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植物纤维对玻璃纤维滤纸增强效果的研究

  • 李喜坤 1
  • 杨仁党 1
  • 王阳 1
  • 盛杰 1,2 ✉
1. 华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640； 2. 佛山科学技术学院环境与化学工程学院，广东佛山，528000

中图分类号： TS721

最近更新：2023-06-21

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2023.06.002

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EN 引
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摘要

将植物纤维加入由短切玻璃纤维和微细玻璃棉组成的玻璃纤维中，通过分散、成形、浸胶、干燥等工艺制备了植物纤维增强的玻璃纤维滤纸；探究了植物纤维类型、纤维占比、纤维打浆度对滤纸抗张强度、过滤性能及匀度的影响。结果表明，植物纤维的添加可有效提高玻璃纤维滤纸的抗张强度，但对其过滤性能和匀度会产生不利影响；制备植物纤维增强的玻璃纤维滤纸的最优工艺条件为：阔叶木纤维占比5%、打浆度为40 °SR，在此条件下，玻璃纤维滤纸的抗张指数较空白样提高了25.3%，品质因子也可维持在0.0220 Pa-1的较高水平。

近年来，随着现代工业化水平的不断提高，我国的能源消耗量也在不断激增。目前，储量丰富、价格低廉的煤炭和石油等化石能源仍是我国主要的能源形式，然而化石能源在维持社会发展的同时也造成了严重的空气污染问题[

1-2]。随着人们生活品质的不断提高，减少空气中有害物质含量及提高空气质量，已成为迫在眉睫的社会诉求。为改善室内空气质量，性能优异的空气过滤材料已逐步成为科研工作者和生产企业的研究热点[3-4]。

空气过滤器可有效去除空气中的各种颗粒物[

5]、气溶胶[6]、有害气体等物质，被广泛应用于室内净化和洁净房除尘等领域[7-8]。过滤材料作为空气过滤器的核心部件，是决定过滤器性能的关键。常见的过滤材料是以玻璃纤维[9-10]、植物纤维[11-12]、合成纤维[13-14]、静电纺丝纤维[15-16]等为主要原料，通过湿法成形或其他方法制备而成，具有比表面积大、可加工性好、过滤效率高等优点。其中，玻璃纤维滤纸因优异的过滤性能[17]，已成为高效过滤材料的最佳选择。然而，脆性较强的无机玻璃纤维难以产生分丝帚化和纤维间氢键，导致成形后玻璃纤维滤纸的纤维交织强度低，易破损，限制了其规模化应用。

在保留玻璃纤维滤纸原有良好过滤性能的基础上，提高其强度是改善其应用性能的关键。目前，研究者主要通过添加化学纤维对玻璃纤维滤纸进行增强。邓嘉琳等人[

18]分别将维纶纤维、涤纶纤维与玻璃纤维配抄；朱吕等人[19]使用芳纶浆粕代替玻璃纤维滤纸中部分玻璃棉，结果表明，加入化学纤维可提高滤纸的强度，但化学纤维的疏水性导致其在使用时还需加入分散助剂。植物纤维具有亲水的羟基，在分散时无需加入额外助剂。此外，相比化学纤维，植物纤维具有可再生、可降解、易获得、价格适宜等优势。因此，探究植物纤维对玻璃纤维滤纸的增强潜力具有重要意义。

本研究通过在玻璃纤维滤纸中引入分丝帚化后的植物纤维，利用植物纤维间的氢键结合和交织作用以改善玻璃纤维滤纸的强度。首先将植物纤维加入到由短切玻璃纤维和微细玻璃棉组成的玻璃纤维中，然后经湿法成形制备了植物纤维增强的玻璃纤维滤纸。探究了植物纤维类型、纤维占比、纤维打浆度对玻璃纤维滤纸的增强作用以及对玻璃纤维滤纸匀度和过滤性能的影响。

1 实 验

1.1　原料与仪器

实验原料：针叶木纤维（漂白针叶木化学浆，打浆至30 °SR），阔叶木纤维（漂白阔叶木化学浆，分别打浆至20、30、40、50、60 °SR），三乐建材集团提供；短切玻璃纤维（直径7 μm，长度5 mm），中国沈阳久清东响玻璃制品有限公司；微细玻璃棉（打浆度34和54 °SR的微细玻璃棉混合物，质量比7∶3），榆林天盛缘玻璃纤维有限公司；硫酸，广东化学制药厂；丙烯酸树脂，科诺化工材料有限公司。玻璃纤维由质量比为1∶9的短切玻璃纤维和微细玻璃棉组成。

实验仪器：标准纤维疏解机，瑞典L&W公司；RK3AKWT凯塞法自动抄纸系统，奥地利PTI公司；SHZ-D Ⅲ循环水真空泵，巩义市予华仪器有限责任公司；DHG-9140A电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；MorFi纤维质量分析仪，芬兰Metso公司；TENSOR27傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR），德国Bruker公司；CE062抗张强度仪，瑞典L&W公司；2D LAB F/SENSOR尘埃匀度仪，德国Thchpap公司；EVO18场发射扫描电子显微镜（FESEM），德国ZEISS公司；自动滤料测试仪，美国TSI公司；AutoPore V 9600全自动压汞仪，美国麦克仪器公司。

1.2　实验方法

玻璃纤维滤纸的制备过程如图1所示。首先配制pH值为2.5~3.0的硫酸溶液作为分散液[

20]。然后称取一定比例的植物纤维和玻璃纤维并加入到分散液中。使用纤维疏解机疏解后（15000转）得到混合均匀的纤维悬浮液。将纤维悬浮液转移至纸页成型器中滤水成形。成形后的纸样使用丙烯酸树脂乳液进行浸渍，经真空抽滤脱去多余胶液后进行干燥，得到玻璃纤维滤纸；纸样定量约为70 g/m²。

图1  玻璃纤维滤纸的制备流程示意图

Fig. 1  Preparation process diagram of glass fiber filter paper

1.3　性能测试

1.3.1　植物纤维形态分析

使用纤维质量分析仪测定植物纤维的长度、宽度、分丝帚化率等参数[

21]。

1.3.2　抗张强度测定

根据GB/T 22898—2008，使用抗张强度仪测试玻璃纤维滤纸的抗张强度，并计算玻璃纤维滤纸的抗张指数。

1.3.3　尘埃匀度测定

使用尘埃匀度仪测定玻璃纤维滤纸的匀度。

1.3.4　表面形貌观察

使用FESEM观察添加植物纤维前后的玻璃纤维滤纸表面形貌。

1.3.5　FT-IR分析

使用FT-IR分析微细玻璃棉以及添加植物纤维前后玻璃纤维滤纸的化学结构特征。

1.3.6　孔径分析

使用全自动压汞仪检测添加植物纤维前后玻璃纤维滤纸的孔径分布。

1.3.7　过滤性能检测

使用TSI 8130自动滤料测试仪在32 L/min的流量下测定玻璃纤维滤纸的过滤效率和过滤阻力。根据式（1）[

22]计算玻璃纤维滤纸的品质因子（QF，Pa-1）。

QF=-ln 1-ηΔP （1）

式中，η表示过滤效率；ΔP表示玻璃纤维滤纸的过滤阻力，Pa。

2 结果与讨论

2.1　植物纤维类型对玻璃纤维滤纸的影响

2.1.1　针叶木纤维和阔叶木纤维的纤维形态特性

针叶木纤维和阔叶木纤维在打浆度为30 °SR时的纤维形态特性如表1所示。由表1可知，针叶木纤维的长度为1.89 mm，分丝帚化率为3.35%；阔叶木纤维的长度为0.65 mm，分丝帚化率为1.23%。说明在相同的打浆度下，针叶木纤维的长度更长且分丝帚化程度更高。

表1  不同类型纤维的形态特性
Table 1  Morphological characteristics of different types of fibers
类型纤维长度/mm纤维宽度/μm分丝帚化率/%
针叶木纤维 1.89 32.50 3.35
阔叶木纤维 0.65 16.10 1.23

2.1.2　植物纤维类型对玻璃纤维滤纸匀度指数和抗张指数的影响

纸张匀度对后续性能的测试有一定影响，因此，对玻璃纤维滤纸的匀度进行了测试。添加植物纤维前后玻璃纤维滤纸匀度的变化情况如图2（a）所示。从图2（a）可以看出，在添加植物纤维后，玻璃纤维滤纸的匀度指数上升，表明添加植物纤维会导致玻璃纤维滤纸的匀度下降。这可能是因为植物纤维比玻璃纤维更为柔软，更易相互缠绕，形成絮团。由于针叶木纤维的长度比阔叶木纤维更长且分丝帚化程度更高，其更易形成缠绕和絮团，因而与添加阔叶木纤维的玻璃纤维滤纸相比，添加针叶木纤维的玻璃纤维滤纸匀度下降更显著。

图2  植物纤维类型对玻璃纤维滤纸匀度指数和抗张指数的影响

Fig. 2  Effect of plant fiber type on the formation index and tensile index of glass fiber filter paper

注   植物纤维占比10%，打浆度30 °SR，图3同。

玻璃纤维滤纸出色的抗张强度可使其在加工和使用过程中保持完整，因此，对玻璃纤维滤纸的抗张强度进行了测试。植物纤维类型对玻璃纤维滤纸抗张指数的影响如图2（b）所示。从图2（b）可以看出，添加植物纤维后，玻璃纤维滤纸的抗张指数均有所提高。添加针叶木纤维和阔叶木纤维后的玻璃纤维滤纸的抗张指数分别为26.5和23.5 N·m/g。添加植物纤维后，植物纤维贯穿在玻璃纤维之中并形成“骨架”，玻璃纤维则附着在“骨架”之上。浸胶干燥后，添加的植物纤维通过缠绕和氢键连接为玻璃纤维滤纸提供了额外的强度，从而使玻璃纤维滤纸强度比未添加植物纤维时提高。由于针叶木纤维更长，分丝帚化程度更高，其形成的骨架结构具有更高的强度，所以添加针叶木纤维后，玻璃纤维滤纸的抗张强度更高。

2.1.3　植物纤维类型对玻璃纤维滤纸过滤性能的影响

植物纤维类型对玻璃纤维滤纸过滤性能的影响如图3所示。由图3（a）可知，添加植物纤维后，玻璃纤维滤纸的过滤效率下降，过滤阻力增大。未添加植物纤维时，玻璃纤维滤纸的过滤效率为99.87%，过滤阻力为280.47 Pa。当添加10%的阔叶木纤维时，玻璃纤维滤纸的过滤效率为99.86%，过滤阻力为306.95 Pa。当添加10%的针叶木纤维时，玻璃纤维滤纸的过滤效率为99.81%，过滤阻力为458.95 Pa。添加植物纤维后，玻璃纤维滤纸的品质因子降低（见图3（b））。

图3  植物纤维类型对玻璃纤维滤纸过滤性能的影响

Fig. 3  Effect of plant fiber type on the filtration performance of glass fiber filter paper

添加阔叶木纤维前后玻璃纤维滤纸孔径分布如图4所示。从图4可以看出，添加阔叶木纤维后，玻璃纤维滤纸的孔径分布整体右移，说明加入宽度较大的植物纤维会导致玻璃纤维滤纸的孔径变大，进而导致对气溶胶微粒的过滤效率下降。添加阔叶木纤维前后玻璃纤维滤纸的孔隙率分别为88.39%和86.87%。阔叶木纤维的加入降低了玻璃纤维滤纸的孔隙率，空气穿过滤纸时气流动能损失变大，导致玻璃纤维滤纸的过滤阻力变大。

图4  添加阔叶木纤维前后玻璃纤维滤纸孔径分布

Fig. 4  Pore size distribution of glass fiber filter paper before and after adding hardwood fibers

注   阔叶木纤维占比10%，打浆度30 °SR，图5和图6同。

综上所述，与添加阔叶木纤维的玻璃纤维滤纸相比，添加针叶木纤维玻璃纤维滤纸的抗张强度高，但匀度下降更严重，且品质因子也更小，因而选取阔叶木纤维作为玻璃纤维滤纸的增强纤维，并进行后续实验。

2.2　FESEM分析

添加10%阔叶木纤维前后玻璃纤维滤纸的表面形貌如图5所示。由图5（a）和图5（b）可知，未添加阔叶木纤维时，短切玻璃纤维和微细玻璃棉相互交织，并通过丙烯酸树脂粘结，成纸具有丰富的孔隙结构。带有气溶胶微粒的空气可从纤维孔隙穿过而将气溶胶微粒过滤出去。由图5（c）和图5（d）可知，添加阔叶木纤维后，阔叶木纤维分散在玻璃纤维中，阔叶木纤维之间相互连接，并通过丙烯酸树脂与玻璃纤维粘结在一起，因此成纸也具有丰富的孔隙结构。

图5  添加阔叶木纤维前(a和b)后(c和d)玻璃纤维滤纸的FESEM图

Fig. 5  FESEM images of glass fiber filter paper before (a, b) and after (c, d) adding hardwood fibers

2.3　FT-IR分析

图6为微细玻璃棉以及添加阔叶木纤维前后玻璃纤维滤纸的FT-IR谱图。与微细玻璃棉的FT-IR谱图相比，玻璃纤维滤纸的FT-IR谱图在2931和1731 cm-1处出现新的吸收峰，分别是丙烯酸树脂中C—H伸缩振动吸收峰和羰基C̿    O伸缩振动吸收峰。与未添加阔叶木纤维的玻璃纤维滤纸相比，添加阔叶木纤维的玻璃纤维滤纸没有产生新的吸收峰。

图6  微细玻璃棉和玻璃纤维滤纸的FT-IR谱图

Fig. 6  FT-IR spectra of fine glass wool and glass fiber filter paper

2.4　阔叶木纤维占比对玻璃纤维滤纸的影响

2.4.1　阔叶木纤维占比对玻璃纤维滤纸匀度指数和抗张指数的影响

阔叶木纤维占比对玻璃纤维滤纸匀度指数和抗张指数的影响如图7所示。由图7（a）可知，随着阔叶木纤维占比的提高，玻璃纤维滤纸的匀度指数逐渐变大。这可能是由于随着阔叶木纤维占比的增大，成形时纤维间碰撞机会变大，植物纤维之间以及植物纤维和玻璃纤维之间的缠绕更加严重，从而导致成纸匀度下降。

图7  阔叶木纤维占比对玻璃纤维滤纸匀度指数和抗张指数的影响

Fig. 7  Effect of hardwood fiber proportion on the formation index and tensile index of glass fiber filter paper

注   阔叶木纤维打浆度30 °SR，图8同。

由图7（b）可以看出，随着阔叶木纤维占比的增大，玻璃纤维滤纸的抗张指数呈逐渐提高的趋势。与表面光滑的玻璃纤维不同，植物纤维表面含有大量的游离羟基，这些游离羟基通过氢键作用结合在一起，且随着植物纤维占比的增大，植物纤维间氢键结合作用越强，所以玻璃纤维滤纸的抗张强度随阔叶木纤维占比的增大而提高。

2.4.2　阔叶木纤维占比对玻璃纤维滤纸过滤性能的影响

阔叶木纤维占比对玻璃纤维滤纸过滤性能的影响如图8所示。由图8可知，未添加阔叶木纤维时，玻璃纤维滤纸的过滤效率为99.87%。阔叶木纤维占比为5%时，玻璃纤维滤纸的过滤效率略有提高，然而随着阔叶木纤维占比的继续增大，玻璃纤维滤纸的过滤效率逐渐降低。这可能是由于当阔叶木纤维占比为5%时，阔叶木纤维对玻璃纤维滤纸孔隙影响相对较小，同时由于阔叶木纤维宽度较大，有利于对气溶胶微粒的拦截，从而提高玻璃纤维滤纸的过滤效率。但随着阔叶木纤维占比的增大，玻璃纤维滤纸中大孔径的孔隙变多，对细小气溶胶微粒的拦截作用降低。同时，阔叶木纤维占比越大，玻璃纤维滤纸的过滤阻力也越大。因此，随着阔叶木纤维占比的增大，玻璃纤维滤纸的品质因子逐渐变小（见图8（b）），表明玻璃纤维滤纸的整体过滤性能下降。

图8  阔叶木纤维占比对玻璃纤维滤纸过滤性能的影响

Fig. 8  Effects of the proportion of hardwood fibers on the filtration performance of glass fiber filter paper

随着阔叶木纤维占比的增大，玻璃纤维滤纸的抗张强度提高，但玻璃纤维滤纸的匀度、过滤性能和品质因子逐渐下降。为了降低对玻璃纤维滤纸匀度、过滤性能和品质因子的影响，选择阔叶木纤维占比为5%进行后续实验。

2.5　阔叶木纤维打浆度对玻璃纤维滤纸性能的影响

2.5.1　不同打浆度的阔叶木纤维形态特性

不同打浆度的阔叶木纤维形态特性如表2所示。由表2可知，随着打浆度提高，阔叶木纤维长度下降，分丝帚化率变大，纤维宽度变大。发生这种变化的原因是纤维在打浆过程中受到了剪切、挤压、吸水润胀、细纤维化等作用[

23]。

表2  不同打浆度的阔叶木纤维形态特性
Table 2  Fiber characteristics of hardwood with different beating degrees
打浆度/°SR纤维长度/mm纤维宽度/μm分丝帚化率/%
20 0.70 15.70 1.04
30 0.65 16.10 1.23
40 0.61 16.40 1.42
50 0.59 16.50 1.50
60 0.54 16.70 1.77

2.5.2　阔叶木纤维打浆度对玻璃纤维滤纸匀度指数和抗张指数的影响

阔叶木纤维打浆度对玻璃纤维滤纸匀度指数的影响如图9（a）所示。由图9（a）可知，随着阔叶木纤维打浆度的提高，玻璃纤维滤纸的匀度指数变化不大，匀度指数分布在24.77左右。这可能是由于，虽然随着打浆度的提高，阔叶木纤维的分丝帚化程度提高，但是纤维长度变短，因而未对纤维间的缠绕絮聚产生较大影响。

图9  阔叶木纤维打浆度对玻璃纤维滤纸匀度指数和抗张指数的影响

Fig. 9  Effect of beating degree of hardwood fiber on formation index and tensile index of glass fiber filter paper

阔叶木纤维打浆度对玻璃纤维滤纸抗张指数的影响如图9（b）所示。由图9（b）可知，随着阔叶木纤维打浆度的提高，玻璃纤维滤纸的抗张指数提高。未添加阔叶木纤维时，玻璃纤维滤纸的抗张指数为15.5 N·m/g。当阔叶木纤维打浆度为40 °SR时，玻璃纤维滤纸的抗张指数为19.4 N·m/g，提高了25.3%。但进一步提高阔叶木纤维打浆度，玻璃纤维滤纸的抗张指数增幅放缓。阔叶木纤维打浆度为50和60 °SR时，玻璃纤维滤纸的抗张强度为20.4和21.0 N·m/g，较打浆度为40 °SR时仅分别提高了5.3%和8.3%。玻璃纤维滤纸的强度除受丙烯酸树脂的影响外，还受纤维间结合力和纤维长度的影响。随着打浆度提高，阔叶木纤维分丝帚化程度提高，纤维间结合力增大，但纤维长度也因打浆的剪切作用而减小。因此，随着阔叶木纤维打浆度的提高，玻璃纤维滤纸的抗张强度增幅减小。

2.5.3　阔叶木纤维打浆度对玻璃纤维滤纸过滤性能的影响

阔叶木纤维打浆度对玻璃纤维滤纸过滤性能的影响如图10所示。由图10（a）可知，随着阔叶木纤维打浆度的提高，玻璃纤维滤纸的过滤效率和过滤阻力总体呈上升趋势。这主要是因为随着打浆度的提高，阔叶木纤维分丝帚化率变大，纤维之间交织更紧密，因而气溶胶微粒难以通过，过滤效率提高，但同时也导致过滤阻力变大。由图10（b）可知，加入阔叶木纤维后，玻璃纤维滤纸的品质因子降低。当阔叶木纤维打浆度为40 °SR时，玻璃纤维滤纸具有最大的品质因子，为0.0220 Pa-1，说明此时玻璃纤维滤纸具有最佳的过滤性能。

图10  阔叶木纤维打浆度对玻璃纤维滤纸过滤性能的影响

Fig. 10  Effect of beating degree of hardwood fiber on filtration performance of glass fiber filter paper

3 结论

本研究将植物纤维加入到由短切玻璃纤维和微细玻璃棉组成的玻璃纤维中，通过分散、成形、浸胶、干燥等工艺制备了植物纤维增强的玻璃纤维滤纸。探究了植物纤维的类型、占比、打浆度对玻璃纤维滤纸匀度、抗张强度及过滤性能的影响。

3.1 添加植物纤维可提高玻璃纤维滤纸的抗张强度，但会降低其匀度和过滤性能。综合对比针叶木纤维和阔叶木纤维对玻璃纤维滤纸的抗张指数、匀度和过滤性能的影响可知，阔叶木纤维更适合作为玻璃纤维滤纸的增强纤维。

3.2 阔叶木纤维增强玻璃纤维滤纸的最佳工艺条件为：阔叶木纤维占比5%，打浆度40 °SR。在此条件下制备的玻璃纤维滤纸抗张强度较未添加植物纤维的玻璃纤维滤纸提高25.3%，且仍可保持良好的匀度和过滤性能。

参 考 文 献

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