聚酯纤维与植物纤维协同造纸性能研究

张素风， 蒋莹莹， 李鹏辉

(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)



聚酯纤维与植物纤维协同造纸性能研究

张素风， 蒋莹莹， 李鹏辉

(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)

摘要：以聚酯纤维为原料，探讨了聚酯纤维与植物纤维混合抄纸对纸张性能的影响，研究结果表明：添加聚酯纤维可使纸张的抗张指数和撕裂指数分别提高22.7%和6%，其最佳添加量一般不超过15%.为了提高聚酯纤维的亲水性及降低聚酯纤维的软化点，实验中通过表面碱处理方法对其进行改性.结果表明改性后聚酯纤维的亲水性得到明显改善，采用PET/PET共混的复合纤维，使得聚酯纤维熔点降至110 ℃，增强了聚酯纤维与植物纤维之间的结合力，从而提高了纸张的强度.

关键词：植物纤维; 聚酯纤维; 研究; 性能

0引言

造纸行业一直以来使用天然植物纤维作为主要原料，但用天然植物纤维抄造的普通纸张强度低,耐热性差，电绝缘性不好，化学性质不稳定，已不能满足现代社会发展对纸张性能的需求[1].而化学纤维，尤其是聚酯纤维所表现出的优异性能，促使了新纸种的涌现，例如绝缘纸、过滤纸、抗菌纸等[2]，但由于聚酯纤维的透气性和吸湿性差[3]，所以两者协同可以制得高性能纸种.

聚酯的全称是聚对苯二甲酸乙二酯，简称PET，纤维呈乳白色，表面光滑，分子量在 18 000~25 000 左右.熔点在255 ℃~264 ℃之间，软化温度为230 ℃~240 ℃，耐热和耐光性好，抗有机溶剂、氧化剂以及耐腐蚀性好，对弱酸、碱稳定等特点，有良好的电绝缘性[4].因此,聚酯纤维的广泛应用得到了迅速的发展，其生产规模和产量一直居于我国合成纤维行业的榜首[5-7].

以聚酯纤维等为原料，代替部分植物纤维做耐热绝缘纸，不仅可以提高纸品使用性能，获得超额利润，还可以减少砍伐大片森林，获得良好的社会效益.一方面，在纺丝过程中需要大量的溶剂、凝固剂和各种其它有机试剂以及化学反应的副产物等物质和纤维表面接触，所以在成品纤维表面上有大量有机油剂斑点.这些有机油剂大都是憎水物质，它为纤维与水的浸润设置了障碍，增加了纤维的憎水性.所以，必须除去纤维表面上这些有机油剂.本文采用十二烷基苯磺酸钠对其进行处理.

另一方面，由于聚酯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[8,9].目前，常见的聚酯纤维表面化学改性方法有表面碱处理[10,11]、生物酶改性[12]和低熔点共聚酯改性[13,14].碱处理后的聚酯纤维结晶度下降，表面亲水性基团增多，纤维保水值增大，亲水性能得到明显改善.传统的碱液水解难以控制纤维的改性程度，易损伤纤维大分子链内部，影响纤维的强度和质量，还会带来环境污染.酯酶对聚酯纤维的催化水解主要从非结晶部分开始，使聚酯纤维表面形成许多裂缝和空隙，同时在酯酶的作用下，聚酯纤维表面的酯键水解生成亲水性的羧基和羟基.低熔点聚酯纤维不仅具有较高的物理强度，并且具有较好的亲水性，抄造过程中能较好的分散，而且由于复合纤维的结构软化点较低，易熔融，从而增强纤维间的结合力，提高纸张物理强度.本文采用表面碱处理的方法和使用PET/PET共混的复合纤维.

1实验部分

1.1　实验原料

针叶木纤维、阔叶木纤维；聚酯纤维(中国仪征石化)；PET/PET共混的复合纤维(韩国)；聚氧化乙烯(PEO)，白色粉末(聚合度400万，产地日本)；十二烷基苯磺酸钠(LAS)，白色粉末(分析纯，西安化学试剂厂)；氢氧化钠(分析纯，西安化学试剂厂).

1.2　实验方法

1.2.1聚酯纤维改性实验

(1)表面预处理

把LAS粉末溶解在60 ℃的热水中并配制成浓度为1.2×10-3mol/L的溶液(CMC≈1.2×10-3mol/L，60 ℃)，然后浸泡、搅拌洗涤聚酯纤维约30 min，最后用清水冲洗干净.

(2)表面碱处理

配制浓度为3%的NaOH溶液，在温度为95 ℃的恒温水浴锅中，浸泡、搅拌聚酯纤维约1 h，然后用清水冲洗干净.

1.2.2聚酯纤维的添加纸张的制备

实验中分别取5%、10%、15%、20%(相对纸张绝干质量)的聚酯纤维与植物纤维配抄定量为80 g/m2的纸张.抄纸过程中加入分散剂PEO，用量为0.12%(相对原纸质量).最后采用三辊热压机对纸张进行热压，热压工艺条件为：辊速2 m·min-1,压力140 bar,温度210 ℃，热压次数3次.

1.2.3性能检测

制备的纸张经恒温恒湿处理后，按国家标准检测方法测定纸张抗张强度、撕裂强度、耐折度等性能.

2结果与讨论

2.1　聚酯纤维的添加对纸张性能的影响

所用的聚酯纤维为经过表面预处理的一般聚酯纤维，本实验探索了含量为5%～20%的聚酯纤维对纸张性能的影响，实验数据如表1所示.

表1　PET纤维添加量纸张性能影响

图1　PET添加量与纸张抗张指数、撕裂指数的关系

由图1可以看出，当聚酯纤维添加量为10%时，纸页的抗张指数由22.0 N·m/g提高到27.0 N·m/g，相对增加22.73%，撕裂指数的变化不大.随着纤维添加量的继续增大，纸张的抗张指数下降，这是因为所用聚酯纤维为普通化学纤维，未经改性处理，亲水性较差，纤维自身间及与植物纤维间结合力较弱，故随着纤维添加量增大，纸张越疏松，厚度增加，紧度和抗张强度下降.由于聚酯纤维密度较小，此时抄纸表现是聚酯纤维聚集在纸张的表面，分散十分不均匀，掉纤维现象越来越严重.

综上所述，聚酯纤维的添加量为10%左右比较合适.

2.2　聚酯纤维改性

2.2.1聚酯纤维表面碱处理

经NaOH改性的聚酯纤维与植物纤维配抄纸张的性能如表2及图2、图3所示.

表2　PET纤维添加量对纸张性能的影响

图2　改性前后PET添加量与纸张抗张指数的关系

图3　改性前后PET添加量与纸张撕裂指数的关系

由图2可以看出，经表面碱处理的PET纤维配抄的纸张与未经碱处理的PET的配抄纸张相比，抗张强度有明显的提高，在PET用量达到15%时达到最大值，由22.0 N·m/g提高到31.8 N·m/g，相对提高44.5%.有资料介绍，NaOH处理后的纤维，光滑表面在碱的凹蚀作用下呈现出不同密度、深浅不一的微孔，表面粗糙并有纵向裂纹.同时，碱处理后的聚酯纤维结晶度下降，表面亲水性基团增多，纤维保水值增大，亲水性能得到明显改善，与植物纤维之间的结合力增强，相应的纸张抗张强度会明显提高.

由图3可以看出，经表面碱处理的PET纤维配抄的纸张撕裂强度没有明显的增强，这是因为NaOH处理在提高纤维的亲水性，增强纸张结合力的同时，也会因为凹蚀作用对聚酯纤维造成一定的损伤，使得纤维本身的强度降低.

由表1和表2可以看出，经碱处理和未经碱处理的PET纤维配抄的纸张的耐折度并没有明显的变化，这是因为耐折度很大程度上取决于纤维长度，而PET纤维和植物纤维的长度相近.

由以上分析可知，表面碱处理能明显的提高聚酯纤维的亲水性，抄纸时的分散性较好，纸张抗张强度有大幅度的提高，改性后的聚酯纤维最佳添加量为15%左右.但碱处理时要严格控制工艺条件，尽量减小对纤维本身的损伤，保持纤维原有的强度.

2.2.2PET/PET共混改性

实验所用的PET/PET复合纤维不仅具有良好的亲水性，而且熔点较低(为110 ℃).其与植物纤维配抄的纸张性能如表3所示.

表3　PET/PET复合纤维添加量对纸张性能的影响

由表3可以看出，随着PET复合纤维用量的增加，纸张的紧度不断下降，透气度和耐折度明显提高.这是因为PET复合纤维较粗，平均长度较大，且未经过打浆，所抄纸张组织疏松，空隙率较大，从而使得纸张的紧度下降，透气度和耐折度明显提高.

图4　处理前后PET添加量与纸张抗张指数的关系

由图4可以看出，PET/PET共混的复合纤维配抄纸张的抗张强度有明显的提高，在PET复合纤维用量达到15%时达到最大值，由22.0 N·m/g提高到30.5 N·m/g，相对提高38.64%.这是因为PET/PET复合纤维是皮芯结构，外面包覆着经特殊加工的PET纤维，具有良好的亲水性，与植物纤维结合力大；内芯包覆的聚酯纤维具有很高的自身强度；PET复合纤维的熔点较低，在干燥温度达到110 ℃时，PET复合纤维开始软化，纤维之间接触点开始粘结；随着温度的提高，纤维开始熔融，有流动性，纤维之间接触面增加，从而使纸张的强度增加.

图5　处理前后PET添加量与纸张撕裂指数的关系

由图5可以看出，随着PET/PET复合纤维含量的增加，纸张的撕裂强度大幅度提高，当含量达到20%时，撕裂强度相对提高94.29%.其原因是所用PET复合纤维长度较大，所抄纸张的空隙率高，从而使得纸张的撕裂强度得到明显增强.故可得出以下结论：使用PET/PET共混的复合纤维与表面碱处理改性相比，PET/PET共混的复合纤维的效果更好，不仅能提高纸张的抗张强度，而且能保持聚酯纤维本身的强度，对纤维的损伤较小，能使纸张的抗张强度、撕裂强度和透气度都得到明显提高.

3结论

(1)添加化学纤维能在一定程度内提高纸张的强度，但对于憎水性的化学纤维，添加量不宜超过15%，如添加过量纸张的强度和紧度会明显下降.

(2)表面碱处理和使用PET/PET共混的复合纤维都能明显提高聚酯纤维的亲水性，纸页强度得到提高.两种改性方法相比较，使用PET/PET共混的复合纤维效果更好，既能提高纤维的亲水性，又能保持化学纤维原有的强度，对纤维损伤小.

参考文献

[1] 余贻骥.关于林纸一体化工程建设的探讨——重要意义 实施难点 前景展望[J].中华纸业，2005，27(2)：6-11.

[2] 俞明康，王鸣义，倪江宁.涤纶超短纤维的性能及用途[J].产业用纺织品，2001，19(12)：35-39.

[3] 林求德.合成纤维在改性方面的新进展[J].合成纤维，1986，17(5):36-39.

[4] 倪江宁.涤纶超短纤维及其在造纸领域中的应用[J].上海造纸，2002，33(4)：15-19.

[5] Beg.M.D.H,K.L.Picking.Mechanical performance of kraft fiber reinforced polypropylene composites:Influence of fiber length,fiber beating and hygrothermal ageing[J].Composites,2008(39):1 748-1 755.

[6] Beg.M.D.H,Picking.K.L.Rceyling and its effects on the physical and mechanical properties of wood fiber reinforce polygropyene[J].Composites,2005,334(1):47-49.

[7] 张从容.聚酯合成纸[J].精细石油化工,2000，17(3)：47-49.

[8] 张素风，孙召霞.涤纶超短纤维在造纸中的应用[J].天津造纸，2014,36(1)：18-21.

[9] 孙召霞.合成纤维纸力学性能的提高[D].西安：陕西科技大学，2014.

[10] 唐爱民,张宏伟,陈港,等.改性涤纶纤维的抄造性能研究[J].中国造纸，2003，22(8)：16-19.

[11] 王小涛，唐爱民，张宏伟．涤纶的亲水化及分散性能研究[J]．合成纤维工业，2002，25(5)：4-7.

[12] 王宁,许因,陆大年.涤纶纤维的生物酶改性[J].广东化纤，2003，32(2-3):1-4.

[13] 王鸣义.涤纶以及新型聚酯纤维在非织造布领域的应用[J].产业用纺织品，2004，22(5)：1-7.

[14] 修福晓.低熔点共聚酯的合成及性能研究[J].合成纤维工业，2006，29(2)：12-15.

Research on performance of polyester fiber and

plant fiber together papermaking

ZHANG Su-feng， JIANG Ying-ying， LI Peng-hui

(College of Light Industry and Energy, Shaanxi Province Key Laboratory of Papermaking Technology and Specially Paper, Shaanxi University of Science &Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:Based on polyester fiber as raw materials,this paper discusses the polyester fiber and plant fiber mix dipping paper will effect the performance of the paper,the results show that adding polyester fiber can make paper tensile index and tear index increased by 22.7% and 6% respectively,the optimum adding amount is generally not more than 15%.In order to improve the hydrophilicity of polyester fiber and reduce the softening point of polyester fiber,experiment by alkali treatment method on the surface modification,the results show that the hydrophilic modified polyester fiber are improved obviously,the use of PET/PET blend composite fiber,made of polyester fiber melting point 110 ℃,to enhance the bonding force between polyester fiber and plant fiber, thus improve the strength of the paper.

Key words:plant fiber; polyester fiber; research; performance

作者简介:张素风(1972-)，女，山西洪洞人，教授，博士，研究方向：纤维资源高值化利用及功能纸基材料

基金项目：陕西省科技厅科技统筹创新工程计划项目(2015KTCQ01-44)

*收稿日期:2015-09-25

中图分类号：TS761.2

文献标志码：A

*文章编号：1000-5811(2015)06-0015-04