堿性亞鈉法處理的桉木化學熱磨漿紙頁強度及纖維表面特征

堿性亞鈉法處理的桉木化學熱磨漿紙頁強度及纖維表面特征

纖維表面木素含量與紙頁強度的關系化學熱磨機械漿（ctmp）是在傳統(tǒng)的tp基礎上發(fā)展起來的一種先進的高得到率紙漿制備方法之一。它具有得率高、環(huán)境污染少、投資省、工藝設備簡單等多種優(yōu)點。在CTMP制漿中,沒有去除連接纖維束間的胞間層(主要化學成分是木素),而且木素在胞間層的含量(70%-80%)遠遠大于在纖維細胞壁的含量(20%-30%),使纖維分離不完全,纖維表面類似涂敷了一層疏水性的木素,如果有較多的木素在纖維表面,就會影響到氫鍵結合,纖維間的結合力就會降低,成紙結構疏松,紙頁結合強度低等?，F(xiàn)代分析手段和先進儀器的進步,為對纖維表面進行更深入系統(tǒng)的研究提供了良好的條件。本文用X射線光電子能譜(XPS)和掃描電子顯微鏡(SEM)對經堿性亞鈉法處理后的桉木CTMP纖維表面特征進行研究,探討纖維表面不同木素含量與紙頁強度的關系。堿性亞鈉法的化學處理可以改善紙漿強度和表面特性,NaOH可以使紙漿纖維潤漲軟化,能夠和木素反應導致小分子量的木素溶出,提高制漿的物理強度指標;Na2SO3通過對木素的磺化作用,提高了化機漿纖維的親水性和柔韌性,使得磨漿過程相對容易,提高纖維的細纖維化。1實驗1.1安德里茲中試系統(tǒng)桉木原料,取自廣東雷州林業(yè)局尾葉桉,桉木CTMP漿由華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室的安德里茲中試系統(tǒng)制得。工藝條件:NaOH2%,Na2SO32%,溫度100℃,保溫時間60min。磨漿條件:CTMP漿料再用吉林造紙廠GNW-300高濃磨漿機進行兩段磨漿,磨漿間隙分別為0.3mm和0.1mm。1.2實驗方法1.2.1水浴加熱處理每樣品取50g(絕干)桉木CTMP漿,按表1將漿料和化學藥品放入塑料袋密封進行水浴處理,液比1∶7,為使藥液反應均勻,每隔10min將塑料袋均勻捏一遍。1.2.2打漿機打漿將已處理的漿料充分洗滌、解離、濃縮后進行打漿。打漿在Mark_V1型PFI打漿機內進行。每次30g(絕干)漿料,漿濃10%,打漿間距0mm。1.2.3來自桉樹ctmp砂漿中的木素測定Klason木素的測定采用72%硫酸法。酸溶木素含量的測定采用紫外光光度計法,波長選用205nm,吸光系數(shù)用110L/g·cm。1.2.4紙樣的制備用標準紙頁成型器將紙漿抄成定量(60±2)g/m2的紙樣,抄造好的紙頁經0.42MPa第一道壓榨4min,第二道壓榨2min,干燥條件100℃,10min。試樣在ISO標準恒溫恒濕條件下平衡24h后,待用。1.3物理分辨率檢測將平衡水分后的紙頁按照ISO相關標準測定紙頁的白度、不透明度、抗張指數(shù)、零距抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)。1.4scrab2005X射線光電子能譜(XPS)儀器型號是ThermoESCALAB250;X射線激發(fā)源為單色AlKa(hv=1486.6eV),功率150W,X射線束斑500μm,能量分析器固定透過能為20eV。1.5掃描電子顯微鏡sem的外觀分析纖維試樣噴金后由PHLIPSXL-30ESEM環(huán)境掃描電鏡觀察纖維表面形態(tài)。2結果與討論2.1纖維的力學性能從表2可以看出,隨堿性亞鈉法處理燒堿用量的增大,桉木CTMP漿的總木素含量逐漸降低,且不同木素含量對紙頁的物理性能影響很大。隨著NaOH用量的提高,木素含量降低,紙漿的抗張指數(shù)、零距抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)均有明顯的提高。這是由于NaOH的加入使木素降解或結構變化,故木素含量隨用堿量增加而降低。此外,部分醚化的木素被裂解成酚型木素,為在木素中引入磺酸基創(chuàng)造條件。因為在弱堿性或者中性條件下只有酚型木素才能與亞硫酸鈉反應,從而會使磺酸基的量增加,一方面使木素親水性增加,這有利于打漿時細纖維化而使纖維易于分離少受損傷。另一方面使纖維的柔軟性增加,提高纖維結合力,所以紙頁強度是增加的。由于“堿促變黑”現(xiàn)象,隨著用堿量增加,紙頁的白度是下降的。2.2桉木ctmp的表征X射線光電子能譜(XPS)是一種強有力的現(xiàn)代表面分析儀器,隨著科學的發(fā)展,被廣泛應用到纖維和紙的表面分析,由于在木材纖維中主要含有C、H、O三種元素,H原子對X射線不敏感,XPS不能對H進行表征,因此可以測定紙漿中的O/C。根據(jù)Dorris和Gray將木材中的碳原子分為4種結合形式,即C1、C2、C3、C4,(1)C1代表只和碳、氫連接的碳原子(-C-H,-C-C),其電子結合能為285eV,來源于纖維表面的木素和抽提物;(2)C2代表與1個非羰基類的氧原子連接的碳原子(-C-O),能譜峰為286.5eV,主要來源于纖維素和半纖維素的羥基;(3)C3代表與2個非羰基類的氧或一個羰基類氧原子連接的碳原子(O-C-O或C=O),能譜峰為288～288.5eV,主要來源于木素分子中的酮基、醛基或纖維素分子的氧化產物;(4)C4代表連有一個羰基類氧原子和一個非羰基類氧原子的碳原子(O-C=O),能譜峰為289～289.5eV,四種結合方式中,前三種是主要結合方式。通常C1s的標準結合能是285eV,對XPS圖譜中的C1s峰進行峰分解,可分為四個小峰,即C1、C2、C3和C4峰,O1s譜由雙重峰組成,分別表示氧和碳的聯(lián)結方式,通過分析碳峰結合能的位置和強度可知碳原子的結合方式及相對含量的變化,從而可以了解纖維表面的化學結構的變化。O1s的標準電子結合能為532eV,高結合能的O1則主要來自碳水化合物(C-O),其中低結合能的O2來自木素(C=O)。C1、C2、C3和C4的相對峰面積比就是其碳原子比,C1原子含量的多少反映了原料中非碳水化合物成分的多少。本研究對經堿性亞鈉法處理的桉木CTMP進行了XPS分析,主要利用C1s和O1s的XPS掃描圖譜和O/C,研究桉木CTMP表面化學結構的變化情況和表面木素含量的變化。圖1是桉木CTMP經堿性亞鈉法處理后的XPS掃描圖譜。對于一般的有機化合物,碳和氧在XPS中的標準結合能分別為285eV(C1s)和532eV(O1s)。不過由圖1可以看出,化學處理的作用是可以導致其結合能變化的,隨用堿量增大編號1的C1s峰位由286.4eV提高到286.55eV。C1s峰位向高結合能方向漂移,說明漿料表面碳水化合物含量是增加的。由表3知,隨用堿量增加,桉木CTMP纖維的O1s峰面積增大,表明氧原子數(shù)增大;C1s峰面積減少,說明碳原子數(shù)減少,即O/C比增加和C1峰面積減小。表明桉木CTMP內碳水化合物含量增加同時木素和抽提物含量減少。此結果與圖1結果相符合。表面木素濃度計算公式按照公式(1)計算:表面木素濃度=O/C紙頁?O/C碳水化合物O/C木素?O/C碳水化合物×100%(1)=Ο/C紙頁-Ο/C碳水化合物Ο/C木素-Ο/C碳水化合物×100%(1)其中(O/C)木素取0.333,(O/C)碳水化合物取0.833。從表3知,表面木素濃度隨處理用堿量增加而減少,和總木素含量測定所反映出來的趨勢一致。說明XPS的測試結果與前面紙頁物理性能的分析結果是吻合的。另外,同一漿樣的表面木素濃度均比總木素含量高,得出漿料中木素大部分是分布在纖維表面,也驗證了在XPS分析中用公式(1)來計算表面木素濃度具有較高的準確性。2.3堿性亞鈉法處理桉木ctmp表面木素的效果通過SEM對經堿性亞鈉法處理的桉木CTMP進行表面形貌觀察分析,由圖2可以發(fā)現(xiàn)桉木CTMP纖維表面分布有大量的胞間層物質,主要為木素,與李克成等人有一致結論,由圖2還可看出:隨著用堿量增加,漿料表面包覆物質逐步減少,纖維表面變得平滑一些,纖維之間的結合也更加緊密,說明經堿性亞鈉法處理桉木CTMP表面木素被降解、抽提物得到脫除,纖維表面木素含量降低,這一定性分析結果與XPS定量分析表面木素含量的結果一致。3不同用堿量對桉木ctmp表面木素濃度的影響3.1在桉木CTMP的堿性亞鈉法處理過程中,NaOH用量是影響白度、強