空气滤纸用纸浆纤维的超声波协同碱脲改性及机理研究
作者单位：齐鲁工业大学
学位级别：硕士
导师姓名：赵传山
授予年度：2019年
学科分类：082903[工学-林产化学加工工程] 08[工学] 0829[工学-林业工程] 082201[工学-制浆造纸工程] 0822[工学-轻工技术与工程]
摘 要：空气滤纸作为一种必不可少的功能纸,要求纸张需要有过滤阻力小,容尘量高,过滤精度、效率高等特性。植物纤维由于其自身特性,难以完全满足空气滤纸的生产要求。传统生产工艺中,一般采用丝光化处理植物纤维,降低植物纤维交织能力,提高成纸松厚度,进而达到低过滤阻力、高容尘量的效果。丝光化过程的不足之处是用碱量高、废水排放后对环境污染较大。采用绿色溶剂对纤维进行改性,获得高松厚度、高透气度、孔径分布均匀的纸基材料纤维,以此作为空气滤纸等产品的原料,既提高了纤维的使用效果,又不污染环境,具有重要意义。本论文选用漂白硫酸盐针叶木浆为原料,采用碱脲体系(NaOH-尿素-硫脲、NaOH-尿素、NaOH-硫脲)在低温下对纸浆纤维进行温和处理,以制备使用寿命长,过滤阻力低,透气性好,孔径分布均匀的空气滤纸。通过对比三种处理方法对纤维形态结构及成纸性能的影响,选择出经济有效的处理方法。在此基础上,探究了超声波的协同作用对碱脲体系改性效果及纤维成纸性能的影响,阐明了超声波协同碱脲体系改性纤维的机理。将改性后的纤维进一步进行硅烷偶联剂改性,以在空气滤纸原纸树脂涂布时赋予纤维和树脂良好的相容性。采用NaOH-尿素-硫脲、NaOH-尿素、NaOH-硫脲水溶液分别在低温下(-15℃)对纸浆纤维进行改性处理。在处理过程温和,节省原料的基础上,综合考虑处理后纤维形态结构与成纸性能的变化,对比三者后选择经济有效的处理方法和配比。最终选用8wt%NaOH-8wt%硫脲水溶液低温处理20 min进行后续研究。此时,纤维长度下降13%,细小纤维含量减少60%,卷曲指数上升63%。于此同时,纤维表面粗糙度提升158%,结晶度降低2.17%。成纸后松厚度达到6 cm/g,相对于未处理的纤维提升39.53%,透气度提升105%,平均孔径由28.79μm增加到49.62μm,强度下降45%。将超声波与NaOH-硫脲水溶液改性结合起来处理纸浆纤维,探究了超声波功率和处理时间对NaOH-硫脲水溶液改性纤维的影响。结果表明,在处理过程中,利用超声波代替恒速搅拌器将纤维和处理溶液混合均匀(混合时间为5 min),在超声功率为30%(360W)时效果较佳。此时,纸张松厚度达到6.75 cm/g,相对提高10.6%,透气度为920 mm/s,结晶度由原来的77.89%下降至63.24%;在超声波混合及NaOH-硫脲水溶液低温处理后,再次对纤维超声处理,以改善纸张强度和孔径均匀性。最佳方案为采用40%(480W)的超声功率处理20 min,纸张松厚度为6.68 cm/g,抗张指数为1.57 N·m/g,透气度为825 mm/s,平均孔径分布从80μm10μm变为50μm0μm。超声波空化作用产生的微射流冲击波会使纤维表面及内部结构受到损伤,结构变得趋于松散,从而使处理纤维素的溶剂分子深入纤维内部,有利于NaOH-硫脲水溶液在低温下处理纤维,提高其反应程度。在NaOH-硫脲和纤维的混合溶液中,NaOH中的OH与硫脲的-NH存在较强的氢键作用,在低温状态下,溶液中的溶剂分子非常容易与纤维素链上的C6上的羟基缔合,而且生成相对稳定的管状包合物。管状包合物的产生破坏了纤维分子间的氢键,纤维素链发生分散和解离,部分破坏了纤维的结晶区,从而使纤维呈现出弯曲扭结的状态。以超声波结合NaOH-硫脲水溶液处理后的纤维为原料,制备空气滤纸原纸后进行树脂涂布。为了改善树脂与纤维的相容性,将纤维采用硅烷偶联剂(KH570)改性,然后按照20%的涂布量将丙烯酸树脂喷淋在原纸表面。红外数据显示,KH570通过化学键连接在了纤维素表面。KH570改性前后喷淋树脂的纸张抗张指数由原纸的1.6 N·m/g分别提升到3.39 N·m/g和3.5 N·m/g;纸张的平均内结合力分别提升至30 J·m和35 J·m;纸张弯曲挺度由原纸的75 mN分别提升至312mN和320 mN;纸张透气度和松厚度几乎没有变化。
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