三叶形粘胶纤维对过滤纸性能的影响

2011-11-21仲昭琳王贵州曾靖山

中国造纸 2011年12期

关键词：粘胶纤维外接圆异形

仲昭琳梁云王贵州胡健曾靖山

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640)

三叶形粘胶纤维对过滤纸性能的影响

仲昭琳梁云王贵州胡健曾靖山

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640)

对两种纤度相同的三叶形粘胶纤维和普通粘胶纤维的形态和滤水性能进行了分析，并进一步就两种粘胶纤维的用量对过滤纸物理性能和过滤性能的影响进行研究。结果表明，粘胶纤维含量低于50%时，两种纤维对过滤纸平均孔径、透气度和耐破度的影响差别不大，但含三叶形粘胶纤维的纸张厚度比含普通粘胶纤维的要大。随着三叶形粘胶纤维含量的增加，滤纸的过滤阻力降低、纳污容量增大，但过滤精度有所下降;当粘胶纤维加入量为30%时，对于含三叶形粘胶纤维和含普通粘胶纤维的两种滤纸，二者的过滤精度无显著差异，前者的纳污容量是后者的1.28倍。

过滤纸;三叶形粘胶纤维;物理性能;过滤性能;纳物容量

粘胶纤维是以天然纤维素为基本原料，经纤维素黄酸酯溶液纺制而成的再生纤维素纤维［1］。普通粘胶纤维的截面为圆形锯齿状，是异形纤维的一种，随着异形纤维的发展，粘胶纤维的异形化产品越来越多，其中产量仅次于普通粘胶纤维的是三叶形粘胶纤维，对于三叶形粘胶纤维的应用研究也越来越受到人们的重视。

三叶形粘胶纤维的覆盖性和蓬松性比普通粘胶纤维好，使得其制品更蓬松，透气度更好。汽车用过滤器的纸质滤芯最重要的3个性能指标是:过滤阻力、过滤效率和纳污容量。其中过滤阻力与滤芯的透气性以及厚度紧密相关，纳污容量与孔隙率以及厚度密切相关［2］。三叶形粘胶纤维的立体结构使得纤维间排列疏松，孔隙丰富，除了纤维搭接形成的孔隙，自身所具有的沟槽结构也增加了孔隙的复杂多变性，同时增大了纸张的厚度，理论上有助于提高纳污容量，良好的透气性能够降低滤芯的过滤阻力。基于这两点，本实验主要对比研究了三叶形粘胶纤维与普通粘胶纤维在滤纸抄造上的适用性及在过滤方面应用的可行性。

1 实验

1.1 实验原料

三叶形粘胶纤维 (3.3dtex，6 mm)、普通粘胶纤维 (3.3dtex，6 mm)，阔叶木闪急干燥浆 (以下简称木浆)。

1.2 纤维的形态分析

用LEO1530up场发射扫描电镜 (德国)观察纤维的截面形态，测定三叶形粘胶纤维的叶片长度，外接圆半径，内接圆半径，计算得出三叶形粘胶纤维的异形度指标［3］，用Image-Pro Plus 6.0专业图像分析软件测出粘胶纤维的截面周长和截面积，结合粘胶纤维的长度和密度，估算出纤维的比表面积。

1.3 纤维滤水性的测定

粘胶纤维本身打浆度很低，一般不会采用打浆度评价其滤水性能，同时由于粘胶纤维较长，易吸水润胀，产生絮聚团，容易挂在动态滤水仪的搅拌转子上方，也不能采用动态滤水仪评价其滤水性能，所以本实验采用以下设定的实验方法进行测定。

称取绝干质量2.15 g的浆料，按0.05%的浓度，用95568标准纤维疏解机 (奥地利)疏解，将疏解好的浆料倒入ME-255手抄片器 (英国)内，上水到刻度线处，泄水的同时用秒表计时，将泄水完毕发出的声响定为计时终点，记录浆料的泄水时间。

1.4 纤维保水值的测定

称取绝干质量1.5 g的浆料，按0.05%的浓度，用标准纤维疏解机疏解，疏解后用800电动离心机离心处理15 min(转速3000 r/min)。称取浆料的湿浆和烘干后的绝干质量，纤维的保水值 (WRV)由式(1)计算得出。

式中，m1为离心后的湿浆质量，g;m2为绝干浆质量，g。

1.5 手抄片的抄造

将三叶形粘胶纤维和普通粘胶纤维分别与木浆按一定的配比混合抄造手抄片，手抄片定量为105 g/m2，粘

胶纤维的含量设定为60%、50%、40%、30%、20%、10%、0，用95568标准纤维疏解机 (奥地利)对两种纤维分别疏解，再与木浆混合疏解，用ME-255手抄片器 (英国)进行抄片。将原纸用苯丙乳液浸渍，上胶量20%，纸张性能的测试按国家标准进行。

1.6 过滤性能的测定

用08FB018多次通过实验台 (国产)，采用A3细灰 (亚利桑那试验尘)作为试验尘，测定浸胶后滤纸的过滤阻力、过滤效率及纳污容量。

2 结果与讨论

2.1 纤维截面形态的表征

图1和图2分别为三叶形粘胶纤维和普通粘胶纤维截面的电镜照片。

由图1可见，三叶形粘胶纤维的内接圆半径约为2 μm，叶片长约17.5 μm，即外接圆半径约为17.5 μm，叶片厚度约为2 μm，且较均匀。由图2可见，普通粘胶纤维的截面有明显的沟槽，但沟槽数量和沟槽深度不均匀，其平均内接圆半径约为9 μm，平均外接圆半径约为16 μm。

衡量异形纤维截面形状异形化 (偏离正常圆形)程度最常用的指标为异形度，即异形纤维截面外接圆与内接圆半径之差占外接圆半径的百分数，由电镜照片测得数据计算可得出三叶形粘胶纤维的异形度为88.6%，普通粘胶纤维的异形度为43.7%，约为三叶形粘胶纤维异形度的1/2。

通过软件计算得出三叶形粘胶纤维的截面积为236 μm2，截面周长为110 μm，普通粘胶纤维的截面积为217 μm2，截面周长为62 μm，粘胶纤维的密度为1.50 g/cm3，计算得出普通粘胶纤维的比表面积为0.19 m2/g，三叶形粘胶纤维的比表面积为0.31 m2/g，约为普通粘胶纤维的1.6倍。

2.2 纤维的滤水性能

浆料的滤水性能是成纸性能的主要指标之一，滤水性能直接影响着纸张的抄造性能。三叶形粘胶纤维和普通粘胶纤维的滤水时间和保水值如表1所示。

表1 纤维的性能

由表1可知，两种纤维的滤水时间都很短，多次实验结果显示，两种纤维的滤水时间差别不大，说明二者均具有较好的滤水性能。三叶形粘胶纤维的保水能力比普通粘胶纤维要好，因为粘胶纤维具有亲水性，保水能力主要跟比表面积相关，三叶形粘胶纤维的比表面积比普通粘胶纤维要大，所以保水能力比普通粘胶纤维要好。

2.3 粘胶纤维用量对过滤纸主要物理性能的影响

为了使成纸具备过滤纸所需要的最基本的物理指标，本实验将两种不同粘胶纤维与木浆以不同配比进行混抄，以探讨粘胶纤维的用量对过滤纸主要物理性能的影响。将原纸进行浸胶，并测试浸胶后纸张的物理性能，结果如表2和表3所示。

表2 含普通粘胶纤维纸张的物理性能

表3 含三叶形粘胶纤维纸张的物理性能

从表3可以看出，随着三叶形粘胶纤维含量的增加，纸张的厚度增加，这是由于木浆纤维短且细，而三叶形粘胶纤维长且粗，所以随着三叶形粘胶纤维比例的增大，成纸的厚度呈逐渐增大的趋势;对比表2和表3可以看出，粘胶纤维含量相同时，含三叶形粘胶纤维的纸张厚度明显大于含普通粘胶纤维的纸张，这是因为相同纤度下，三叶形粘胶纤维截面呈多叶形，其外接圆直径要比普通粘胶纤维的大很多。

从表3可以看出，随着三叶形粘胶纤维含量的增加，纸张的平均孔径增大。对比表2和表3可以看出，粘胶纤维含量相同时，成纸的平均孔径差别不大。三叶形粘胶纤维的纤度与普通粘胶纤维的相同，其外接圆半径比普通粘胶纤维约大1倍，理论上所形成的纸张孔径要大一些，但由于三叶形粘胶纤维的异形度大于普通粘胶纤维，其叶片结构不稳定，干燥过程中易受压力的作用使叶片发生扭曲变形，改变孔的大小和孔隙率，所以两者的孔径无明显差别。

从表3可以看出，随着三叶形粘胶纤维含量的增加，纸张的透气性增大，这主要是因为定量一定的情况下，材料的松厚度提高、孔隙率增加，气体的通过阻力因此降低。对比表2和表3可以看出，粘胶纤维含量低于50%时，二者的透气度差异不大，而在60%时，含三叶形粘胶纤维纸张的透气性高于含普通粘胶纤维纸张。相同配比的两种纸张的透气度与松厚度有关，定量固定时，厚度大的纸张孔隙率高，透气性也会大些，因而理论上应该是含三叶形纤维纸张的透气度要大些;但实际上含三叶形纤维纸张的孔隙结构复杂，纤维本身存在较深的沟槽，这些又对气体的通过产生了阻碍作用，因而在两方面因素的相互作用下，两种纸张的透气度没有表现出明显差别。当粘胶纤维含量达到60%时，含三叶形粘胶纤维的纸张较含普通粘胶纤维的纸张透气度要高。其原因主要在于，三叶形粘胶纤维的外接圆半径要显著大于普通粘胶纤维，其含量越大，对纸张结合的紧密性影响越大，纸张结构也更加松散，此时三叶形粘胶纤维自身沟槽对气流的阻碍作用因纸张松厚度的增加而显著减小，因而透气度比含普通粘胶纤维的纸张要大。

从表3可以看出，随着三叶形粘胶纤维含量的增加，纸张的耐破度先增大后减小。浸胶后的纸张耐破度主要取决于原纸纤维的结合情况以及纤维与胶液界面的结合力。植物纤维和粘胶纤维都具有亲液性，二者与胶液界面的结合力差异不大，因而耐破度主要取决于原纸纤维的结合情况。粘胶纤维与植物纤维相比，粘胶纤维之间的结合力不如植物纤维，但粘胶纤维的长度要显著大于植物纤维，在粘胶纤维用量增加过程的前期，纸张结构中长纤维的增加对于耐破度的贡献要大于植物纤维减少所导致的结合力下降的影响，因而耐破度随着粘胶纤维用量的增加而提高，但依靠长纤维用量来提高耐破度的作用是有一定极限的，当纤维间结合力下降的影响占主导地位后，耐破度的变化出现了转折点，开始随着粘胶纤维用量的增加而降低。对比表2和表3还可以看出，两种粘胶纤维含量相同时，纸张的耐破度差别不大，其主要原因在于本实验所采用的两种粘胶纤维的长度和表面主要化学特性都相同，截面形态上的差异还不足以表现出对纤维间结合力的显著影响。

2.4 粘胶纤维含量对纸张过滤性能的影响

纸张的过滤性能主要包括过滤阻力、过滤效率、纳污容量，粘胶纤维含量对过滤纸过滤性能的影响结果见表4～表6。

表4 过滤纸过滤阻力 kN/m2

过滤阻力表示流体通过纸张时所受的阻力，过滤阻力越低，表明流体所受的阻力越小。从表4可以看出，随着三叶形粘胶纤维含量的增大，过滤阻力变小;粘胶纤维含量相同时，含三叶形粘胶纤维过滤纸的过滤阻力要比含普通粘胶纤维滤纸略小。这是由于随着粘胶纤维含量的增加纸张的透气度不断增大，形成的纸张比较疏松，所以过滤阻力降低。由于液体的黏滞性高于气体的黏滞性，所以在过滤阻力上所体现的差异性大于透气度的差异性，即粘胶纤维含量相同时，透气度差异不大的情况下测得的含三叶形粘胶纤维纸张的过滤阻力略低于含普通粘胶纤维的纸张。

表5 过滤纸不同粒径过滤比

从表5可以看出，相同颗粒粒径范围内，纸张的过滤效率随着三叶形粘胶纤维含量的增加而降低，当粘胶纤维含量相同时，两种纸张的过滤效率差别不大。因为随着粘胶纤维含量的增加，纸张的平均孔径变大，流体流动的阻力也下降，颗粒更容易穿过纸张，导致过滤效率降低。在用量相同时，两种含不同粘胶纤维的过滤纸的过滤精度无明显差异。从形态上来说，三叶形粘胶纤维除了纤维间相互搭接形成的孔隙，其本身的立体结构将增加孔隙的复杂性，有助于捕集颗粒，但对于本实验所用的两种纤度相同的纤维而言，由于三叶形粘胶纤维的外接圆半径要大于普通粘胶纤维，二者所形成的纸张结构的平均孔径也相近，因而三叶形粘胶纤维在形态上的优势未能得到体现。从表6可以看出，随着三叶形粘胶纤维含量的增加，纸张的纳污容量增加;当粘胶纤维含量相同时，

表6 过滤纸的纳污容量

含三叶形粘胶纤维的纸张纳污容量高，是普通粘胶纤维滤纸均1.28倍。这是由于随着粘胶纤维含量的增加纸张的厚度不断增大，所以纳污容量增加。粘胶纤维含量相同时，三叶形粘胶纤维由于其立体结构，增加了孔隙的复杂程度，除了纤维交织形成的孔隙，纤维自身的沟槽也起到增加孔隙率的作用，厚度的增加有助于深层过滤，使得颗粒物被捕捉的几率增大，增加了纸张的纳污容量。

3 结论

3.1 相同纤度不同截面的粘胶纤维对纸张的平均孔径、透气度、耐破度的影响差别不大，含三叶形粘胶纤维纸张的厚度大于含普通粘胶纤维纸张的厚度。

3.2 随着三叶形粘胶纤维含量的增加，滤纸的纳污容量增大，过滤阻力降低，过滤效率变差;粘胶纤维含量均为30%时，含三叶形粘胶纤维滤纸的纳污容量为含普通粘胶纤维滤纸的1.28倍，过滤效率无显著变化，过滤阻力相对较低。

［1］蔡再生．纤维化学与物理［M］．北京:科学出版社，2009．

［2］梁川，熊顺举，赵璜．高精度油滤纸的研制［J］．中国造纸，1998，17(5):12．

［3］魏赛男，崔淑玲．纺丝工艺及截面形状对异形纤维性能的影响［J］．毛纺科技，2005(11):43．

Effect of Trilobal Viscose Fibers on the Performance of Filter Paper

ZHONG Zhao-lin*LIANG Yun WANG Gui-zhou HU Jian ZENG Jing-shan
(State Key Lab of Pulp and Paper Engineering，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong Province，510640)
(*E-mail:zz18636458@126．com)

In this paper，the morphology and drainability of trilobal viscose fibers and ordinary viscose fibers which have the same fineness wereanalysed．The effect of the contents of two kinds of fibers on the physical and filtration properties of the filter paper were also studied．The results showed that when the content of viscose fibers less than 50%，the average pore size，air permeability and burst strength of the sheet had little difference，but the thickness of the sheets containing trilobal viscose fibers was higher than the sheets containing ordinary viscose fibers．With the increase of trilobal viscose fibers，the filtration resistance of the sheet declined and the contaminant holding capacity increased，but the filtration efficiency declined meanwhile．When the content of viscose fibers was 30%，the contaminant holding capacity of the sheet containing trilobal viscose fibers was 1．28 times higher than that containing ordinary viscose fibers，and the filtration efficiency was no significant different．

filter paper;trilobal viscose fiber;physical properties;filtering properties;dirt holding capacity