徐飛強(qiáng)  張方東*  王  彪

 （天津科技大學(xué)造紙學(xué)院，天津，300457）

摘要：探討了高強(qiáng)高模聚乙烯醇( HSHMPVA)纖維長度及其排列對紙張性能和經(jīng)酸堿處理、殼

聚糖涂敷的HSHMPVA纖維對紙張性能的影響。結(jié)果表明，紙張裂斷長和撕裂指數(shù)隨著HSHMPVA纖維長度的增加而提高；但HSHMPVA纖維用量增加，紙張的橫向裂斷長和撕裂指數(shù)均會有所下降；酸堿處理的HSHMPVA纖維對紙張增強(qiáng)效果為：酸處理>堿處理；殼聚糖涂敷HSHMPVA纖維對紙張有顯著增強(qiáng)效果。

關(guān)鍵詞：HSHMPVA；紙張性能；裂斷長；撕裂指數(shù)；纖維排列

中圖分類號：TQ722 DOI:10.11980/j. issn．0254-508X．2016. 06.004

 高強(qiáng)高模聚乙烯醇( HSHMPVA)纖維可采用濕法加硼式紡絲、直接醇解式紡絲和凝膠式紡絲等加工技術(shù)制得。這類纖維在熱水中幾乎不溶解，為了將其與水溶性纖維區(qū)分開，習(xí)慣稱為難溶性聚乙烯醇纖維，其強(qiáng)度一般為10~13 cN/dtex，模量可達(dá)200～400 cN/dtex。

 由于HSHMPVA纖維具有較高的強(qiáng)度性能，其在各行業(yè)中均有應(yīng)用，HSHMPVA纖維最早應(yīng)用于提高混凝土基材、纖維水泥板的強(qiáng)度性能，還可以應(yīng)用在建筑墻體上。隨著造紙纖維功能化需求的增加，HSHMPVA纖維在特種紙上的應(yīng)用逐漸增多。面對如何使其表面粗糙的問題，國內(nèi)外學(xué)者研究并提出了一系列纖維表面改性的方法，如酶處理、等離子改性、臭氧氧化等。肖長發(fā)等人提出可通過在濕法紡絲拉伸過程中增加PVA纖維的間規(guī)體積分?jǐn)?shù)來實現(xiàn)其強(qiáng)度性能的進(jìn)一步提升；余調(diào)娟等人采用丙烯酸和聚丙烯纖維共輻照接枝的方法改性PVA纖維，探討其對濕法抄紙工藝的影響。

 本實驗探討了HSHMPVA纖維長度、纖維排列、用量對紙張性能的影響，研究了酸、堿處理以及殼聚糖涂敷3種處理方式改性后的HSHMPVA纖維對紙張性能的影響。為特種紙的生產(chǎn)提供一定的參考。1實驗

1.1原料和試劑

 高強(qiáng)高模聚乙烯醇( HSHMPVA)(長度分別為2、4、6 mm)產(chǎn)自深圳某化纖廠。漂白硫酸鹽針葉木漿( NBKP)，由山東某制漿廠提供，纖維平均長度2.114 mm，纖維平均寬度29.2 μm，初始打漿度140SR。H2SO4、冰醋酸均為分析純，天津市化學(xué)試劑一廠；Na OH、殼聚糖均為分析純，購自天津市江天化工技術(shù)有限公司。

1.2主要儀器

 動態(tài)紙頁成形器（FDA，法國Techpap公司），掃描式電子顯微鏡（SU-1510，日本日立公司），激光共聚焦掃描顯微鏡（EC-C1，日本NIKON公司），快速紙頁成形器（RK-ZA-KWT，奧地利PTI公司）。

1.3實驗方法

1. 3.1漿料的制備

 將漂白硫酸鹽針葉木漿板撕碎，置于去離子水中浸泡4h，然后放人纖維解離器中按照QB/T1462-1992標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行漿料疏解，再將漿料用布氏漏斗脫水，平衡水分后測其水分含量，放入密封容器內(nèi)儲存待用。

 取絕干漿料和HSHMPVA纖維共計30 g（3種纖維配抄時需要加入一定比例的水溶性PVA纖維），加水至漿濃為10%，放人PFI磨中進(jìn)行磨漿處理，直至打漿度為450SR。取出并用布式漏斗過濾脫水，以減少細(xì)小纖維的流失，然后平衡水分，測其水分后儲存于密閉容器內(nèi)。

1.3.2抄紙

  按GB/T 24324-2009和FDA操作手冊用快速紙頁成形器和動態(tài)紙頁成形器抄紙，紙張定量為60g/m2。

1.3.3紙張物理性能檢測

  將抄好的紙張置于恒溫恒濕環(huán)境中24 h，按相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行紙張的物理性能檢測。紙張裂斷長和伸長率按照GB/T 12914-2008測定；撕裂指數(shù)按GB/T455-2002測定；松厚度按GB/T 451.3-1989測定。

1.3.4 HSHMPVA纖維的改性處理

 酸處理：先將98%濃H2S04稀釋成濃度為5%、10%和15%的溶液，將稱量好的HSHMPVA纖維放入不同濃度H2SO4的燒杯中，并將其放人恒溫水浴鍋中控制溫度在25℃，處理時間90 min，取出后用蒸餾水洗滌至中性備用。

 堿處理：配制濃度為5%、10%和15%的Na OH溶液，并分別對HSHMPVA纖維進(jìn)行處理，處理條件與酸處理相同。

 殼聚糖涂敷：殼聚糖能溶于某些低濃度的有機(jī)酸和無機(jī)酸中，因為殼聚糖是帶有氨基的堿性多糖，實驗中采用錢麗穎等人研究的化學(xué)纖維改性新方法。稱取0.1 g殼聚糖放人已配好的100 m L濃度為0.2%的稀醋酸溶液中，用磁力攪拌器攪拌9～10 h，使其充分溶解，并用Na OH溶液調(diào)節(jié)pH值至接近中性。用濾布分離溶液中的殼聚糖凝膠，將稱量好的HS-HMPVA纖維（約1g）加入到殼聚糖凝膠中攪拌均勻，并不斷通入CO2使其偏酸性，浸泡9～10 h后將HSHMPVA纖維取出，風(fēng)干備用。

1.3.5動態(tài)紙頁成形器漿網(wǎng)速比設(shè)置

 在裝置中，成形桶的轉(zhuǎn)速即為網(wǎng)速( m/min)，而漿速則需要根據(jù)漿泵轉(zhuǎn)速及漿流量間接計算，即漿速=流量(Q)／噴頭面積(S)，實驗中取噴頭型號為2510，孔徑2 mm，則漿速約為320．Q，其中Q可根據(jù)不同漿泵轉(zhuǎn)速下記錄噴射1 L漿料所需的時間來獲得，具體如表1所示。

2結(jié)果與討論

2.1  HSHMPVA纖維長度對紙張強(qiáng)度的影響

 由于HSHMPVA纖維表面無羥基，與紙漿纖維之間只能以物理纏繞的方式結(jié)合，因此加入HSHMPVA纖維后紙張纖維結(jié)合強(qiáng)度下降。然而，在用量相同的情況下，纖維長度的增加有利于紙張三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的加固。因此，可通過紙張纖維結(jié)合強(qiáng)度下降權(quán)重來間接表示纖維長度對紙張強(qiáng)度性能的影響。圖1為HS-HMPVA纖維長度對紙張強(qiáng)度性能的影響。由圖1可知，紙張裂斷長和撕裂指數(shù)會隨HSHMPVA纖維長度增加而提高。

2.2 HSHMPVA纖維排列及用量對紙張性能的影響

 動態(tài)紙頁成形器可通過設(shè)置漿泵的轉(zhuǎn)速來間接控制漿速，需要根據(jù)實驗方法1.3.5換算實際的漿速。由于設(shè)備的局限性，實際網(wǎng)速的選擇范圍只能在1000 N1400 m/min的區(qū)間內(nèi)。表2所列為長度4 mm的HSHMPVA纖維不同用量下，纖維排列對紙張性能的影響。通過表2可知，漿速不變的條件下，不同的網(wǎng)速對紙張松厚度的影響不大，但HSHMPVA纖維的用量對紙張的松厚度影響較大。這是因為HSHMPVA纖維本身的柔軟度要比植物纖維差，在纖維結(jié)合過程中不易彎曲，增加了纖維結(jié)合點(diǎn)處的厚度，因此，紙張松厚度會隨著HSHMPVA纖維用量的增加而上升。

 通過對比可以發(fā)現(xiàn)，添加長度4 mm HSHMPVA纖維后，紙張縱、橫向裂斷長隨網(wǎng)速的升高卻表現(xiàn)出與未添加HSHMPVA纖維相反的趨勢，這主要是由于加入HSHMPVA纖維，隨著網(wǎng)速的提高，會使纖維有序排列程度加大，導(dǎo)致紙張強(qiáng)度影響因素之一的“纖維間的機(jī)械纏結(jié)”作用減少，纖維間結(jié)合力作用的權(quán)重增加，而HSHMPVA纖維自身與紙漿纖維之間幾乎沒有結(jié)合力，對紙張橫向裂斷長而言，沿橫向排列的HSHMPVA纖維數(shù)量會減少，紙漿纖維則相對增加，導(dǎo)致橫向裂斷長隨縱橫比的增加而有所提高；而縱向排列的HSHMPVA纖維較多，縱向裂斷長則相對下降。撕裂指數(shù)主要受纖維平均長度的影響，由于所加入的HSHMPVA纖維長度略長于紙漿纖維，當(dāng)紙張縱向排列的纖維增多時，導(dǎo)致橫向撕裂紙張所克服的阻力增大，表現(xiàn)為橫向撕裂指數(shù)隨網(wǎng)速的增大而上升，縱向撕裂指數(shù)則相對下降。

 為了更加直觀地研究HSHMPVA纖維用量、網(wǎng)漿速比對紙張裂斷長的影響，將表2中的數(shù)據(jù)變化總結(jié)如圖2所示。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，漿速一定，當(dāng)網(wǎng)速小于某一臨界值時，縱向裂斷長的變化比較平緩，而超過這個臨界值，則變化幅度開始增大。由此可知，纖維間結(jié)合力在影響紙張縱向裂斷長中的權(quán)重會在網(wǎng)漿速比到達(dá)臨界值后上升。

2.3  酸、堿處理及殼聚糖涂敷HSHMPVA纖維對紙張性能的影響

 圖3所示為不同濃度的酸堿處理后HSHMPVA纖維對紙張裂斷長的影響。由圖3可知，經(jīng)過酸或堿處理后的HSHMPVA纖維所抄紙張裂斷長會有所提高，且隨著酸或堿濃度的增加，紙張裂斷長的增幅也會加大，這主要是由于酸或堿能對HSHMPVA纖維表面起腐蝕作用，利用酸堿的腐蝕性來增加纖維表面的粗糙程度，從而提高HSHMPVA纖維與木漿纖維間的結(jié)合

強(qiáng)度。圖4給出了酸處理前后HSHMPVA纖維的表面變化。由圖4可以明顯看出，酸處理后HSHMPVA纖維與未處理的HSHMPVA纖維相比，纖維粗糙，發(fā)生了形變。由圖3還可以看出，經(jīng)過酸處理的HSHMP-VA纖維對紙張的增強(qiáng)效果要優(yōu)于堿處理的效果，這與纖維本身耐堿性有關(guān)。

 表3為殼聚糖涂敷HSHMPVA纖維對紙張性能的影響。由表3可知，殼聚糖涂敷HSHMPVA纖維的紙張裂斷長，撕裂指數(shù)和伸長率均高于未經(jīng)殼聚糖涂敷HSHMPVA纖維紙張的。這主要是由于表面光滑的HSHMPVA纖維涂敷了一層殼聚糖后，纖維親水性得到極大改善，增加了其與木漿纖維間氫鍵的結(jié)合數(shù)量，從而提高纖維間的結(jié)合力，使紙張強(qiáng)度性能得到提升。

3結(jié)論

3.1紙張裂斷長和撕裂指數(shù)會隨高強(qiáng)高模聚乙烯醇( HSHMPVA)纖維長度增加而上升。

3.2 HSHMPVA纖維用量的增加可以提高紙張的松厚度，但會降低紙張的裂斷長和撕裂指數(shù)。

3.3相同HSHMPVA纖維用量，增加網(wǎng)漿速比，會增加紙張橫向裂斷長，降低紙張的縱向裂斷長；增加橫向撕裂指數(shù)，降低縱向撕裂指數(shù)。

3.4經(jīng)過酸處理或堿處理的HSHMPVA纖維均可以增加紙張裂斷長，其中，酸處理的HSHMPVA纖維增強(qiáng)效果要好于堿處理的；且殼聚糖涂敷過的HSHMP-VA纖維也對紙張強(qiáng)度提高有一定的促進(jìn)作用。