涤纶超短纤维在造纸中的应用

2014-01-01孙召霞张素风

天津造纸 2014年1期

孙召霞张素风王群

（陕西科技大学轻工与能源学院，陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西西安710021）

超短纤维是指纤维的长度小于12 mm，无机械卷曲，具有一定的强度和韧性的纤维。随着纺织业的发展及对化学纤维的深入研究，越来越多的化学纤维新品种被开发出来，其中涤纶超短纤维(PET)由于其化学性能稳定，价格适中，来源丰富等而被广泛用于造纸业中制造特种纸。例如，涤纶超短纤维与具有绝缘性能的纤维混合可制得绝缘纸，采用湿法成型技术可制得性能良好的过滤纸等。

图1 涤纶超短纤维（4mm）

1 涤纶超短纤维的性能

涤纶的基本组成物质是聚对苯二甲酸乙二酯，分子结构见图2。

纤维镜下观察涤纶纤维的表面光滑，如图3所示，涤纶是热塑性纤维，耐热性能比较好，软化点为（238～240）℃，在生产过程中没有经过热定型的涤纶纤维，在沸水中或在其它加热的条件下，将会发生剧烈的收缩，经过热定型后将比较稳定。拉伸强度较高，但吸湿性较差。

涤纶超短纤维可以采用目前与涤纶短纤维基本类似的工艺路线。纤维的切断长度可以为2、3、4、6 mm等。截面形状可以是圆型实心、圆型中空、异型截面等，纤度范围较宽从0.5 dtex～20 dtex不等，并根据实际使用的用途制作高强低伸型、中强高伸型或其他特殊功能型的纤维[1-2]。

图3 涤纶纤维表面显微镜图

2 涤纶超短纤维在水中的分散性能研究

造纸用涤纶超短纤维要求其在水中具有良好的分散性能，但是由于涤纶纤维是典型的疏水性纤维，因此对涤纶纤维进行表面处理，改善涤纶纤维的亲水性，使其在抄纸过程中均匀分散是非常重要的。张曾[3]提出用“拥挤因子”评价与判断纤维在水中的分散性和絮聚性，介绍了影响拥挤因子的因素以及拥挤因子与纤维分散性的关系。为涤纶纤维的分散研究提供了理论依据。

目前，改善涤纶纤维的亲水性主要方法有低温等离子处理、紫外光引发接枝法、碱刻蚀法等。

2.1 低温等离子处理

陈杰瑢[4]等人单纯利用氧等离子体对涤纶表面进行处理，表面张力评价的解析结果表明，氧等离子体处理后的涤纶表面自由能增大。X射线光电子能谱(XPS)分析表明，涤纶表面被引入了大量含氧和含氮极性基团，最终使得涤纶的亲水性增强。N.INAGAKI等人利用Ar等离子引发涤纶表面改性，通过XPS光谱发现其表面结构发生了变化，通过接触角测试，发现表面改性后亲水性显著改善[5]。顾彪[6]利用无声放电等离子体法对涤纶纤维表面进行接枝改性，结果表面经处理后纤维表面的羰基、羟基、和羧基等极性基团增加。李敏[7]采用氧低温等离子体技术对细旦涤纶进行改性，研究表明，在最佳工艺条件下细旦涤纶纤维的润湿性增加且不随放置时间衰减。

以上方法多数只是纺织行业针对提高PET纤维表面的亲水性能所采取的措施，造纸行业中采用等离子对纤维表面进行处理的报道很少。我们可以借鉴N.INAGAKI的方法，对处理过的聚酯纤维（PET）纤维结构及接触角进行观察测试，确定PET纤维的表面处理效果。其中测试合成纤维经表面处理后的表面接触角张素风[8]等人已进行了相关研究。

2.2 紫外光表面接枝处理

聚合物的表面光接枝，就是利用紫外光引发单体在聚合物表面进行的接枝聚合,反应遵循自由基聚合机理[9]。表面光接枝的研究始于1957年的Oster等人的报道。

刘晓洪[10]等人在二苯甲酮作为光敏剂的体系中，利用紫外光引发丙烯酸(AA)在涤纶表面的液相接枝的反应中，发现表面改性后的涤纶的吸水性得到了很明显的提高。朱伟敏[11]等人利用高压汞灯，采用不同的光敏剂，引发丙烯酰胺(AAM)在聚酯薄膜表面的气相接枝聚合，来达到对聚酯纤维表面改性的作用，其亲水性、染色性以及力学性能都有一定程度的改变。

由于紫外光表面接枝反应对于条件的要求比较高，特别是光敏剂的选择以及反应的气氛等条件更为苛刻，为了更有效更方便地进行反应，对于不除氧以及不添加光敏剂的反应的研究将成为今后紫外光表面改性研究的一个重点[12]。

2.3 碱处理

碱处理时目前应用最广泛的是化学刻蚀法。张济邦[13]等对氢氧化钠对聚酯纤维（PET）降解或水解作用进行了探讨。研究表明，经氢氧化钠溶液处理后涤纶纤维的水解发生在纤维表面，且对其内部结构影响不大。陈红[14]等对微坑法改善涤纶纤维服用性能进行了研究，借助扫描电子显微镜对微坑法改善涤纶纤维服用性能作了研究，用30%的NaOH溶液对涤纶纤维进行处理，涤纶纤维的表面产生了微坑及内部非结晶区增多，结构变松散，产生较多的孔隙，使表面微坑所吸着的水分通过毛细管凝结作用，能较容易地进入纤维内部，使得纤维的吸湿能力增加。白秀娥[15]用氢氧化钠的乙醇溶液对聚醋纤维进行了碱处理实验，结果表明，对聚醋纤维进行碱处理时以乙醇为溶剂的处理效果高于水相碱处理。王小涛，唐爱民[16-17]等人对涤纶纤维也进行了碱处理研究，并从纤维的保水值及失重方面研究了涤纶纤维经处理后的变化，其表面经处理后的涤纶纤维在水中的分散性提高，配抄得到的纸张性能也有了提高。

图4 碱处理前后PET纤维的光学显微镜图（a）PET原纤；（b）经碱理的PET纤维

作者参考上述方法对PET纤维进行了碱处理及其配抄性能研究，研究中发现，经碱刻蚀后可从光学显微镜图上看出PET纤维表面确有微坑，碱处理前后PET纤维的表面图如图4所示。

由图4所示，处理前PET纤维表面已有少量微坑，经碱处理后PET纤维表面的微坑增多，而对于碱处理前PET纤维表面存在的微坑需要进一步的研究。

另外，改善涤纶纤维在水中的分散情况还可以采用在湿法成型过程中加入分散剂的方法。黄俊彦[18]采用涤纶纤维和合成浆料为原料生产绝缘纸，实验选用了两种分散剂，CMC、PEO。结果表明，增加CMC的用量，除了对纤维浆料具有分散作用外，还有增加纤维强度的作用，但超过一定数量，对强度增加的作用不大。PEO的加人量为0.2%时能获得较高的抗张指数平均值。

3 涤纶纤维在造纸中的应用

涤纶超短纤维应用于湿法造纸可生产绝缘纸、过滤材料、墙纸、印刷及包装用纸、防伪纸等。下面为几种常见的特种纸。

3.1 过滤纸

涤纶短纤空气滤纸是通过不同细度的聚脂纤维原料配比，采用斜网成型器、浸渍涂布机与气浮干燥器等设备抄造的，具有高透气度、高挺度、高过滤效率、高容尘量与瓦楞形的高效滤料，能满足现代化建筑空调系统与特殊环境中的使用。

3.2 绝缘纸

涤纶纤维与具有耐高温、绝缘性能的纤维配抄可以得到耐高温绝缘纸。黄俊彦[19]对聚恶二唑涤纶纤维绝缘纸的制作进行了研究，用自制的聚恶二唑涤纶纤维与涤纶纤维配抄，结果表明当涤纶纤维长度为3～5 mm，加入量 30%～40%，热压温度为（250～300）℃时，可制得机械强度和电气强度较好的绝缘纸。

另外，日本相关人员已对PET纤维为基体制备绝缘纸进行了研究。这对合成的纤维成纸提供了研究基础。

3.3 作为增强纤维提高纸张性能

乳胶砂纸大量用于家具行业各类漆面表面研磨、抛光，汽车修理、汽车生产的喷漆前后工序打磨、抛光，以及珠宝、金属制品打磨抛光。随着家具行业、小商品行业、装修房屋等不断发展，带动了低档砂纸市场走旺。汽车制造业产量激增，对于高品质的耐水砂纸，将有一个很大的需求发展空间。传统工艺生产出的砂纸耐水性和柔韧性，特别是环保方面仍不够理想。赵涛[20]乳胶纸中添加涤纶纤维，结果证明在乳胶纸的生产过程中，在不影响纸张抗张强度的基础上，可以通过添加2%～5%的涤纶纤维来改善乳胶纸的耐折度。另外，随着干法造纸技术的发展，无尘纸已由单一的胶合纸发展到热合纸、SAP无尘纸等多个品种。PE/PET在无尘纸中的应用，给予了热合纸许多胶合纸无法比拟的性能[21]。

扬声器的频响特性决定于纸盆的性能，而纸盆的性能又决定于纸盆的材料、几何形状和加工工艺。纸盆并不是由单一材质制成，而是使用了多种经不同打浆处理的化学木浆纤维，加上棉、麻、羊毛、碳纤维等天然或合成纤维等多种纤维交织组合，再经染色、施胶防水、增强、抄取、热压等过程而完成。周元星[22]以10%～30%含量的PE/PET皮芯复合涤纶超短纤维与针叶木纤维、玻璃纤维为主要原料，制得的纸盆具有强度高、弹性好、重量轻等优点，有利于纸盆轻量化。其中复合涤纶纤维与其他两种纤维的结合应为主要问题，因此我们在研究合成纤维成纸时，纤维间的结合强度应为我们日后研究的重点。根据以上思路，我们在制作PET纤维纸的过程中可以加入其他合成纤维作为增强纤维来获取性能更好的产品。

4 小结

随着技术的发展，涤纶纤维必将在特种纸领域大放光彩。而在湿法成型过程中涤纶纤维的分散剂及与其他纤维间的粘合性是今后研究的重点。涤纶纤维生产厂家与造纸行业加大联系，按照造纸要求生产不同规格、性能的涤纶纤维也是化纤行业的一个新的增长点。造纸行业努力提高产品的质量和档次、开发新品种，与化纤行业携手共进，为实现可持续发展共同努力。

[1]俞明康，王鸣义，倪江宁．涤纶超短纤维的性能及用途[J]．上海造纸，2001,3(32)：15-18.

[2]周琼．涤纶超短纤维的发展现状及应用[J]．合成技术及应用，2005,3(20)：26-29.

[3]张曾，胡健．纤维分散性的评价[J]．造纸科学与技术，2001,5(20)：30-31.

[4]陈杰瑢，李尊朝，王雪燕．氧等离子体处理提高涤纶纤维表面亲水性的机理[J]．西北纺织工学院学报，1997,11(1)：54-59.

[5]NINAGAKI,STASAKA,KNARUSHIMA.Surface Modification of PET Films by Pulsed Argon Plasma[J].Journal of Applied Polymer Science,2002,85：2845-2852.

[6]顾彪，彭静，张砚臣．无声放电对聚酯织物表面的等离子体接枝改性 [J].大连理工大学学报，1999(6)：726.

[7]李敏，张勤俭．细旦涤纶的氧等离子体改性清洁工艺研究[J]．环境与开发，2000,15(4)：22.

[8]张素风，刘文，张美云．单根纤维接触角的测定及化学预处理对芳纶纤维成纸匀度的影响[J]．纸和造纸，2009,28(5)：29-32.

[9]王睿，谢雁，潘炯玺．聚合物表面光接枝改性研究进展[J]．现代塑料加工应用，2004,16(6)：61-64.[10]刘晓洪，黄翠蓉，郭名霞．辐射接枝改性聚酯纤维吸湿性的研究[J]．合成纤维工业，2005,28(5)：20-22.

[11]朱伟敏，刘金慧，姚雄健．聚酯纤维非织造布紫外光表面接枝改性研究 [J]．化学与粘合，2003,(3)：113-115.

[12]张翠玲，赵国樑，宋立丹．涤纶表面改性研究的进展[J]．聚酯工业，2007,6(20)：5-7.

[13]张济邦，朱维芳．氢氧化钠对聚酯纤维(PET)降解或水解作用的探讨 [J]．高分子通讯，1983,4：295-297.