机械木浆纤维形变性表征及其对纤维间结合性能的影响

王 欣 李志强 张红杰，，,* 钱学君 程洪顺 张凤山 李晓亮

(1.天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457；2.河北华泰纸业有限公司，河北赵县，051530；3.山东华泰纸业股份有限公司，山东东营，257335)

·机械木浆·

机械木浆纤维形变性表征及其对纤维间结合性能的影响

王 欣1李志强1张红杰1，2，3,*钱学君2程洪顺2张凤山3李晓亮3

(1.天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457；2.河北华泰纸业有限公司，河北赵县，051530；3.山东华泰纸业股份有限公司，山东东营，257335)

针对不同木素含量的纤维原料，采用不同评价方法对其形变性能进行表征，包括纤维柔软性(F)、纤维横截面纵横比(AR)和纤维压溃指数(CI)；同时围绕纤维形变性对纤维间结合性能以及手抄片物理强度的影响进行分析。结果表明，F、AR和CI都可以用来表征纤维的形变性，其中，当木素含量从24.28%减少到2.67%时，F表征的相对形变量为956.5%，数倍于其他两者，说明F这一指标表征的更为全面；随着F从0.516×1012N-1·m-2增加到5.454×1012N-1·m-2，纸张中纤维间的相对结合面积(RBA)和剪切结合强度(b)增大，Page结合强度指数从3.60 N·m/g线性增加到84.07 N·m/g；在纸张成形过程中，可以通过改变纤维形变性能调节纸张强度和松厚度之间的对立关系。

木浆纤维；形变性；结合性能；柔软性

木质纤维原料作为一种可再生资源广泛存在于自然界中，由于其绿色环保、可回收、可降解等特点符合可持续发展的要求，因而被广泛应用于各个领域，带来巨大的经济和环境效益[1-2]。除传统的制浆造纸行业和纺织行业之外，木质纤维原料还可用于生物质精炼。生物质精炼的开发与研究主要基于生物质能源、生物质基材料和生物质化学品三大平台，用以生产燃料、电热能以及化学品等。木质纤维原料的生物质精炼是未来重点研究和发展方向[3]。另外木质纤维原料还可生产功能基材料，用于汽车制造、航空航天、生物医学等领域。

木质纤维原料的成分和结构复杂，纤维素、半纤维素和木素是木质纤维细胞壁的三大组分。纤维素如同“骨架”，支撑着纤维的整体结构，而半纤维素和木素充当着“黏合剂”和“填充剂”的作用，使纤维细胞壁结构更加紧密、牢固。纤维材料本身的性质影响并限制着木质纤维的应用范围以及终端产品的性能。作为纤维性能之一，纤维的形变程度不可忽视。形变性表征的是在纤维网络中，纤维之间相互交织、纤维形态发生变化的能力。纤维形变的表征方式有很多种，如纤维的柔软性(flexibility)[4- 6]、可压溃性(collapsibility)[7]、适应性能(conformability)[8]等。尽管表征方式有所差异，影响形变性的因素都是纤维的截面尺寸等，因此在一定程度上这几种性能相互影响。

纤维形变通过影响纤维自身强度、浆料的滤水性能、纤维之间的结合性能进而影响纸张的抗张强度、表观密度、光散射系数等。根据Page的抗张强度理论[9]，抗张强度受纤维自身强度、纤维之间的结合强度以及相对结合面积共同影响。柔软的纤维通常拥有更多的机会形成纤维之间的结合，增大了相对结合面积，抗张强度增大；紧度是指单位体积纸张的质量[10]，表示纤维在纸张中紧密交织的程度。柔软的纤维之间相互交织结合更为紧密，使纸张更牢固，因此具有较高紧度；形变性能好的纤维，例如越柔软的纤维形成的纸张相对结合面积越大，或者压溃性能越好的纤维，纤维相互接触面积越大，都会使纸张的光散射系数降低。纤维形变对于木浆纤维的应用有着巨大的影响。本实验的目的在于对木浆纤维形变性进行表征与评价，进而阐明木浆纤维形变性对其结合性能的响应机制。

1 实 验

1.1 实验原料和试剂

松木热磨机械浆(TMP)：取自河北廊坊某厂；亚氯酸钠：分析纯，天津市化学试剂一厂；冰醋酸：分析纯，天津市化学试剂一厂；双组分环氧树脂胶：常温固化型，天津燕海化学有限公司；冷冻切片包埋剂：低温固化型，美国Thermo fisher公司。

1.2 主要实验仪器

8901- 05鲍尔筛分仪，美国TMI公司；LT- 86C台式照明放大镜，惠州齐力电子有限公司；FE&FSE冷冻切片机，美国Thermo Fisher公司；SU-1510扫描电子显微镜，日本日立公司；NOVA3200e物理化学吸附仪，美国Quantachrome公司；7407S标准纸页成形器，美国AMC公司；SE 062 969921抗张强度测定仪，瑞典Lorentzen&Wettre公司；2400零距抗张强度测定仪，美国PULMAC公司。

1.3 实验方法

1.3.1木浆纤维原料的准备

利用鲍尔筛分仪将经过热疏解的TMP进行筛分，参照TAPPI T233 cm-1995，收集R30组分的长纤维，平衡水分后进行水分含量的测定。参照标准GB/T 10741—2008进行苯-醇抽提，对于抽提后的浆样再次测定水分，备用。

1.3.2木浆纤维原料的脱木素处理

取20 g绝干原料入锥形瓶中，加入去离子水稀释至浆浓为3%，加入亚氯酸钠1%(以绝干原料计)，采用冰醋酸调节浆料pH值为3.5～4.0，将锥形瓶放入75℃的恒温水浴中处理1 h，期间不断摇晃锥形瓶使反应均匀进行。1 h后，加入同样剂量的亚氯酸钠，并用冰醋酸调节pH值为3.5～4.0。按照上述方法分别处理0、2、4、6 h以获得不同木素含量的纤维原料。反应结束后，用去离子水将木浆纤维洗至中性。

1.3.3木素含量的测定

参照TAPPI T222 om- 02和T13 wd-74测定不同纤维原料的总木素含量，即包括酸不溶木素和酸溶木素之和。

1.3.4手抄片的抄造及物理性能测定

参照TAPPI T205 sp-95，取不同木素含量的纤维原料在标准纸页成形器上抄造手抄片，定量为60 g/m2。参照TAPPI T220 sp-96，测定手抄片的抗张强度、零距抗张强度。

1.3.5木浆纤维形变性能的测定

1.3.5.1 纤维柔软性测定

图1 Steadman法测定纤维柔软性示意图[11]

采用Steadman等人[11]研究的方法测量纤维的柔软性。假定纤维是完全服从弹性形变的测量，柔软性F=1/EI，其中E为纤维壁的弹性模量，I为纤维弯曲平面的惯性矩。Steadman法的测定原理如图1所示。将0.1 g绝干原料稀释至浆浓为0.01%。利用标准纸页成形器使纤维均匀分散于滤布上，将固定有直径为35 μm金属丝的载玻片均匀对称放置于金属片上，盖上滤布，上下各放置一张压榨毛毯，用标准湿纸幅压榨机压榨5 min，压榨压力为340 kPa。结束后将载玻片放入干燥器中干燥8 h。将制好的样品置于光学显微镜下进行观察，寻找与金属丝垂直交织的纤维，并进行拍照。利用仪器自带软件测量载荷长度(纤维未与载玻片接触的距离)和纤维宽度[12]，代入式(1)计算纤维的柔软性。

(1)

式中，E——纤维的弹性模量，N/m2；

I——纤维弯曲平面的惯性矩，m4；

d——金属丝直径，m；

q——纤维单位长度载荷，N/m；

L——载荷长度，m。

1.3.5.2 纤维压溃性测定

实验采用两种方法表示压溃性，其一为Paavilainen[13]的方法测量纤维的纵横比(AR，即纤维横截面最长直径和最短直径之比)；另一种表示方法是Jang H F[14]定义的压溃指数(CI，collapse index)，即经过物理或化学处理后，与原始纤维相比，损失的纤维内腔所占的比例，计算如式(2)所示。

(2)

式中，LA——纤维横截面图像测定的细胞腔面积，μm；

LA0——纤维经处理之前的原始细胞腔面积，μm。

采用包埋剂将干燥后的手抄片进行冷冻包埋，并用冷冻切片机切片，厚度为5 μm。将切片置于扫描电子显微镜下观察，得到完整纤维截面图像。利用Image-Pro Plus 6.0计算纤维横截面的纵横比，以及纤维截面的横截面积，每组取约30个有效数据进行计算。

1.3.6木浆纤维结合性能的测定

1.3.6.1 相对结合面积(RBA)的测定

基于氮吸附的方法测定纤维网络相对结合面积[15]，取适量绝干浆，用去离子水调整浆浓为0.3%，用乙醇置换脱水。将木浆原料置于50℃的环境下真空干燥24 h，将干燥后的纤维和手抄片在105℃下干燥8 h。采用物理化学吸附仪对纤维和纸张的比表面积进行测定。RBA由式(3)计算。

(3)

式中，RBA——木浆纤维网络的相对结合面积，%；

St——绝干纤维的比表面积，g/m2；

Su——手抄片的比表面积，g/m2。

1.3.6.2 手抄片结合强度指数的测定

手抄片的结合强度指数由Page结合强度指数(B)[9]确定。Page结合强度指数可由抗张强度指数(T)以及零距抗张强度指数(Z)计算得到，剪切结合强度(b)可以通过纤维形态参数和相对结合面积(RBA)计算得到，如公式(4)和公式(5)所示。

(4)

(5)

式中，B——Page结合强度指数，N·m/g;

T——手抄片的抗张强度指数，N·m/g;

Z——手抄片的零距抗张强度，N·m/g;

PL——纤维横截面周长，m;

c——纤维粗度，g/100 m纤维;

b——剪切结合强度，N/m2;

RBA——相对结合面积，%。

2 结果与讨论

2.1 木浆纤维形变性的表征

2.1.1纤维形变性的三种表征方式

在制浆及纸张成形过程中，纤维会产生压溃行为，纤维细胞腔会发生部分坍塌，腔面积减少。因此，常采用纤维压溃性和柔软性对其形变能力进行表征。另外，纤维的压溃程度也常采用纤维截面的纵横比(AR)来表示，即纤维横截面最长直径与最短直径的比[7，16-19]。Page[20]定义的压溃指数(CI)也反映了纤维的压溃性能，即经过物理化学处理后，与原始纤维相比，损失的纤维内腔所占的比例。由式(2)可知，当LA=0或细胞腔完全压溃时，CI为1；另一方面，当LA=LA0，或者当细胞腔完全没有压溃时，CI为0。传统意义上将柔软性定义为弯曲刚度的倒数，即F=1/EI，这个定义的基础是将纤维看作一个完全服从弹性形变的测量，E是纤维材料的弹性模量，是材料自身的特性；I是纤维弯曲平面的惯性矩，是一种物理性能[11，21]。研究人员研发了多种测量纤维柔软性的方法[11,18-19,22-23]。实验采用的Steadman法最为接近纸张成形过程中纤维发生的真实行为。实验采用纤维截面纵横比(AR)、纤维压溃指数(CI)及纤维柔软性(F)对木浆纤维的形变性进行表征。结果如图2所示。

图2 不同木素含量对木浆纤维的形变性的影响

由图2可知，木浆纤维的木素含量与纤维的压溃指数(CI)、纵横比(AR)和柔软性(F)都呈反比关系，且变化趋势相同，说明三者有一定的内在联系且都可用于表征纤维的形变性能。随着纤维中木素含量的不断减少，纤维的压溃性增强，柔软性增大，即纤维变得柔软可塑，更易发生变形。纤维的宽度以及纤维的细胞壁厚度共同决定了纤维的可压溃性。木素被脱除后，纤维的横截面面积变小，纤维粗度降低，细胞壁变薄都使得纤维变得柔软更容易被压溃。在纸张成形过程中这些被压溃的纤维能够更好地结合在一起，并形成更多的氢键，使纸张结构变得致密、强韧、平滑。随着纤维中木素含量的降低，CI从0.329上升到0.792，AR由1.616上升到3.652，变化较大，但CI更为准确和科学，因为它全面考虑了纤维未经处理和经过处理的两个状态，除此之外，CI的值域为0～1，不同纤维样品之间可以进行比较。随着纤维中木素含量的不断降低，纤维柔软性不断增强。木素含量由24.28%降低至2.67%时，F由0.5162×1012N-1·m-2增加到5.454×1012N-1·m-2，变化幅度较大。这是由于未处理过的纤维中大量的木素作为“胶黏剂”存在于纤维细胞壁中，纤维壁结构紧密，难以润胀；经过处理后木素从细胞壁中脱除，纤维细胞壁结构更加疏松，孔隙增多，进入细胞壁中的水分子增多，柔软性增强，易于发生形变。由于纤维柔软性的测定方法模拟了实际纸张成形时的状态[24]，因此F间接地反映出纤维的形变性。

2.1.2三种不同表征方式的比较

纤维形变的不同表述和表征方式是从不同角度对纤维形变进行诠释，它们之间有一定的内在联系。本实验通过AR、CI和F三个评价指标综合来表征木浆纤维的形变。纤维的可压溃性能是将纤维视作一个中空的圆柱体结构，纸张成形过程中其纤维腔体状态会发生改变，发生部分或全部被压溃，强调了纤维腔体形态发生变化的能力；而纤维柔软性的前提是把纤维假设为一个完全服从弹性形变的测量，采用间接的方法使金属丝与纤维交织，使纤维的适应性与弯曲刚度相结合来确定纤维的柔软性，它强调了纤维网络形成过程中的弯曲性能以及产生弯曲变化的能力[15]。

为了清晰比较几种评价指标的优劣，将纤维的相对形变量(以未经处理的纤维为基础)进行对比，比较结果如图3所示。随着纤维中木素含量的不断降低，F、AR和CI的相对形变量都呈上升趋势。但AR仅仅采用纤维横截面参数来表征纤维的压溃性能，相同压溃状态的纤维数值可能相差很大。相比之下CI有着明显的优点，更为科学和准确。在纤维的加工过程中，它以绝对的方式测量了纤维的平整程度，能够针对不同形态的纤维或不同处理方式的相同形态纤维的压溃性能进行比较。从图3中可明显看出，F的相对形变量呈数倍增加，远超于AR和CI，原因是在F的测定过程模拟了纸张的“真实成形”，需要对其进行压榨，因此纤维除了产生弯曲行为之外，还会产生压溃行为，两者共同作用对F的测定结果产生影响。因此，采用F来表征纤维形变性更为全面。

图3 不同木素含量木浆纤维三种相对形变的比较

2.2 木浆纤维形变性对纸张结合性能的影响

2.2.1形变性对纤维间结合性能的影响

纸张在脱水的过程中，纤维之间的相互作用受到纤维形态特征的显著影响，随着纤维中木素的脱除，纤维细胞壁变得疏松多孔，水分子更易进入到微细纤维之间，纤维易于润胀，柔软性增加，从而影响着纸张内部纤维之间的结合。

纤维之间的结合性能影响着纸张的光学性能、表观性能、机械性能等。纤维之间结合性能有两个重要的影响因素：纤维间的结合力和结合面积[25]。纤维的结合力强度和结合面积对纸张的所有性能几乎都有影响，如光学、机械、热和电性能等[26]。纤维之间的结合性能可以用Page结合强度指数(B)来表征，它是关于纤维形态参数、纤维剪切结合强度(b)和相对结合面积(RBA)的函数，见式(4)，其中B可由纸张物理强度指标计算得到。图4给出了F对RBA和剪切结合强度(b)的影响。

图4 纤维柔软性F对相对结合面积(RBA)和剪切结合强度(b)的影响

图6 木浆纤维手抄片横截面的SEM图

由图4可以看出，随着F降低，RBA和b都呈下降趋势，呈正相关关系。当F从0.516×1012N-1·m-2增加到5.454×1012N-1·m-2，RBA从15.64%增加到43.76%，b从2.08 MPa增加到13.92 MPa。F增加时，纤维形变性增大，纸张成形过程中纤维相互缠绕交织，使得细胞腔更易被压溃，纤维之间的相互接触几率增大，接触面积增加，另外，由于水分子的进入使得纤维之间氢键结合增多，两者的共同作用增加了纤维之间的结合力。图5给出了F对B的影响。由图5可知，随着F的增加，B呈上升趋势，F从0.516×1012N-1·m-2增加到5.454×1012N-1·m-2，B从3.60 N·m/g增加到84.07 N·m/g。其相关系数R2达到了0.994，斜率为15.70。其相关性方程为y=15.70x-0.032。可见纤维形变性对于纤维之间结合性能有着重要影响。

图5 纤维柔软性F对Page结合强度指数(B)的影响

2.2.2形变性对于纸张物理强度的影响

抗张强度常用来表征纸张的物理强度。根据Page抗张强度理论模型，抗张强度主要有3个决定性因素，即纤维自身性能、纤维之间的结合强度以及结合面积[27]。纤维形变性越好，纤维之间结合几率越大，相对结合面积越大，进而增加纸张的抗张强度。松厚度是指纤维表观密度的倒数[10]，表征的是纸和纸板结构的紧密程度。在造纸工业中，通常追求较高结合性能和适当松厚度的产品，因为较高结合性能可以提供给产品较高的物理强度，而适当松厚度可以满足产品的使用性能，便于后期不同的应用领域使用。一般地，木素含量高的木质纤维材料具有较高的松厚度，但其物理强度很差；而物理强度性能好的纸张，纤维之间结合紧密，松厚度较差。机械浆纤维原料由于大量木素的存在通常物理强度较差[28-29]，通过去除木素可以提高纸张的物理强度性能，因为木素脱除后，纤维易于发生形变，纤维之间接触面积增大，结合力上升，结合性能随之增加。

图6所示为扫描电子显微镜下手抄片横截面的SEM图。当纤维细胞壁中木素含量较多时，纤维较为硬，形变性能差，即保持原有状态的能力强，结合面积较小，纤维间结合性能较差，因此形成的手抄片结构疏松，具有较高的松厚度，如图6(a)所示。相反，当木素被脱除，纤维变得柔软可塑，形变能力增强，纤维之间的接触面积增大，结合性能较强，结构紧固并具有较高的强度，所以松厚度变低，如图6(b)所示。木素脱除的过程中纤维发生的形变行为可以解释这二者之间的对立关系。纤维柔软性对纸张抗张强度指数和松厚度的影响见图7。如图7所示，F从0.516×1012N-1·m-2增加到5.45×1012N-1·m-2，纸张的抗张强度指数从3.47 N·m/g提高至54.10 N·m/g，而其松厚度从5.08 cm3/g下降至1.83 cm3/g。当纤维细胞壁中含有较多木素时，纤维更加挺硬，形变性能差，纤维之间结合的几率小，纤维之间相互结合性能差，纸张强度性能差，但具有较高的松厚度，如图7中的虚线b处，纸张松厚度急剧上升，抗张强度指数急剧下降；相反，当纤维木素含量较低时，纤维较为柔软，纤维的形变能力增强，纤维之间形成更多的接触，结合性能较强，纸张结构更为致密，具有较高的物理强度，但松厚度降低，如图7中的虚线a处。因此可以通过调节纤维细胞壁中化学成分的比例(木素含量和碳水化合物含量)，使纤维柔软性F处于图7中的a线和b线之间，从而降低纸张松厚度和抗张强度之间的对立关系，在保证一定松厚度的前提下提高纸张的物理强度。

图7 纤维柔软性F对抗张强度指数和松厚度的影响

纸张的抗张强度和松厚度之间有着密切的关系，且不同用途的纸张对于松厚度和抗张强度的要求也不尽相同。滤纸等需要较高的松厚度，若松厚度小会影响其过滤性能；而对于印刷纸而言，则要求适当的松厚度，以保证纸张的强度及表面性能，但松厚度也不宜过小，以免降低纸张的不透明度和印刷性能[30]。纤维的形变性能也受到纤维原料的种类、制浆和打浆等方法与工艺参数等的影响，因此，在上述影响因素相同的条件下，可以根据不同纸种对于抗张强度和松厚度的要求，通过调节纤维中不同化学成分的比例(木素含量和碳水化合物含量)来改变纤维的形变性，进而满足不同纸种对于这两种指标的需求。

3 结 论

利用亚氯酸钠在酸性条件下对松木热磨机械浆(TMP)进行脱木素处理，TMP的木素含量由24.28%降低到2.67%，纤维的柔软性(F)从0.516×1012N-1·m-2增加到5.45×1012N-1·m-2，压溃指数(CI)从0.329上升到0.792，纵横比(AR)从1.616增加到3.652，以上三种方式都显示出木素含量少的纤维更容易发生形变行为。其中F更接近纤维在纸张成形中发生的真实情况，所以用来表征纤维的形变性能更具有代表性。另外，木素脱除后纤维变得柔软可塑，能够被压溃的部分增多，形变性增强，更容易形成结合，纤维网络内部结合性能和宏观物理性能都增强，纤维网络中纤维的相对结合面积(RBA)和剪切结合强度(b)增大，导致Page结合强度指数(B)随着纤维柔软性的增大呈线性增加，纸张抗张强度指数等随着纤维形变性的改善而增大。因此，可以通过调节纤维中不同化学成分的比例平衡在纸张成形过程中强度增大和松厚度降低这一对立关系。

[1] Huang Xiaolei, Wu Yanliang. Potential of production of fuels and chemicals by biomass conversion[J]. World Pulp & Paper, 2011, 30(2)： 45．

黄小雷, 吴严亮. 生物质转化法生产燃料和化学品的潜力[J]. 国际造纸, 2011, 30(2)： 45．

[2] Garner A, Kerekes D. Transformative technologies for the forest products sector[J]. Pulp & Paper Canada, 2006, 107(6)： 17．

[3] CHEN An-jiang. Application and Its Trend of Biorefinery in Paper Industry[J]. China Pulp & Paper, 2015, 34(4)： 61．

陈安江. 生物质精炼技术及在造纸行业的应用与趋势[J]. 中国造纸, 2015, 34(4)： 61．

[4] Emerton H W. Fundamentals of the beating process[M]. British: Paper & Board Industry Research Assoc., 1957．

[5] Van den Akker J A. Structural aspects of bonding[J]. Tappi Journal, 1959, 42(12)： 940．

[6] Doo P A T, Kerekes R J. A method to measure wet fiber flexibility[J]. Tappi Journal, 1981, 64(3)： 113．

[7] Page D H. Collapse behavior of pulp fibers[J]. Tappi Journal, 1967, 50(9)： 449．

[8] MohlinUB. Cellulose fibre bonding. Conformability of pulp fibres[J]. Svensk Papperstidning, 1975, 78(11)： 412．

[9] Page D H. A theory for tensile strength of paper[J]. Tappi Journal, 1969, 52(4)： 674．

[10] Shi Shulan, He Fuwang. Analysis and detection of pulp and paper[M]. Beijing: China Light Industry Press, 2012．

石淑兰, 何福望. 制浆造纸分析与检测[M]. 北京： 中国轻工业出版社, 2012．

[11] Steadman R, Luner P. The effect of wet fiber flexibility on sheet apparent densit[J]. Papermaking Raw Materials, 1985(1): 311．

[12] TAO Jin-song, LIU Huan-bin, YAN Dong-bo, et al. Evaluation of the Flexibility of Pulp Fibers[J]. China Pulp & Paper, 2006, 25(4)： 1．

陶劲松, 刘焕彬, 闫东波, 等. 纸浆纤维柔软度测量方法的研究[J]. 中国造纸, 2006, 25(4)： 1．

[13] Paavilainen L. Conformability, flexibility and collapsibility of sulphate pulp fibres[J]. Paperi Ja Puu, 1993, 75(9)： 689．

[14] Jang H F, Seth R S. Using confocal microscopy to characterize the collapse behavior of fibers[J]. Tappi Journal, 1998, 81(5)： 167．

[15] Li Zhi-qiang, Li Hai-long, Zhang Hong-jie. Research progress of pulp fiber deformation properties[J]. Transactions of China Pulp & Paper, 2016, 31(S)： 134．

李志强, 李海龙, 张红杰. 纸浆纤维形变性研究进展[J].中国造纸学报, 2016, 31(增刊)： 134．

[16] Li Z, Zhang H, Wang X, et al. Further understanding the response mechanism of lignin content to bonding properties of lignocellulosic fibers by their deformation behavior[J]. RSC Advances, 2016, 6(110): 109211．

[17] Jihong H, Warren J B, JohnstonR E.The behavior of fibers in wet pressing[J]. Tappi Journal, 2003, 2(12)： 27．

[18] Yan D, Li K. Measurement of wet fiber flexibility by confocal laser scanning microscopy[J].Journal of Materials Science, 2008, 43(8)： 2869．

[19] Kuhn D, Lu X, Olson J, et al.A dynamic wet fibre flexibility measurement device[J]. Journal of Pulp and Paper Science, 1995, 21(10)： 337．

[20] Page D H, Seth R S. Strength and chemical composition of wood pump fibres[M]. UK: Mechanical Engineering Publications Limited, 1985．

[21] Ge Han-ke, Tao Jin-song, Liu Huan-bin, et al. Research Progress in Measurement Method of Pulp Fiber Flexibility[J]. Transactions of China Pulp & Paper, 2006, 21(4)： 102．

葛汉科, 陶劲松, 刘焕彬, 等. 纤维柔软度测量方法的研究进展[J]. 中国造纸学报, 2006, 21(4)： 102．

[22] Doo P T, Kerekes R J. A method to measure wet fiber flexibility[J]. Tappi Journal, 1981, 64(3)： 113．

[23] Christian L, Wolfgang J F, Adriana G, et al. Pulp fiber bending stiffness in wet and dry state measured from moment of inertia and modulus of elasticity[J]. Bioresources, 2014, 9(3)： 5511．

[24] Robert M L. The deformation behavior of wet lignocellulosic fibers[D]. Georgia Institute of Technology, 2007．

[25] LI Zhi-qiang, ZHANG Hong-jie, LI Hai-long, et al. Research Progress About Measuring Method of Interfiber Bonded Area in Sheet Fiber Network[J]. China Pulp & Paper, 2015, 34(12)： 71．

李志强, 张红杰, 李海龙, 等. 纸张纤维网络中纤维结合面积的测定方法[J]. 中国造纸, 2015, 34(12)： 71．

[26] TAO Jin-song, LIU Huan-bin, YAN Dong-bo, et al. A new method for determining fiber-fiber shear bond strength[J]. China Pulp & Paper, 2006, 25(4)： 74．

陶劲松, 刘焕彬, 闫东波, 等. 纤维间剪切结合强度的一种测量方法[J]. 中国造纸, 2006, 25(4)： 74．

[27] LI Yuan-hua, TAO Jin-song, LIU Huan-bin, et al. Research progress of paper tensile strength models[J]. China Pulp & Paper, 2014, 33(1)： 65．

李远华, 陶劲松, 刘焕彬, 等. 纸张抗张强度模型的研究进展[J]. 中国造纸, 2014, 33(1)： 65．

[28] Zhang H, He Z, Ni Y. Improvement of high-yield pulp properties by using a small amount of bleached wheat straw pulp[J]. Bioresource Technology, 2011, 102(3)： 2829．

[29] Zou X, Norayr G, Tetsu U. The role of lignin in the mechanical permanence of paper.I: Effect of lignin content[J]. Journal of Pulp & Paper Science, 1993, 19(6)： 235．

[30] He Beihai, Zhang Meiyun, Lu Qianhe. Papermaking principle and engineering[M]. Beijing: China Light Industry Press, 2010．

TheCharacterizationofDeformationBehaviorofMechanicalLignocellulosicFibersandItsEffectonInterfiberBondingProperties

WANG Xin1LI Zhi-qiang1ZHANG Hong-jie1,2,3,*QIAN Xue-jun2CHENG Hong-shun2ZHANG Feng-shan3LI Xiao-liang3

(1.TianjinKeyLabofPulp&Paper,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin, 300457; 2.HebeiHuataiPaperIndustryCo.,Ltd.,Zhaoxian,HebeiProvince, 051530; 3.ShandongHuataiPaperIndustryCo.,Ltd.,Dongying,ShandongProvince, 257335)

In this study, the pine TMP was delignified with sodium chlorite under acidic conditions, to obtain pulp fibers with different lignin contents. The deformation properties of these fibers were characterized by different methods, including flexibility of fiber(F), aspect ratio of fiber cross section(AR) and deformation index of fiber(CI). Finally, the effects of fiber deformation behavior on the interfiber bonding properties and physical strength of handsheets were discussed in details. The results showed that theF,ARandCIcould characterize the fiber deformation, when the lignin content decreased from 24.28% to 2.67%, the change of relative deformation characterized byFwas 956.5%, which was several times greater than that characterized by the others, therefore,Fwas the most comprehensive characterization index among them; the increase ofFfrom 0.516×1012N-1·m-2to 5.454×1012N-1·m-2contributed to the increase of the relative bonding area (RBA) and shear bond strength (b) of the fibers, which led to the linear increase of the Page bonding strength index from 3.60 N·m/g to 84.07 N·m/g. During the paper sheet forming process, the contradiction relationship between physical strength and bulk properties of the paper sheets could be alleviated by adjusting the deformation properties of fiber materials.

lignocellulosic fiber; deformation property; bonding property;flexibility

王 欣女士，在读硕士研究生；主要研究方向：木质纤维原料的高效分离与组分性能分析。

TS71.2

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.12.003

2017- 07-28(修改稿)

国家自然科学基金面上项目(31670588)；中国博士后科学基金项目(2016M600516)。

*通信作者：张红杰，博士，副教授；主要研究方向：植物纤维资源不同组分的高效分离与高值化应用。

(*E-mail: hongjiezhang@tust.edu.cn)

马 忻)