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不同性能麻竹浆制备空气滤纸的研究

  • 刘亮
  • 刘梦茹 ✉
  • 曾靖山
  • 高其超
  • 李海龙
华南理工大学轻工科学与工程学院，广东广州，510640

中图分类号： TS76

最近更新：2024-07-22

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2024.07.005

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摘要

本研究以不同竹龄的麻竹为原料，通过硫酸盐法蒸煮成浆，探讨了竹龄对竹浆纤维形态、竹浆纸物理性能及过滤性能的影响。结果表明，随着竹龄的增加，竹浆纤维的长度、宽度及长宽比等均有不同程度的增加。竹浆纸物理性能随着竹龄的增加呈现不同的变化规律，其中松厚度、孔径及透气度均随竹龄的增加呈逐渐增加的趋势，当竹龄为36月时，竹浆纸松厚度为5.35 cm3/g，平均孔径为29.1 μm，透气度为774 mm/s；竹浆纸挺度随竹龄的增加呈不断下降的趋势，6月竹浆纸挺度达289 mN，约为36月竹浆纸的2倍。竹浆纸的过滤性能品质因子随竹龄的增加呈不断增加的趋势，竹龄36月竹浆纸品质因子可达4.96，优于闪急干燥阔叶浆纸，与闪急干燥针叶浆纸相近。

竹子具有生长周期短、适应性强、纤维细长等特性，是一种具有发展潜力的造纸原料[

1]。我国竹材资源丰富，2021年我国竹林总面积为756.27万hm2，分布在我国20个省（自治区、直辖市），其中福建、江西、湖南、浙江、四川、广东、广西及安徽8个省与自治区，占全国竹林面积的90%左右[2]。竹子作为非木材纤维原料的重要资源，其纤维素含量高、纤维长宽比大、产量高。作为造纸原料，竹浆性能仅次于针叶木浆，优于阔叶木浆和禾草浆，对于缓解我国木材原料短缺的现状具有一定的现实意义，可替代部分木浆用于生产各种中高档的纸制品，如过滤纸、胶版纸、描图纸和包装纸等多种特种纸制品[3-4]。

空气过滤纸是一种具有良好过滤性能、疏松多孔的过滤介质，其主要作用是去除空气中悬浮的细小微粒从而净化空气[

5]。目前，空气滤纸已经在各个领域得到了广泛的应用，如电子工业、汽车工业、医疗卫生及日常生活等领域[6-8]。空气滤纸要求具有良好的松厚度、透气度和挺度等物理性能[9]。植物纤维是空气滤纸的主要原料，主要包括漂白针叶木浆纤维、漂白阔叶木浆纤维、棉浆纤维、麻浆纤维及木棉纤维等[10-12]。本课题组前期对竹浆的研究表明，竹浆纤维细长，竹浆纸透气性好，满足了制备空气滤纸的要求，是一种具有良好应用前景的滤纸用植物纤维[13]。然而，随着竹龄的增长，竹材的化学组分及纤维形态发生变化，杂细胞等细小组分的增加，这会影响到浆料的特性，进而影响到纸张的物理性能及过滤性能[14-15]。因此，基于竹浆过滤性能评价，对不同竹龄竹浆进行研究，这对推动竹浆纸高值化应用具有十分重要的意义。

本研究以不同竹龄的麻竹浆为研究对象，分析了竹龄对竹浆的纤维形态、纸张物理性能及过滤性能的影响，并与市面上常见的几种滤纸用植物纤维浆进行对比，以期为竹浆在空气滤纸方面的研究提供理论支撑和技术指导。

1 实验

1.1　实验原料

实验所用竹浆均为麻竹浆，实验室自制，不同竹龄竹材的化学成分见表1，竹材均取自广西。闪急干燥阔叶木浆、闪急干燥针叶木浆及丝光浆均为广西华创新材料有限公司提供的商品样，其初始打浆度分别为15、13和13 °SR。

表1  不同竹龄竹材的化学成分
Table 1  Chemical composition of bamboo at different bamboo ages ( % )
竹龄/月综纤维素聚戊糖纤维素木质素苯-醇抽出物灰分
6 74.46 22.18 52.28 20.62 2.83 3.11
8 74.25 21.91 52.34 21.50 2.89 3.08
12 74.13 21.71 52.42 21.84 2.91 3.20
18 73.88 21.53 52.35 22.20 2.98 3.23
24 72.53 21.38 51.15 22.51 3.29 3.29
36 71.54 20.77 50.77 23.28 3.36 3.37

1.2　实验仪器

实验室用电热蒸煮锅（HTPC01，FFiber，中国），Bauer-McNett纤维筛分仪（203C，Pulmac，美国），研究级正置显微镜（BX51，OLYMPUS，日本），扫描电子显微镜（SEM，SU5000，Hitachi，日本），纤维形态测定仪（FS5，Valmet，芬兰），凯塞法抄片器（RK3AKWT，PTI，德国），平板干燥器（LABFECH，加拿大），微电脑厚度测定仪（IMT-210D，IMT，中国），弯曲挺度测试仪（TMI 79-25-00-002，TMI，美国），透气度仪（FX3300-IV，TEXTEST，瑞士），毛细流量孔径测试仪（CFP-1100-A，PMI，美国），气体透过自动测试台（TSI8130，TSI，美国）。

1.3　实验方法

1.3.1　竹材纤维解离

取竹材原料沿纵向切成火柴棍大小（约为1 mm×2 mm×30 mm），试样放在水中多次煮沸，并换水数次，以排除试样中的空气，直至试样下沉。然后将体积比1∶1的冰醋酸和过氧化氢（质量分数30%）混合溶液及试样放入带螺口的耐热塑料瓶中，在60 ℃保温箱中浸泡约48 h，使纤维变白，分散均匀，经充分洗涤后，将混合溶液制成浆浓0.05%的纤维悬浮液备用[

16]。

1.3.2　硫酸盐竹浆的制备

准确称取100 g（绝干）竹片置于蒸煮锅中进行蒸煮，蒸煮工艺如下：用碱量23%（以NaOH计），硫化度25%，液比1∶4，最高蒸煮温度160 ℃，升温2 h，保温2 h。蒸煮结束后，将竹浆洗净，并用平板筛分仪（筛缝0.15 mm）去除杂质，备用。具体性能指标见表2。

表2  不同竹龄竹浆的性能指标
Table 2  Performance index of bamboo pulp at different bamboo ages
竹龄/月粗浆得率/%细浆得率/%卡伯值打浆度/°SR
6 46.9 31.6 8.9 14
8 47.1 32.1 10.3 13
12 47.8 33.9 10.7 13
18 47.1 34.1 10.8 14
24 48.0 35.3 10.5 13
36 48.5 36.1 12.6 13

1.3.3　竹浆纤维的筛分

参考GB/T 2678.1—1993，取10 g绝干浆于纤维解离器中疏解10 000 r，采用 Bauer-McNett纤维筛分仪对浆料进行分级筛分，收集粒径>0.60 mm的浆料。

蒸煮粗浆得率（X1，%）及筛分细浆得率（X2，%）计算分别见式(1)和式(2)。

X1=m2m1×100% （1）
X2=m3m1×100% （2）

式中，m1为竹片的绝干质量，g；m2为蒸煮后粗浆绝干质量，g；m3为粒径>0.60 mm的细浆绝干质量，g。

1.3.4　纤维形貌观察

将解离后原料及竹浆纤维进行冷冻干燥，制样后通过SEM观察纤维形态；竹浆抄造后的纸张经裁取、制片后置于SEM观察其形貌。

取适量竹浆，通过赫氏试剂染色后进行制片，置于光学显微镜下观察。

1.3.5　纤维形态测定

采用纤维形态测定仪检测不同竹龄竹浆纤维的长度、宽度、卷曲度及扭结指数等指标，其中长度为ISO加权长度，扭结指数根据Kibblewhite计算结果。

1.3.6　纸张抄造及性能检测

称取一定量不同竹龄的竹浆通过凯塞抄片器抄造成形，纸张定量为(100±2) g/m2。采用平板干燥器进行干燥，平衡水分后，按照相关标准对纸张进行测试。厚度参考GB/T 451.3—2002进行检测；松厚度参考GB/T 24328.2—2020进行检测；挺度参考GB/T 22364—2018进行检测，测定标准：长度80 mm，宽度38 mm，弯曲长度10 mm，弯曲角度15°；透气度参考GB/T 5453—1997进行检测，测量面积20 cm2，测量压力200 Pa；过滤效率及过滤阻力参考EN 143进行检测，使用气体透过自动测试台，流量32 L/min，NaCl气凝胶颗粒，粒径为0.26 μm。

2 结果与讨论

2.1　不同竹龄对竹材及其竹浆纤维形态的影响

图1为不同竹龄竹材纤维SEM图。由图1可知，竹龄较小时，其纤维呈扁平状，随着竹龄的增加，纤维形态逐渐变为圆柱状。研究表明，竹龄为12~36月的竹材纤维长度、纤维宽度、长宽比、壁厚和壁腔比随竹龄的增长而增大，腔径随着年龄的增长而减小[

17]。

图1  不同竹龄竹材纤维SEM图

Fig. 1  SEM images of bamboo fibers at different bamboo ages

图2为不同竹龄的竹浆纤维光学显微镜图。由图2可知，经过筛分处理的竹浆纤维细长，几乎没有观察到杂细胞等细小组分，这说明使用分级筛对竹浆进行筛分的效果较优，且光学显微镜下观察不同竹龄的竹浆纤维形态并无明显差异。图3为不同竹龄竹浆纤维的SEM图。由图3可知，随着竹龄的增加，竹浆纤维由竹龄较小（6月、8月）的扁平状逐渐变为圆柱状，竹浆纤维光滑，宽度小，呈一定的弯曲扭结状不规则排布，与解离后的竹材纤维形态变化规律基本一致。

图2  不同竹龄竹浆纤维显微镜图

Fig. 2  Microscopic images of bamboo pulp fibers at different bamboo ages

图3  不同竹龄竹浆纤维SEM图

Fig. 3  SEM images of bamboo pulp fibers at different bamboo ages

表3为不同竹龄竹浆的纤维形态分析结果。由表3可知，随着竹龄从6月增加到36月，竹浆的纤维长度和宽度不断增加，纤维长宽比整体呈增长趋势。研究表明，纤维长度与纤维发生卷曲和扭结的程度相关，纤维越短，发生卷曲和扭结的程度越轻[

18]。由表3还可知，在相同蒸煮条件下，竹浆纤维长度随竹龄增长从2.10 mm增加到2.38 mm，竹浆纤维的卷曲度和扭结指数呈不断增大的趋势，在竹龄36月时分别为19.1%和2 190 m-1。

表3  不同竹龄竹浆纤维形态
Table 3  Fiber morphologies of bamboo pulp at different bamboo ages
竹龄/月长度/mm宽度/μm长宽比卷曲度/%扭结指数/m-1
6 2.10 17.56 120 11.8 2 041
8 2.12 17.34 122 13.5 2 067
12 2.14 18.06 119 13.7 2 072
18 2.27 18.13 125 15.7 2 093
24 2.36 18.33 128 18.7 2 131
36 2.38 18.54 128 19.1 2 190

2.2　竹龄对竹浆纸物理性能的影响

2.2.1　纸张结构

图4为不同竹龄竹浆纸的SEM图。由图4可知，随着竹龄的增加，纸张结构由较为紧密变得更为疏松多孔，纸张的孔隙变大，这样的变化趋势有利于降低纸张的过滤阻力，形成高松厚度、高透气度的空气滤纸。

图4  不同竹龄竹浆纸SEM图

Fig. 4  SEM images of bamboo pulp paper at different bamboo ages

2.2.2　松厚度

松厚度是单位质量的纸张体积，反映纸张的疏松程度，在一定程度上能够体现出纸或纸板的透气度、容尘量等性能[

19]。图5为竹龄对竹浆纸松厚度的影响。由图5可知，随着竹龄的增加，竹浆纸的松厚度呈逐渐增加的趋势，竹龄36月时，竹浆纸松厚度达5.35 cm3/g。研究表明，竹子出土后至5年，纤维壁厚逐渐增大，纤维变粗，且第1年增长最快，腔径小壁厚的纤维原料更为挺硬，不易压溃，易形成高松厚度的纸张[20-21]。随竹龄增加，竹材纤维细胞壁结构变厚，纤维壁厚的增加使药液渗透困难，在相同蒸煮条件下，黑液中木质素含量随竹龄的增长逐渐增加，木质素溶出困难[15]。木质素的溶出，使纤维的柔软度和可塑性增加，有助于增加纤维之间的结合强度，增加纸张紧度，减小松厚度。随竹龄的增加，竹材的细胞壁厚逐渐增加，木质素溶出困难，竹浆纤维形态由扁平变为圆柱状，纤维间的结合强度变低，纸张松厚度逐渐增大，与图4中观察到纸张结构由紧密到疏松的结果一致。

图5  竹龄对竹浆纸松厚度的影响

Fig. 5  Effect of bamboo age on the thickness of bamboo pulp paper

2.2.3　挺度

挺度是指纸张抗弯曲的强度性能，纸张厚度及弹性模量是影响纸张或纸板挺度的关键的因素。图6为竹龄对竹浆纸挺度的影响。由图6可知，随着竹龄的增加，竹浆纸挺度呈减小趋势，竹龄6月竹浆纸挺度达289 mN，约为竹龄36月竹浆纸的2倍。研究表明，纸张的弹性模量取决于纤维自身的刚性、纸张纤维间的结合力及纤维的排列方向等，纸张的弹性模量与紧度的平方大体相当，弹性模量大的纸张挺度较高[

22]。竹龄6月竹浆纸挺度优于高竹龄竹浆纸，这可能是因为低竹龄竹浆纤维较为扁平，纤维结合力高，导致竹浆纸紧度、弹性模、挺度均处于较高水平。竹浆纤维长宽比大、挺度较高，可以起到骨架支撑的作用，提高竹浆纸的松厚度，从而提高滤纸的过滤性能，同时增加竹浆纸强度性能。

图6  竹龄对竹浆纸挺度的影响

Fig. 6  Effect of bamboo age on the stiffness of bamboo pulp paper

2.2.4　孔径及透气度

孔径是滤材的基本特性，其主要表达方式是平均孔径与最大孔径；透气度反映了气体通过滤材内部结构的阻力大小，透气度大的滤材在过滤时过滤阻力相对较小[

23]。图7分别为竹龄对竹浆纸孔径及透气度的影响。由图7可知，随着竹龄的增加，竹浆纸的孔径及透气度不断增加，平均孔径及最大孔径的趋势与透气度变化趋势一致，竹龄36月竹浆纸的平均孔径和最大孔径分别为29.1和64.1 μm，此时透气度达到774 mm/s。透气度通常随纸张松厚度的增加而增大，松厚度上升，纸张内部纤维网络结构趋于疏松，内部空隙增多，容尘能力增强[24]。随着竹龄的增加，竹龄36月竹浆纸的松厚度、孔径和透气度均达到较优值；低竹龄竹浆纸松厚度较小，纤维扁平且更加挺硬，竹浆纸表面纤维的堆积密度增大，平均孔径降低，透气度也较小。相比低竹龄竹浆，较大竹龄的竹浆在提升竹浆纸透气性能方面具有一定的优势，这与图4中观察到纸张结构更加疏松多孔的现象一致。基于透气度评价，可以更多地考虑竹龄较大的材种。

图7  竹龄对竹浆纸孔径及透气度的影响

Fig. 7  Effects of bamboo age on pore size and air permeability of bamboo pulp paper

2.3　竹龄对竹浆纸过滤性能的影响

2.3.1　过滤效率及过滤阻力

过滤效率是指在一定的测试条件下，过滤器捕获的颗粒占过滤器上游空气中颗粒总数的比例，过滤阻力反映了滤纸在过滤时带来的能量损失程度[

25]。图8为竹龄对竹浆纸过滤效率及过滤阻力的影响。由图8可知，随着竹龄的增加，竹浆纸过滤效率及过滤阻力呈现不断减小的趋势，竹龄36月竹浆纸的过滤效率及过滤阻力分别为14.6%和1.4 mmH2O。过滤阻力与透气度呈反比关系，随竹龄的增加，纸张的平均孔径增大，透气度增大，气溶胶从纤维层通过时，颗粒物与纤维的碰撞减少，更容易穿过滤竹浆纸，过滤效率也随之减小；较大的孔隙结构使气溶胶通过竹浆纸内部的路径变得高效，导致过滤阻力减小，因此竹浆纸的过滤效率及过滤阻力随竹龄的增加呈下降趋势。通常滤纸的过滤效率越高，过滤阻力就越大，空气透过性越差，目前过滤材料研究的核心仍是如何平衡过滤效率与过滤阻力之间的矛盾[26]。

图8  竹龄对竹浆纸过滤效率及过滤阻力的影响

Fig. 8  Effects of bamboo age on filtration efficiency and filtration resistance of bamboo pulp paper

2.3.2　品质因子

过滤效率和过滤阻力作为一对矛盾体，二者的竞争影响着过滤材料的品质因子，品质因子综合评价过滤材料的过滤性能，其计算如式(3)所示[

27]。

QF=-100×lg PR （3）

式中，QF表示品质因子；P表示穿透率，%；P=1-E，E表示过滤效率，%；R表示过滤阻力，mmH2O。

图9为竹龄对竹浆纸品质因子的影响。由图9可知，随着竹龄的增加，竹浆纸的品质因子呈不断增加的趋势。品质因子的提升，即表示竹浆纸过滤性能的提升。在所选粒径为0.26 μm的NaCl颗粒的条件下，竹龄36月竹浆纸过滤性能较优，品质因子为4.96，此时竹浆纸的松厚度、孔径及透气度均达到最佳值，综合过滤效率及过滤阻力评价，其品质因子最大。基于品质因子评价，选材可以考虑竹龄较大的材种进行相关过滤性能的研究。

图9  竹龄对竹浆纸品质因子的影响

Fig. 9  Effect of bamboo age on quality factors of bamboo pulp paper

2.4　不同纤维原料对空气滤纸性能的影响

图10为不同纤维原料对空气滤纸性能的影响。由图10(a)可知，竹浆纸的挺度明显优于商品浆纸，竹龄36月竹浆纸的挺度为145 mN，是丝光浆纸的近5倍。由图10(b)及图10(c)可以看出，闪急干燥阔叶木浆纸的过滤效率为44.3%，高于竹浆纸，但同时其过滤阻力也达5.4 mmH2O；竹浆纸的过滤效率优于闪急干燥针叶木浆纸，且过滤阻力相近。由图10(d)可以看出，竹浆纸的品质因子（4.96）高于闪急干燥阔叶木浆纸，与闪急干燥针叶木浆纸相近。改变竹浆干燥方式（如闪急干燥等），可以进一步提高竹浆纸的过滤性能。竹浆在过滤基材中有很大的应用潜力，可实现对针叶木浆的有效替代。

图10  不同纤维原料对空气滤纸性能的影响

Fig. 10  Effects of different fiber raw materials on the performances of air filter paper

注   竹浆的竹龄为36月；阔叶木浆为闪急干燥阔叶木浆，针叶木浆为闪急干燥针叶木浆。

3 结 论

本研究以不同竹龄的麻竹浆为研究对象，探讨竹龄对竹浆纤维形态、竹浆纸物理性能及其过滤性能随竹龄变化的规律。

3.1 随着竹龄的增加，竹浆纤维由扁平状逐渐变为柱状，纤维长度、宽度、长宽比、卷曲度及扭结指数随竹龄的增加呈逐渐增大趋势，竹龄为36月竹浆纤维长度为2.38 mm，宽度为18.54 μm，长宽比为128。

3.2 随着竹龄的增加，竹浆纸结构由紧密变得更为疏松多孔，竹浆纸物理性能呈现不同程度变化规律。竹浆纸松厚度、孔径及透气度均呈增加趋势，纸张挺度呈不断下降的趋势，竹浆纸挺度优于商品浆纸。

3.3 基于品质因子、过滤效率及过滤阻力评价，竹龄36月竹浆纸过滤性能较好，其品质因子为4.96，优于商品闪急干燥阔叶木浆纸，与闪急干燥针叶木浆纸性能相近。

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