摘要
本研究以废纸浆为原料,采用硫酸水解法制备纤维素纳米晶体(CNC),并将其用于箱纸板的增强。结果表明,所制备的CNC呈典型的棒状结构,其直径和长度范围分别为11~23 nm和115~240 nm,长径比为5∶1~22∶1,Zeta电位为-56.37 mV,CNC聚集态呈纤维素I型结构,结晶度为71.1%,热稳定性较废纸浆略有降低;在CNC用量为3%的一元增强实验中,箱纸板的抗张指数、撕裂指数、耐破指数、环压指数和耐折度分别为30.5 N·m/g、6.22 mN·
废纸的循环利用是解决我国造纸工业原料短缺的有效途径。近年来,随着我国对进口固废的管控逐渐严格,废纸的进口量急剧降低,据中国造纸协会统计,2019年废纸进口量为1036万t,较上年同期减少39.17
纳米纤维素作为一种新型生物基高分子功能材料,与天然纤维素相比,具有机械强度高、比表面积大、长径比大、拉伸强度高和亲水性强等优良性能,在纤维增强领域具有潜在的应用价
本研究以废纸浆为原料,采用硫酸水解法制备CNC,并对其进行结构表征。将所制备的CNC作为箱纸板的增强剂,研究了其增强效果,并将其进一步与阳离子淀粉(CS)和阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)组成二元增强体系,将其对箱纸板的增强作用进行了比较。
废纸浆(WP,由1
高速离心机(TGL-20M,长沙高新技术产业开发区湘仪离心机仪器有限公司);数控超声清洗器(KQ-250DV,昆山市超声仪器有限公司);立式冷冻干燥机(FreeZone®12L-84C,美国LABCONCO公司);纤维质量分析仪(FS5,芬兰Valmet公司);纤维解离器(L260-5015,瑞典Lorentzen & Wettre公司);快速凯塞纸页成型器(RK-3A,奥地利PTI公司);纳米粒径和Zeta电位分析仪(Zetasizer Nano ZS90,英国Malvern公司);扫描电子显微镜(SEM,Regulus 8220,日本Hitachi公司);原子力显微镜(AFM,Multimode 8,德国Bruker公司);透射电子显微镜(TEM,JEM-2100,日本JEOL公司);X射线衍射仪(XRD,D8-ADVANCE,德国Bruker公司);傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR,Vertex70,德国Bruker公司);同步热分析仪(TG,STA 449 F3,德国NETZSCH公司)。
采用D0EpD1三段漂对废纸浆进行漂白,整个实验过程在聚乙烯密封袋中进行。D0段处理条件:浆浓10%,反应温度60℃,反应时间40 min,ClO2添加量1%;Ep段处理条件:浆浓10%,反应温度80℃,反应时间90 min,NaOH添加量1%,H2O2添加量3%;D1段处理条件:浆浓10%,反应温度80℃,反应时间90 min,NaOH添加量0.5%,ClO2添加量3%;药品用量均相对于绝干浆计。所制漂白废纸浆(BWP)放入聚乙烯密封袋中平衡水分以备用。
在冰浴条件下,取一定量的BWP,将质量分数为64%的H2SO4按照比例18∶1(mL/g绝干浆)缓慢地滴加到BWP中,搅拌10 min后,转移到45℃的恒温水浴锅中,继续机械搅拌60 min,随后加入适量的去离子水稀释以终止反应。利用高速离心机(8000 r/min,10 min)将得到的物料悬浮液离心洗涤多次,直至上清液变混浊。将混浊液移入透析袋中,在流动的去离子水中透析至透析液pH值呈中性。将透析袋内产物用超声器(功率200 W)处理30 min,即可得到CNC悬浮液。利用立式冷冻干燥机对其中一部分CNC悬浮液进行冷冻干燥,另一部分CNC悬浮液置于4℃环境下冷藏备用。
SEM:将冷冻干燥后的CNC样品用双面导电胶带固定在金属样品台上,在真空条件下对其表面进行喷金处理,然后利用SEM观察样品表面形貌,加速电压为5.0 kV。
AFM:将质量分数为0.001%的CNC悬浮液超声分散5 min,用移液枪吸取10 μL分散后的CNC悬浮液滴至洁净的云母片表面,在40℃的烘箱中干燥12 h后,将云母片固定于样品台上进行AFM观察,所得图像用NanoScope Analysis软件进行分析。
TEM:将质量分数为0.01%的CNC悬浮液超声分散5 min,用移液枪吸取10 μL分散后的CNC悬浮液滴至洁净的碳膜覆盖的铜网(300目)上,室温下自然干燥12 h后,吸取1 μL质量分数为1%的磷钨酸染色剂滴至干燥后的铜网上,染色10 min后,用滤纸将多余的染色剂移除。染色后的样品于室温下自然干燥后使用TEM进行观察,操作电压为200 kV。CNC的长度和直径使用ImageJ软件(Version 1.48)进行分析。
Zeta电位:将质量分数为0.1%的CNC悬浮液超声分散10 min后,取1 mL加入到石英样品槽中,使用纳米粒径和Zeta电位分析仪测量其Zeta电位。测量条件:测量温度25℃,折射率1.468,吸收率0.1
FT-IR:将冷冻干燥后的样品与KBr粉末混合后研磨压片,采用FT-IR扫描,扫描范围500~4000 c
XRD:取适量冷冻干燥后的样品于XRD的射线衍射槽内进行测试,样品测试采用铜靶X光管(λ=1.54056 nm),加速电压40 kV,管电流40 mA,扫描范围2θ为10°~40°,扫描速度5°/min,结晶度依据式(1)计
CrI = × 100% (1)
式中,CrI为结晶度指数,%;I002代表样品在002晶格衍射角的极大强度;Iam代表2θ角在18°时非结晶区的衍射强度。
热稳定性:采用TG分析样品的热稳定性。分别称取5~10 mg冷冻干燥后的样品,置于载物坩埚中,在氮气环境中(流速20 mL/min)以20℃/min的升温速率从室温升温至800℃。
准确称取一定量的废纸浆,疏解后加入增强剂(CNC/CPAM/CS),机械搅拌5 min,若为二元增强体系,则先加入CS或CPAM溶液,机械搅拌5 min,再加入CNC悬浮液机械搅拌5 mi
纸浆组分的测定参照国家标准进行,其中灰分含量的测定参照GB/T 742—2018;苯-醇抽出物含量的测定参照GB/T 10741—2008;纤维素与综纤维素含量的测定参照GB/T 2677.10—1995;酸不溶木素含量的测定参照GB/T 747—2003;酸溶木素含量的测定参照GB/T 10337—2008;纸浆白度的测定参照GB/T 8940.2—2002;纸浆纤维质量分析采用纤维质量分析仪进行测试;纸张抗张强度的测定参照GB/T 12914—2008;撕裂强度的测定参照GB/T 455—2002;耐破度的测定参照GB/T 454—2002及GB/T 1539—2007;环压强度的测定参照GB/T 2679.8—2016;耐折度的测定参照GB/T 457—200
WP和BWP的化学组分、白度及纤维质量分析结果如

图1 CNC 的表面形貌图
Zeta电位的绝对值越大,粒子间的静电斥力越强,悬浮液的稳定性越
BWP和CNC的FT-IR分析结果如

图2 BWP及CNC的FT-IR和XRD谱图
结晶度是描述纤维素超分子结构的重要结构参数。纤维素的结晶度是指纤维素中的结晶区占纤维素整体的百分比,反映纤维素在聚集时形成结晶的程
BWP及CNC的TG曲线和DTG曲线如

图3 BWP及CNC的TG曲线和DTG曲线
CNC一元增强体系对纸张强度性能的影响如

(a) 抗张指数和撕裂指数

(b) 耐破指数、环压指数和耐折度
图4 CNC添加量对纸张强度性能的影响
在CS-CNC二元增强体系中,确定CNC用量为1%和3%,CS用量为1%和2%,其对纸张强度性能的影响如
CPAM-CNC二元增强体系对纸张强度的改善效果如
与CS-CNC二元增强体系相比,CPAM-CNC二元增强体系对纸张抗张指数的改善幅度略低,而撕裂指数、耐破指数、环压指数和耐折度的改善幅度相近。这可能归因于CS水溶性和分散性较好,增加了纸张内部和表面纤维间的氢键结合,而高分子质量CPAM易于引起絮凝现象,影响了增强效果。
本研究以废纸浆为原料,采用硫酸水解法制备了纤维素纳米晶体(CNC),并对其进行了表征,将CNC作为纸张增强剂,分别探讨了CNC一元和阳离子淀粉(CS)-CNC及阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)-CNC二元增强体系在箱纸板中的增强效果。
3.1 制备的CNC呈规则的棒状结构,其直径和长度范围分别为11~23 nm和115~240 nm,长径比为5∶1~22∶1,Zeta电位为-56.37 mV,CNC呈典型的纤维素I型结构,结晶度为71.1%,其热稳定性较废纸浆略有降低。
3.2 在CNC用量为3%时,一元增强体系的增强效果显著,纸张的抗张指数、撕裂指数、耐破指数、环压指数以及耐折度较未添加CNC的纸张分别提高了19.2%、9.5%、22.5%、36.9%和28.7%。
3.3 CNC与CS或CPAM复合的二元增强体系增强效果优于CNC一元体系。在CS用量2%、CNC用量3%时,纸张的抗张指数、撕裂指数、耐破指数、环压指数及耐折度分别较CNC用量为3%时提高了30.5%、4.1%、12.7%、11.6%、33.3%;在CPAM用量2%、CNC用量3%时,纸张的抗张指数、撕裂指数、耐破指数、环压指数和耐折度分别较CNC用量为3%时提高了21.9%、3.5%、12.3%、10.6%和33.3%。
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