玉米莖稈納米纖絲纖維提高廢紙漿成紙強(qiáng)度

本文介紹利用農(nóng)業(yè)廢棄物玉米莖稈通過有機(jī)溶劑蒸煮制漿制備CNF。將玉米莖稈纖維素納米纖絲（C-CNF）和桉樹納米硫酸鹽漿纖維素納米纖絲（E-CNF）分別加入廢紙漿中，進(jìn)行成紙后紙張的性能對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中的廢紙漿主要包括舊報(bào)紙、舊雜志紙和舊瓦楞紙等。

1 、CNF的制備

本文CNF主要來源于兩種不同的纖維素原料。其中一種為來自Torraspapel S.A.的游離度（CSF）540.8ml藍(lán)桉ECF漂白硫酸鹽漿（EBK）。另一種為風(fēng)干的玉米莖稈有機(jī)漿，該漿料是通過將玉米莖稈在實(shí)驗(yàn)室條件下，利用40%乙醇在165oC下蒸煮60min并用去離子水洗滌用以去除乙醇和溶解木素。玉米莖稈有機(jī)漿需在PFI磨漿機(jī)中（轉(zhuǎn)速為5000r/min）進(jìn)行磨漿，漿料游離度（CSF）為170ml，卡伯值為16.8。玉米莖稈漿料中未蒸煮化合物含量為5.4%，抽出物含量增加到0.55%。有機(jī)蒸煮制漿所得的漿料可避免硫酸鹽蒸煮過程中環(huán)境的影響，漿料不經(jīng)過漂白是為了最小化預(yù)處理和環(huán)境的影響。利用TEMPO氧化處理納米纖維原料，其中EBK漿料中使用5mmol/g NaClO，玉米莖稈漿中使用15mmol/g NaClO。不同組分漿料需要不同的NaClO加入量。

氧化后，漿料需用去離子水洗滌、水解直到pH值為中性。最后，漿料在PANDAPLUS 2000中60MPA的壓力下處理6次，所得CNF的濃度控制在0.3%～0.5%之間。

2 、紙漿

采用Messmer漿料打漿機(jī)將20g絕干廢紙漿在轉(zhuǎn)速為30000r/min的條件下處理1h。本實(shí)驗(yàn)不同的廢紙漿分別為（i）舊報(bào)紙和舊雜志紙按照不同比例（70/30、60/40、50/50以及30/70）配比形成的脫墨報(bào)紙漿原料；（ⅱ）舊瓦楞紙的紙芯部分。再生紙需要浸泡在水中至少24h使得纖維能夠完全潤(rùn)脹。舊瓦楞紙中的纖維物理水解，為了使得CNF能夠留著利用磨漿機(jī)將漿料和陽離子淀粉混合處理20min。廢紙漿中不同廢紙的配比為60/40被認(rèn)為是制備CNF最佳配比。

玉米莖稈纖維素納米纖絲（C-CNF）的生產(chǎn)效率是56%，桉樹納米硫酸鹽漿纖維素納米纖絲（E-CNF）得率要超過95%。

利用AFM圖像來表征CNF的特性，用以表征細(xì)纖維化和均化的不同，CNF基本上都是直徑為6nm左右的納米纖維。C-CNF懸浮液中大多為單根纖維和較少的纖維束，這樣會(huì)使得C-CNF的均化程度高;但是E-CNF懸浮液中直徑分布范圍較廣并且含有較多的纖維束。

從E-CNF透射度也可看出，C-CNF除了其較低的得率外還有很高的透射度。因此，C-CNF離心后會(huì)有大量的顆粒存在，但這些顆粒不是細(xì)小纖維和纖維;從表2中可知800nm透射光強(qiáng)的透射度數(shù)值表明C-CNF中存在顆粒的質(zhì)量大于纖維素的質(zhì)量，這是因?yàn)檫@些顆粒中可能有非纖維素物質(zhì)存在。

3 、CNF作為廢紙漿添加物

廢紙漿中加入CNF用以改善廢紙的機(jī)械性能，主要是改善成紙的抗張強(qiáng)度，CNF不會(huì)影響濕部的成紙過程。

表明抗張指數(shù)和CNF的類型和加入量相關(guān)，C-CNF濃度為0.5%時(shí)其抗張指數(shù)的增加值最大，要比沒有加入C-CNF的抗張指數(shù)的增加值高出19.4%。E-CNF加入后紙張性能完全不同，隨著E-CNF增加抗張強(qiáng)度也會(huì)隨之改善。當(dāng)E-CNF濃度為1.5%時(shí)，抗張指數(shù)增加20%。當(dāng)E-CNF濃度為9%和12%時(shí)抗張指數(shù)會(huì)進(jìn)一步增加（12%E-CNF抗張指數(shù)增加40%）。

表示了C-CNF和E-CNF對(duì)撕裂指數(shù)的影響。C-CNF對(duì)紙張性能會(huì)有更大的影響，因?yàn)闈{料中有很多干強(qiáng)劑如C-PVA、C-PVA與A-PAM的絡(luò)合物以及蔗糖。

C-CNF加入量對(duì)紙張性能的影響和E-CNF的影響相似但卻略低于E-CNF對(duì)紙張性能的影響，本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果與之前的研究結(jié)果在有關(guān)CNF對(duì)脫墨漿和原漿影響的表述基本上是一致的。

4 、不同廢紙中CNF的應(yīng)用

廢紙?jiān)�料用于制備再生紙張時(shí)對(duì)紙張的性能和添加物的性能均會(huì)有著相當(dāng)顯著的影響。本實(shí)驗(yàn)使用的OMG和ONP依據(jù)配比情況的不同也有著不同的特性，例如，OMG的高填料特性能夠影響漿料的表觀結(jié)構(gòu)和灰分。

ONP/OMG漿料按照30:70的比例混合其填料的含量要比按照70:30的比例混合高出1倍。相比較含有CNF和不含CNF的漿料表觀結(jié)構(gòu)分析來看，漿料的表觀結(jié)構(gòu)基本上沒有不同。手抄片中有CNF留著，但不會(huì)幫助漿料聚合或者對(duì)漿料產(chǎn)生其他的宏觀影響。

當(dāng)CNF加入到不同廢紙漿料時(shí)，OMG組分對(duì)紙張的抗張指數(shù)幾乎沒有影響。

ONP/OMG廢紙混合漿料中，C-CNF的濃度在0.5%～1.5%之間時(shí)抗張強(qiáng)度變化是相同的。當(dāng)C-CNF加入量增加時(shí)，保證陽離子淀粉加入量不變，這樣就不會(huì)導(dǎo)致紙張抗張指數(shù)的增加。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明陽離子淀粉濃度為0.5%時(shí)會(huì)使得C-CNF留著量最大。當(dāng)在OMG廢紙漿中加入1.5%E-CNF時(shí)，抄造的手抄片抗張強(qiáng)度會(huì)輕微下降；當(dāng)E-CNF濃度為3%時(shí)，抗張強(qiáng)度略有上升；OMG漿料中加入3%E-CNF的抗張強(qiáng)度最高。陽離子淀粉能夠使?jié)舛葹?%E-CNF留著；這表明陽離子淀粉與E-CNF的相互作用程度要比C-CNF高。

5 、結(jié)論

5.1 玉米莖稈是一種可用于制備CNF的農(nóng)業(yè)廢棄物；

5.2 C-CNF能夠改善再生紙板的機(jī)械性能，E-CNF也能夠達(dá)到相似的效果；

5.3 C-CNF的生產(chǎn)效率和得率要低于E-CNF，低濃度C-CNF能夠彌補(bǔ)原漿低得率帶來的不利影響，因?yàn)榈蜐舛龋▌┝浚┠軌蛳拗艭-CNF對(duì)松厚度的不利影響，有利于C-CNF的分散。

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