纤维素纳米晶体提高箱纸板强度性能的研究

王营超 贺会利 王 强，* 刘姗姗 穆永生 韩陈晓

（1.齐鲁工业大学（山东省科学院）生物基材料与绿色造纸国家重点实验室/制浆造纸科学与技术教育部重点实验室，山东济南，250353；2.江苏精科嘉益工业技术有限公司，江苏南京，211200；3.山东世纪阳光纸业集团有限公司，山东潍坊，262499）

废纸的循环利用是解决我国造纸工业原料短缺的有效途径。近年来，随着我国对进口固废的管控逐渐严格，废纸的进口量急剧降低，据中国造纸协会统计，2019年废纸进口量为1036万t，较上年同期减少39.17%[1]。目前，我国纤维资源的缺口主要通过回收国内废纸来补充。然而，国内废纸中长纤维组分含量低，经多次循环回用后，纤维损耗大，导致再生纸张质量较差，难以满足高强度包装材料的生产需求[2-3]。

纳米纤维素作为一种新型生物基高分子功能材料，与天然纤维素相比，具有机械强度高、比表面积大、长径比大、拉伸强度高和亲水性强等优良性能，在纤维增强领域具有潜在的应用价值[4]。纳米纤维素的制备方法主要有高压均质法[5]、超声法[6]、酸水解法[7-8]、酶辅助水解法[9]以及不同方法的组合等[10-11]。在这些方法中，酸水解法由于其工艺条件易于实现，悬浮液稳定性较好，而被广泛用于纤维素纳米晶体（cellulose nanocrystal， CNC） 的 制 备 。 2007 年 ，Zhang 等人[12]以棉纤维为原料，通过盐酸和硫酸的混合酸水解法制备了长度为60～570 nm 的纳米纤维素；2011 年，Leung 等人[13]利用多种纤维素原料，采用过硫酸盐一步法制备了活性较高的羧基化纳米纤维素，并对其进行了进一步的改性和中试研究；2014 年，Tang等人[14]利用低强度超声辅助硫酸水解法酸解微晶纤维素，制得了稳定的CNC 悬浮液。近年来，CNC在化工、食品、医药等各个领域都获得了广泛的研究[15]。然而，CNC 在箱纸板增强方面的研究仍有不足，特别是废纸浆制备CNC 对箱纸板力学性能的增强效果尚无报道。

本研究以废纸浆为原料，采用硫酸水解法制备CNC，并对其进行结构表征。将所制备的CNC 作为箱纸板的增强剂，研究了其增强效果，并将其进一步与阳离子淀粉（CS）和阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）组成二元增强体系，将其对箱纸板的增强作用进行了比较。

1 实 验

1.1 实验原料与主要试剂

废纸浆（WP，由12#美废和日废混合而成）取自箱纸板生产线，由浙江景兴纸业股份有限公司提供；二氧化氯（ClO2）、氢氧化钠（NaOH，分析纯，质量分数≥96%）、硫酸（H2SO4，分析纯，质量分数95%～98%），购自天津市大茂化学试剂厂；过氧化氢（H2O2，分析纯，质量分数≥30%）、溴化钾（KBr，光谱纯，质量分数≥99%）、磷钨酸（分析纯），购自国药集团化学试剂有限公司；透析袋（截留分子质量12000～14000），购自美国光谱实验室；阳离子聚丙烯酰胺（CPAM，分子质量800 万～1000 万），购自梧州荒川化学工业有限公司；阳离子淀粉（CS，取代度0.04），购自浙江杭州纸友科技有限公司。

1.2 主要仪器及设备

高速离心机（TGL-20M，长沙高新技术产业开发区湘仪离心机仪器有限公司）；数控超声清洗器（KQ-250DV，昆山市超声仪器有限公司）；立式冷冻干燥机 （FreeZone®12L-84C，美国 LABCONCO 公司）；纤维质量分析仪（FS5，芬兰Valmet 公司）；纤维解离器（L260-5015，瑞典Lorentzen & Wettre 公司）；快速凯塞纸页成型器（RK-3A，奥地利PTI 公司）；纳米粒径和Zeta 电位分析仪（Zetasizer Nano ZS90，英国Malvern 公司）；扫描电子显微镜（SEM，Regulus 8220，日本Hitachi 公司）；原子力显微镜（AFM，Multimode 8，德国Bruker公司）；透射电子显微镜（TEM，JEM-2100，日本JEOL 公司）；X 射线衍射仪（XRD，D8-ADVANCE，德国Bruker 公司）；傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR，Vertex70，德国Bruker公司）；同步热分析仪（TG，STA 449 F3，德国NETZSCH公司）。

1.3 CNC的制备与表征

1.3.1 废纸浆漂白

采用D0EpD1三段漂对废纸浆进行漂白，整个实验过程在聚乙烯密封袋中进行。D0段处理条件：浆浓10%，反应温度60℃，反应时间40 min，ClO2添加量1%；Ep 段处理条件：浆浓10%，反应温度80℃，反应时间90 min，NaOH 添加量1%，H2O2添加量3%；D1段处理条件：浆浓10%，反应温度80℃，反应时间90 min，NaOH 添加量0.5%，ClO2添加量3%；药品用量均相对于绝干浆计。所制漂白废纸浆（BWP）放入聚乙烯密封袋中平衡水分以备用。

1.3.2 硫酸水解制备CNC

在冰浴条件下，取一定量的BWP，将质量分数为64%的H2SO4按照比例18∶1（mL/g 绝干浆）缓慢地滴加到BWP 中，搅拌10 min 后，转移到45℃的恒温水浴锅中，继续机械搅拌60 min，随后加入适量的去离子水稀释以终止反应。利用高速离心机（8000 r/min，10 min）将得到的物料悬浮液离心洗涤多次，直至上清液变混浊。将混浊液移入透析袋中，在流动的去离子水中透析至透析液pH 值呈中性。将透析袋内产物用超声器（功率200 W）处理30 min，即可得到CNC悬浮液。利用立式冷冻干燥机对其中一部分CNC 悬浮液进行冷冻干燥，另一部分CNC 悬浮液置于4℃环境下冷藏备用。

1.3.3 CNC的表征方法

SEM：将冷冻干燥后的CNC 样品用双面导电胶带固定在金属样品台上，在真空条件下对其表面进行喷金处理，然后利用SEM 观察样品表面形貌，加速电压为5.0 kV。

AFM：将质量分数为0.001%的CNC 悬浮液超声分散5 min，用移液枪吸取10 μL 分散后的CNC 悬浮液滴至洁净的云母片表面，在40℃的烘箱中干燥12 h后，将云母片固定于样品台上进行AFM 观察，所得图像用NanoScope Analysis软件进行分析。

TEM：将质量分数为0.01%的CNC悬浮液超声分散5 min，用移液枪吸取10 μL 分散后的CNC 悬浮液滴至洁净的碳膜覆盖的铜网（300 目）上，室温下自然干燥12 h后，吸取1 μL质量分数为1%的磷钨酸染色剂滴至干燥后的铜网上，染色10 min后，用滤纸将多余的染色剂移除。染色后的样品于室温下自然干燥后使用TEM 进行观察，操作电压为200 kV。CNC 的长度和直径使用ImageJ 软件（Version 1.48） 进行分析。

Zeta 电位：将质量分数为0.1%的CNC 悬浮液超声分散10 min 后，取1 mL 加入到石英样品槽中，使用纳米粒径和Zeta电位分析仪测量其Zeta电位。测量条件：测量温度25℃，折射率1.468，吸收率0.11[16]。每组测量重复3次，结果取其平均值。

FT-IR：将冷冻干燥后的样品与KBr粉末混合后研磨压片，采用FT-IR 扫描，扫描范围500～4000 cm-1，分辨率4 cm-1，扫描速度32次/s。

XRD：取适量冷冻干燥后的样品于XRD 的射线衍射槽内进行测试，样品测试采用铜靶X 光管（λ=1.54056 nm），加速电压40 kV，管电流40 mA，扫描范围 2θ为 10°～40°，扫描速度 5°/min，结晶度依据式（1）计算[17]。

式中，CrI为结晶度指数，%；I002代表样品在002 晶格衍射角的极大强度；Iam代表 2θ角在 18°时非结晶区的衍射强度。

热稳定性：采用TG 分析样品的热稳定性。分别称取5～10 mg 冷冻干燥后的样品，置于载物坩埚中，在氮气环境中（流速20 mL/min）以20℃/min 的升温速率从室温升温至800℃。

1.4 纸张抄造

准确称取一定量的废纸浆，疏解后加入增强剂（CNC/CPAM/CS），机械搅拌5 min，若为二元增强体系，则先加入CS 或CPAM 溶液，机械搅拌5 min，再加入CNC 悬浮液机械搅拌5 min[18]；待浆料和增强剂充分混合均匀后抄纸，本研究中抄造纸张定量为100 g/m2，干燥后装入聚乙烯密封袋中平衡水分，备用。其中，CS 的糊化过程为：称取一定量的CS 加入蒸馏水中，配成质量分数为4%的淀粉浆，在机械搅拌的情况下慢慢升温至90～95℃，保温30 min，冷却后加入蒸馏水稀释至0.01 g/mL。

1.5 检测方法

纸浆组分的测定参照国家标准进行，其中灰分含量的测定参照GB/T 742—2018；苯-醇抽出物含量的测定参照GB/T 10741—2008；纤维素与综纤维素含量的测定参照GB/T 2677.10—1995；酸不溶木素含量的测定参照GB/T 747—2003；酸溶木素含量的测定参照GB/T 10337—2008；纸浆白度的测定参照GB/T 8940.2—2002；纸浆纤维质量分析采用纤维质量分析仪进行测试；纸张抗张强度的测定参照GB/T 12914—2008；撕裂强度的测定参照GB/T 455—2002；耐破度的测定参照GB/T 454—2002 及GB/T 1539—2007；环压强度的测定参照GB/T 2679.8—2016；耐折度的测定参照 GB/T 457—2008[19]。

2 结果与讨论

2.1 纸浆化学组分和质量分析

WP和BWP的化学组分、白度及纤维质量分析结果如表1 所示，其中WP 的主要组分纤维素、半纤维素和木素的含量分别为61.9%、14.6%和12.8%，而BWP 的纤维素、半纤维素和木素的含量分别为73.5%、17.2%和1.9%。由此可知，WP 经漂白后，其木素含量急剧降低，因此白度大幅增加，从21.2%增加到56.8%；木素含量的降低同时导致了其纤维素和半纤维素的比例增加。另外，纤维质量分析结果显示，WP的纤维长度和宽度分别为0.373 mm和20.8 μm，细小组分含量为23.6%；而BWP 的纤维长度和宽度分别为0.355 mm和20.4 μm，细小组分含量为25.9%。由此表明D0EpD1三段漂白对废纸浆纤维质量的影响不大。

表1 废纸浆性质分析

2.2 CNC的表征

2.2.1 形貌、尺寸和Zeta电位分析

图 1(a)～图 1(c)分别为 CNC 的 AFM、SEM 及 TEM表面形貌图。从图1中可以清晰地看出，制备的CNC表面光滑，呈规则的棒状结构，这与其他研究中报道的CNC 形貌一致[20-22]。在干燥过程中，随着水分的流失，CNC 之间的氢键结合使其发生不可逆的团聚，纤维之间相互交织、叠加，从AFM 和SEM 图中无法准确计算CNC 的长度与直径，因此必须结合TEM 图像做综合分析。由图1(c)可知，CNC 表面光滑，形貌整洁，呈针状结构，这与AFM 和SEM 呈现的表面形貌基本一致。采用ImageJ 软件对TEM 图像中的纤维进行分析，最终计算出CNC 的长度与直径分别为115～240 nm和11～23 nm，长径比为5∶1～22∶1。

Zeta 电位的绝对值越大，粒子间的静电斥力越强，悬浮液的稳定性越好[16]。本研究制备CNC 的Zeta电位为-56.37 mV，负电性较强，悬浮液的稳定性较好。

2.2.2 FT-IR和XRD分析

BWP 和 CNC 的 FT-IR 分析结果如图 2(a)所示。从图 2(a)可以看出，CNC 在 3000～3700 cm-1范围内出现较宽的吸收峰，这是由于纤维素分子内和分子间相互形成大量的氢键，这些氢键中的O—H 键在缔合作用下产生伸缩振动，并且相互叠加，因此产生范围较宽的吸收峰[23]。3340 cm-1处的强吸收峰归因于纤维素分子内羟基 （—OH） 的伸缩振动峰[24]。2900 cm-1和1430 cm-1处的吸收峰分别为亚甲基（—CH2—）的伸缩和弯曲振动峰，前者为纤维素的结晶参比峰，后者则是纤维素的结晶峰[22]。1640 cm-1附近出现的吸收峰是由于纤维素分子吸附水分子而导致的[20,22]。1164 cm-1和1060 cm-1处的吸收峰分别对应于纤维素吡喃环上C—O—C 产生的不对称振动和C6位C—O 的伸缩振动[13,25]。895 cm-1附近出现的吸收峰归属于C1—O—C4的伸缩振动，是β-D 吡喃式葡萄糖的特征吸收峰[22]。另外，2900、1430、1164 和895 cm-1处对应的是纤维素Iβ的特征吸收峰[26-27]，而制备的CNC 在这些位置均出现吸收峰，由此说明：在CNC 的制备过程中，硫酸水解并没有破坏纤维素的晶体结构，制得的CNC仍然保持纤维素的Iβ型晶体结构。

结晶度是描述纤维素超分子结构的重要结构参数。纤维素的结晶度是指纤维素中的结晶区占纤维素整体的百分比，反映纤维素在聚集时形成结晶的程度[28]。图 2(b)为 BWP 和 CNC 的 XRD 谱图，从图 2(b)中可以看出，CNC 在 2θ=14.8°、16.4°、22.6°和 34.6°处均出现4个位置基本一致的衍射峰，它们分别对应纤维素的（1-10）（110）（002）和（004）4个晶面，这4 个晶面属于纤维素I 型结构晶面，由此表明CNC 的晶体结构没有改变，仍保留着纤维素I 型结构，与FT-IR 得到的结果一样。根据图2(b)中的曲线，结合式（1）计算出BWP 和CNC 的结晶度指数 （CrI）[17]分别为55.4% 和71.1%。CNC 的结晶度比BWP 提高了28.3%，这是因为纤维素的结晶区分子排列有序，分子链取向良好，密度较大，分子间结合力强，化学试剂难以进入；而无定形区分子排列无序，分子链取向差，分子间距大，密度低，分子间氢键结合数量少，可及度和反应活性较大。纤维素在硫酸水解的过程中，H+首先攻击无定形区的糖苷键，无定形区被破坏，纤维素被降解；结晶区则由于纤维素排列紧密很难被破坏，从而被保存下来；因此CNC 的结晶区占比增大，结晶度也随之增大。

2.2.3 热稳定性分析

图1 CNC 的表面形貌图

图2 BWP及CNC的FT-IR和XRD谱图

BWP 及 CNC 的 TG 曲线和 DTG 曲线如图 3 所示。从图3(a)可以看出，BWP及CNC的热降解可大致分为3 个主要阶段。第一阶段为常温至150℃，在这一阶段有较小的质量损失（＜10%），主要是由于样品中吸附的水分蒸发引起的[29]；第二阶段为150～400℃，此阶段主要是纤维素的热解阶段，包括葡萄糖分子链的脱水、解聚和分解，最终形成炭化残留物；其中，150～240℃范围为纤维素大分子中某些葡萄糖单元C2位上醇羟基的脱除，240～400℃范围为纤维素大分子中某些葡萄糖单元C4位上醇羟基的脱除，糖苷键断裂[30]；第三阶段为400～800℃，在这一阶段炭化残留物氧化分解为低分子质量的气体产物，残余部分进行芳环化，并逐步形成石墨结构[29]。如图3(b)所示，在275～375℃区间内，DTG 曲线上出现一个极大值，即最大质量损失率，此时对应的温度为最大质量损失温度 （Tmax）[31]，由图3得到的 BWP 及 CNC 的初始降解温度 （T0）、Tmax和残炭量如表 2 所示。由图 3 和表 2 可知，BWP 的T0为310℃，而经硫酸水解后，CNC 的热稳定性明显降低，与BWP 相比，其初始降解温度（270℃）下降了约13%。这是由于：一方面，BWP在硫酸水解的过程中，纤维素中的一些羟基与SO42-发生酯化反应，生成硫酸酯基团，这些硫酸酯基团的热稳定性较差，从而影响CNC的热稳定性[32]；另一方面，在CNC 的制备过程中，H+会使连接纤维素葡萄糖结构单元的β-1,4 糖苷键断裂，从而导致其分子链减小，聚合度降低，比表面积增大，因此其表面的还原性末端与外露的反应活性基团比例增加，所以CNC的热稳定性降低[33-34]。

表2 BWP及CNC的T0、Tmax和残炭量

2.3 CNC一元增强体系

图3 BWP及CNC的TG曲线和DTG曲线

CNC 一元增强体系对纸张强度性能的影响如图4所示。随着CNC 添加量的增加，纸张的各项物理性能指数均呈现先上升后趋于稳定的趋势，部分指标略有降低。由图4(a)可知，当CNC 的添加量为3%时，纸张的抗张和撕裂指数均达到最大值，分别为30.5 N·m/g 和 6.22 mN·m2/g，比未添加CNC 时分别提高了19.2%和9.5%，继续增加CNC 的添加量，纸张的抗张和撕裂指数趋于稳定。由图4(b)可知，当CNC添加量为3%时，纸张的耐破指数、环压指数和耐折度分别为 1.55 kPa·m2/g、9.18 N·m/g 和 3 次，与未添加CNC 的纸张相比，分别增加了22.5%、36.9%和28.7%。当CNC 添加量为5%时，纸张的耐破指数、环压指数和耐折度均达到最大值，与未添加CNC 的纸张相比，分别提高了24.0%、38.1%和29.1%。但是当CNC 的添加量由3%增加至5%时，纸张的耐破指数、环压指数和耐折度变化不大。再继续增加CNC 的添加量，纸张的耐破指数、环压指数和耐折度有所降低。造成纸张的各项强度随着CNC 添加量的增加先增后减的主要原因在于CNC 的直径较小，可以填补纤维与纤维之间的空隙，且CNC 表面含有丰富的活性基团，能够增加纤维间氢键结合，增大结合力，因此适当添加CNC 能够提高纸张的强度性能。但是当CNC 的添加量过大时，一方面会产生CNC 聚集现象，使纤维与纤维之间的结合变得不紧密，导致纸张强度下降[35]。另一方面，由于硫酸水解制备的CNC 表面带负电荷，CNC 过量时静电斥力大于纤维间氢键的结合力[18]，反而会使CNC和纤维以及纤维与纤维分散，从而减弱结合力，导致纸张的各项强度降低。因此，综合考虑到CNC 的增强效果和成本因素，最终选用CNC添加量为1%和3%进行后续实验。

2.4 CS-CNC二元增强体系

在CS-CNC 二元增强体系中，确定CNC 用量为1%和3%，CS 用量为1%和2%，其对纸张强度性能的影响如表3 所示。使用CS-CNC 二元体系作为增强剂，纸张各项强度性能指标均有所上升，在CS 用量2%、CNC 用量3%时，纸张的抗张指数、撕裂指数、耐破指数、环压指数以及耐折度比单独添加3%CNC的纸张分别提高了30.5%、4.1%、12.7%、11.6%和33.3%。由此表明，二元增强体系对纸张强度的提升效果显著。这主要是由于先添加2%的CS后，一部分CS 与表面带负电荷的纤维发生静电中和作用，使其交联沉积在纤维表面，从而起到增强纸张强度的作用[36]；当进一步添加3%的CNC 后，带负电荷的CNC可以与另一部分游离的CS 反应，生成弱阳电性的络合物，这种弱阳电性络合物易吸附在纤维表面，形成弱阳离子凝聚层，从而使增强剂在其表面更多地沉积，最终使纸张的强度性能明显提高[37]。

表3 CS-CNC二元增强体系对纸张强度性能的影响

2.5 CPAM-CNC二元增强体系

图4 CNC添加量对纸张强度性能的影响

CPAM-CNC二元增强体系对纸张强度的改善效果如表4 所示。纸张强度的变化规律与CS-CNC 处理效果类似。在CPAM 用量2%、CNC用量3%条件下，纸张的抗张指数、撕裂指数、耐破指数、环压指数以及耐折度分别为 37.2 N·m/g、6.44 mN·m2/g、1.74 kPa·m2/g、10.1 N·m/g和4 次，比单独添加3%的CNC 时分别提升了21.9%、3.5%、12.3%、10.6%和33.3%。这是因为带正电荷的阳离子助剂（CPAM）与带负电荷的阴离子助剂（CNC）反应生成弱阳离子络合物并在纸张表面交替沉积，形成了弱阳离子凝聚层，并以膜的形式包覆于纤维表面，使纤维结合更加紧密，从而提高了纸张强度[3]。

与CS-CNC 二元增强体系相比，CPAM-CNC 二元增强体系对纸张抗张指数的改善幅度略低，而撕裂指数、耐破指数、环压指数和耐折度的改善幅度相近。这可能归因于CS 水溶性和分散性较好，增加了纸张内部和表面纤维间的氢键结合，而高分子质量CPAM易于引起絮凝现象，影响了增强效果。

表4 CPAM-CNC二元增强体系对纸张强度性能的影响

3 结 论

本研究以废纸浆为原料，采用硫酸水解法制备了纤维素纳米晶体（CNC），并对其进行了表征，将CNC 作为纸张增强剂，分别探讨了CNC 一元和阳离子淀粉（CS）-CNC 及阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）-CNC二元增强体系在箱纸板中的增强效果。

3.1 制备的CNC 呈规则的棒状结构，其直径和长度范围分别为11～23 nm和115～240 nm，长径比为5∶1～22∶1，Zeta 电位为-56.37 mV，CNC 呈典型的纤维素I 型结构，结晶度为71.1%，其热稳定性较废纸浆略有降低。

3.2 在CNC用量为3%时，一元增强体系的增强效果显著，纸张的抗张指数、撕裂指数、耐破指数、环压指数以及耐折度较未添加CNC 的纸张分别提高了19.2%、9.5%、22.5%、36.9%和28.7%。

3.3 CNC 与CS 或CPAM 复合的二元增强体系增强效果优于CNC 一元体系。在CS 用量2%、CNC 用量3%时，纸张的抗张指数、撕裂指数、耐破指数、环压指数及耐折度分别较CNC 用量为3%时提高了30.5%、4.1%、12.7%、11.6%、33.3%；在CPAM 用量2%、CNC 用量3%时，纸张的抗张指数、撕裂指数、耐破指数、环压指数和耐折度分别较CNC 用量为3%时提高了21.9%、3.5%、12.3%、10.6%和33.3%。