秆髓与APMP原浆混合,抄片测其物理强度,其强度与APMP原浆比较结果见表1。

从表1可以看出,加秆髓手抄片的物理强度明显比未加秆髓高。其裂断长提高21.28%,撕裂指数提高80.79%,因此,可以证明改性后的玉米秆髓对纸张物理指标有增强作用。这是由于玉米秆髓中含有较多的半纤维素及粗蛋白、粗纤维、淀粉等聚糖类物质与半纤维素的作用类似,不仅有利于打浆,还能够增加纤维间的结合力,而且对提高纸张的裂断长、撕裂度等物理强度有利。

由于探索性试验中所使用的是纯过氧化氢和冰醋酸,用量大、成本高,因此,本论文采用NaClO2处理玉米秆髓。因为NaClO2与过氧化氢和冰醋酸的作用类似,不仅可以去除部分木素,还具有漂白作用,且成本较低。

2.2 NaClO2改性玉米秆髓最佳工艺参数的确定

2.2.1 NaClO2用量的确定

为确定NaClO2处理玉米秆髓最佳用量,对玉米秆髓进行4组用量试验,结果见表2。从表2中可以看出,NaClO2用量为10% 和15%时白度不高,用量为20%和30%较适合。再用NaClO2用量为20%和30%分别抄片,测其成纸的强度,并与原浆对比,结果见表3。

表2 NaClO2用量对玉米秆髓改性的影响

表3 NaClO2用量对玉米秆髓增强效果的影响

从表3可以看出,NaClO2用量30%成纸强度最好,撕裂指数提高31.00%,裂断长提高34.65%,耐破指数提高41.02%,因此NaClO2处理玉米秆芯最佳用量定为30%。

2.2.2 温度和时间的确定

目前世界上最新的生产线采用温度85～90 ℃,时间2～3 h[4]。因此,温度定为80、85、90 ℃,时间定为2、3、4 h进行正交试验,处理后将其加入APMP浆中抄片(加入量均为5%),再测定纸张强度,从而选择最佳处理条件。正交试验结果见表4。从表4可以看出,温度一定,撕裂指数随时间的增加先降低而后升高,在3 h时达到最低值,随温度的变化不大；白度随温度的升高呈现先上升继而下降的趋势,在85 ℃时白度相对较高,并且随时间的延长先缓慢下降继而快速下降。这是因为在升温过程中,有些生色基团发生作用,它随温度的变化而变化,温度过高或过低,生色基团会变色影响白度,因此85 ℃时最佳;裂断长随时间的延长先增加后降低,在3 h时裂断长相对较高；随温度的升高先增加后降低,在85 ℃时裂断长相对较高;耐破指数随时间和温度的变化不是很大。

综上所述,经过NaClO2处理的玉米秆芯在温度85 ℃,时间2 h时,纤维间的结合力相对很好,纸张的撕裂指数、耐破指数和裂断长提高较大,而且白度相对很高,因此确定NaClO2处理的玉米秆芯最佳条件为温度85 ℃,时间2 h。

表4 最佳处理温度和时间的正交试验结果

2.3 改性玉米秆髓加入量对纸张物理强度的影响

为了进一步了解玉米秆髓对纸张强度的增强效果,采用不同改性玉米秆髓加入量配入浆中,其玉米秆髓加入量为5%、10%、15%、20%,对其进行物理强度检测,结果见表5。

表5 玉米秆髓用量对成纸强度的影响

2.3.1 浆中秆髓加入量对白度的影响

从表5中可以看出,白度随秆髓加入量的增加而有所降低。

2.3.2 浆中秆髓加入量对撕裂指数的影响

表5中撕裂指数随秆髓加入量的增加迅速升高。决定撕裂指数的主要因素是纤维的形态,包括纤维的长度、粗细和刚度,其次是纤维与纤维结合的数目和结合的强度。它还与紧度、韧性、水分有关。造成撕裂指数迅速升高的主要因素是玉米秆髓加入后,在浆中起到了连接和填充的作用,使纤维间的结合力增加明显。

2.3.3 浆中秆髓加入量对耐破指数的影响

表5中耐破指数随秆髓加入量的增加先缓慢提高而后迅速上升。它受纤维长度和纤维结合程度的影响,还与纸页干燥过程有关,纸页的匀度也会影响耐破度[5]。耐破指数之所以升高是因为玉米秆髓中含有一定量的半纤维素和淀粉类物质,羟基含量丰富,起到了黏结的作用。它可以与纤维素表面的羟基形成氢键,增加纤维间结合面上的氢键数量,从而增加纤维间的内部结合强度,部分羟基在改性过程中被氧化成醛基或羧基,对纤维结合力具有一定的增强作用。此外,玉米秆髓的加入还可以改善纸页的成形匀度,提高细小纤维的留着率,改善纸幅的紧实程度。

2.3.4 浆中秆髓加入量对裂断长的影响

表5中撕裂指数随秆髓加入量的增加迅速升高。影响裂断长的主要因素有:纤维之间的结合力、纤维本身强度、纤维的平均长度和纤维的交织情况等,其中以纤维之间的结合力为最重要因素[7]。其升高原因与耐破指数基本相似。