竹渣填料在瓦楞原紙中的應(yīng)用研究

竹渣，取自四川某造紙企業(yè)；OCC紙漿，自制。

抗張強(qiáng)度試驗(yàn)儀、漿料疏解機(jī)，瑞典Lorentzen & Wettre公司；打漿度測定儀、打漿機(jī)，陜西科技大學(xué)機(jī)械廠；紙樣抄取機(jī)，德國HG公司；SZP-04型Zeta電位儀，德國Mütek公司；壓縮儀、電腦測控厚度緊度儀，四川長江造紙儀器廠；高速粉碎機(jī)，常州市魯南干燥設(shè)備有限公司；DFR-05型動(dòng)態(tài)濾水保留儀，德國BTG公司；MorFi Compact型纖維質(zhì)量分析儀，Techpap公司；S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本理學(xué)公司；STA449F3-1053-M型同步TG-DSC熱分析儀，德國耐馳儀器制造有限公司；D8 Advance型X射線衍射儀、Vertex70型傅里葉變換紅外光譜儀，德國Bruker公司；5B-6C (V8) 型COD快速測定儀，北京連華科技公司；針筒式濾膜過濾器，天津市津騰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

對(duì)竹渣進(jìn)行物相結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果如圖1所示。結(jié)晶區(qū)衍射峰的特點(diǎn)是峰值高且尖銳、對(duì)稱度高、半高寬窄；非結(jié)晶區(qū)衍射峰的特點(diǎn)是衍射強(qiáng)度低，峰形寬為漫散狀態(tài)^[14]。竹渣填料的化學(xué)組分不單一，其含有的木素和多糖等會(huì)使相對(duì)結(jié)晶度降低。從圖1可以看出，圖中出現(xiàn)半高寬很窄、衍射強(qiáng)度很強(qiáng)的衍射峰，這是因?yàn)橹裨煊心撤N結(jié)晶度較高的物質(zhì)；在衍射角為16°（101面）和22°（002面）附近出現(xiàn)衍射峰，二者均是纖維素Ⅰ的特征結(jié)晶峰，說明竹渣中的纖維素是纖維素Ⅰ型結(jié)構(gòu)^[15]。

圖1  竹渣XRD曲線

Fig. 1  XRD curve of bamboo residues

對(duì)竹渣中所含官能團(tuán)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，竹渣在3557 cm^-1處左右有1個(gè)明顯的吸收峰，在3282 cm^-1處左右有1個(gè)較為明顯的吸收峰，這2處均為羥基（—OH）的伸縮振動(dòng)峰；在2890 cm^-1處左右處有吸收峰，這是甲基（—CH₃）和亞甲基（—CH₂）中C—H的伸縮振動(dòng)峰^[16]；在低頻率區(qū)1672 cm^-1和1446 cm^-1附近處是苯環(huán)中C=C的伸縮振動(dòng)峰^[17]；1254 cm^-1附近處的吸收峰可能是O—H的面內(nèi)彎曲振動(dòng)產(chǎn)生的；在1014 cm^-1附近處的峰可歸屬于伯醇中C—O的伸縮振動(dòng)峰。

圖2  竹渣的FT-IR圖

Fig. 2  FT-IR spectrum of bamboo residues

在抄紙過程中需對(duì)濕紙幅進(jìn)行高溫干燥，因此竹渣需要具有一定的熱穩(wěn)定性，其熱穩(wěn)定性TG和DTG曲線如圖3所示。通過圖3可看出，竹渣在濕紙幅干燥過程中并不會(huì)出現(xiàn)熱解。當(dāng)溫度低于240℃時(shí)，竹渣質(zhì)量未出現(xiàn)明顯變化，此時(shí)質(zhì)量的下降是竹渣內(nèi)部水分的蒸發(fā)；當(dāng)溫度處于240~350℃竹渣質(zhì)量迅速下降，竹渣發(fā)生劇烈熱解；當(dāng)溫度高于350℃竹渣質(zhì)量變化平緩，此時(shí)熱解后的竹渣繼續(xù)緩慢分解，最終變成灰分；整個(gè)過程中竹渣質(zhì)量損失為71.8%；從DTG曲線中可看出，質(zhì)量損失速率的峰值出現(xiàn)在344℃。

圖3  竹渣的TG和DTG曲線

Fig. 3  TG and DTG curves of ground bamboo residues

圖4為自制OCC紙漿纖維形態(tài)。圖5為自制OCC紙漿纖維長度和寬度。圖6為自制OCC紙漿纖維長寬分布。由圖4~圖6可看出，OCC紙漿纖維長短不一，且含有雜質(zhì)。通過纖維質(zhì)量分析儀對(duì)紙漿纖維進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，纖維長度在0.2~1.4 mm的占87.2%，寬度在0~40 μm的占88.3%。通過對(duì)纖維長寬分布進(jìn)行測定發(fā)現(xiàn)，寬度5~30 μm、長度0.2~0.9 mm的紙漿纖維占所測纖維的89.6%；紙漿纖維的平均寬度為23.5 μm，平均長度為0.818 mm。

  

  

圖4 自制OCC紙漿纖維形態(tài)

Fig. 4 Fiber morphology of self-made OCC pulp

  

  

圖5 自制OCC紙漿纖維長度和寬度

Fig. 5 Fiber length and width distribution of self-made OCC pulp

圖6  自制OCC紙漿纖維長寬分布

Fig. 6  Fiber length and width distribution of self-made OCC pulp

抄制竹渣加填紙并對(duì)紙張的環(huán)壓指數(shù)、抗張指數(shù)和緊度進(jìn)行測定，結(jié)果如表1~表4所示。

表1為未過60目竹渣加填對(duì)紙張環(huán)壓指數(shù)和抗張指數(shù)的影響。未過60目的竹渣加填紙手感粗糙，這是因?yàn)橹裨w粒過大，無法分布在紙張纖維網(wǎng)格中，只能沉積在紙張表面；紙樣會(huì)出現(xiàn)明顯的掉渣現(xiàn)象；沉積在表面的竹渣導(dǎo)致紙張厚度增加，從而降低紙張緊度。由表1可知，隨著竹渣添加量的增加，紙張的環(huán)壓指數(shù)先增加后減小，峰值出現(xiàn)在添加量5%，較對(duì)照組增加了7.1%；紙張的抗張指數(shù)隨添加量的增加而持續(xù)下降，較對(duì)照組最高下降了25.6%。

表2為60~100目竹渣加填對(duì)紙張環(huán)壓指數(shù)和抗張指數(shù)的影響。相比未過60目的竹渣填料加填紙，60~100目的竹渣填料加填紙的手感明顯改善；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，較多的竹渣顆粒分布于紙張纖維網(wǎng)絡(luò)中，但仍有少量竹渣顆粒沉積在紙張表面，掉渣現(xiàn)象明顯好于第一組；由表2可知，紙張緊度也明顯好于第一組。隨著竹渣添加量的增多，環(huán)壓指數(shù)先增加后減小，峰值出現(xiàn)在添加量為10%，較對(duì)照組增加了19.0%；紙張的抗張指數(shù)持續(xù)下降，較對(duì)照組最高下降了23.1%。

表3為100~200目竹渣加填對(duì)紙張環(huán)壓指數(shù)和抗張指數(shù)的影響。100~200目的竹渣加填紙手感與未加填紙基本相同，這是因?yàn)橹裨w粒小，大部分竹渣顆粒分布在纖維網(wǎng)格中，沉積在表面的竹渣顆粒較少；由表3可知，紙張緊度隨添加量的增加先增加后減小，紙張有輕微掉渣現(xiàn)象；隨竹渣添加量的增加，紙張的環(huán)壓指數(shù)先增加后減小，峰值出現(xiàn)在添加量10%，較對(duì)照組增加了26.2%；紙張的抗張指數(shù)有所下降，較對(duì)照組最高下降了9.9%。

表4為200目以上竹渣加填對(duì)紙張環(huán)壓指數(shù)和抗張指數(shù)的影響。200目以上的竹渣加填紙，手感較未加填紙更細(xì)膩，這是因?yàn)橹裨w粒填充了紙張纖維網(wǎng)格，紙樣未出現(xiàn)掉渣的現(xiàn)象；由于竹渣填料都分布在纖維網(wǎng)格中，因此紙張的緊度有所上升；由表4可知，隨著竹渣添加量的增加，紙張的環(huán)壓指數(shù)先增加后減小，峰值出現(xiàn)在添加量為15%，較對(duì)照組增加了28.6%；抗張指數(shù)隨添加量的增加而減小，當(dāng)添加量20%，較對(duì)照組下降了2.5%。

圖7為竹渣加填對(duì)紙張抗張指數(shù)和環(huán)壓指數(shù)的影響。由圖7可看出，4種竹渣加填紙的抗張指數(shù)均隨添加量增加而下降，且低于對(duì)照組；隨著竹渣添加量的增加，環(huán)壓指數(shù)均先增加后減??；竹渣的顆粒尺寸對(duì)紙張的物理性能影響較大，在相同添加量下，紙張的抗張指數(shù)和環(huán)壓指數(shù)均隨竹渣顆粒尺寸的減小而增大；竹渣顆粒尺寸越小，可添加的竹渣越多。通過上述研究發(fā)現(xiàn)，200目以上竹渣加填效果最好，當(dāng)竹渣添加量為15%，紙張的環(huán)壓指數(shù)最高。

  

  

圖7 竹渣加填對(duì)紙張抗張指數(shù)和環(huán)壓指數(shù)的影響

Fig. 7 Effect of bamboo residue filling on tensile index and ring crush index of paper

圖8為不同竹渣粒徑尺寸對(duì)其填料留著率的影響。從圖8可看出，隨著竹渣添加量的增加，各粒徑尺寸竹渣的填料留著率均下降；當(dāng)竹渣顆粒尺寸為200目以上時(shí)，竹渣添加量15%的填料留著率為61.4%，相較添加量5%的填料留著率下降了2.8%；在添加量相同時(shí)，竹渣留著率隨著竹渣尺寸的減小而下降；當(dāng)竹渣添加量為15%時(shí)，200目以上竹渣的填料留著率較未過60目竹渣的填料留著率下降了19.7%；這是因?yàn)橹裨牧糁詸C(jī)械截留為主，竹渣尺寸越大，機(jī)械截留越容易。

圖8  不同粒徑尺寸對(duì)竹渣填料留著率的影響

Fig. 8  Effect of different particle size on retention of bamboo residues filler

從紙張強(qiáng)度方面考慮，選擇200目以上竹渣進(jìn)行后續(xù)研究，控制漿濃為0.5%，采用Zeta電位分析儀對(duì)竹渣的電性質(zhì)進(jìn)行測定，結(jié)果如表5所示。

從表5中可看出，隨著竹渣添加量的增加，漿料的Zeta電位絕對(duì)值逐漸增大，因此可以判定竹渣具有電負(fù)性，不利于漿料絮凝；若要提高竹渣加填紙的紙張性能和竹渣填料的留著率，可選用陽離子助劑。

對(duì)200目以上的竹渣顆粒尺寸進(jìn)行測定，竹渣顆粒平均長度為0.316 mm，平均寬度為29.4 μm。竹渣顆粒的形貌如圖9所示，其中圖9(a)為竹渣顆粒的整體形貌圖，從中可看出竹渣形態(tài)不一，有細(xì)長棍狀、短粗棍狀等；圖9(b)是竹渣顆粒的局部形貌圖，從中可看出，竹渣顆粒表面粗糙，這可能會(huì)增大竹渣與紙漿纖維間的摩擦力，從而提高紙張的環(huán)壓指數(shù)。

  

  

圖9 200目以上竹渣FESEM圖

Fig. 9 FESEM images of bamboo residue over 200 mesh

收集未加填竹渣紙的抄造白水，將未過濾的白水記為1^#，過濾后的白水記為2^#；收集竹渣加填紙的抄造白水（竹渣尺寸為0.316 mm×29.4 μm，添加量15%），將未過濾的白水記為3^#，過濾后的白水記為4^#；將樣品用蒸餾水稀釋10倍后用COD快速檢測儀對(duì)樣品COD_Cr的濃度進(jìn)行測定，結(jié)果如表6所示。

從表6可看出，未過濾時(shí)，2組抄造白水的COD_Cr相同；當(dāng)過濾白水后，2組抄造白水的COD_Cr相比未過濾時(shí)均下降了33.3%，因此竹渣用作造紙?zhí)盍喜粫?huì)增加抄造白水的COD負(fù)荷。