細菌纖維素改善紙質振膜性能的研究

劉 忠 龔 關

(天津科技大學,天津市制漿造紙重點實驗室,天津,300457)

細菌纖維素改善紙質振膜性能的研究

劉 忠 龔 關

(天津科技大學,天津市制漿造紙重點實驗室,天津,300457)

研究了細菌纖維素作為紙張添加劑對紙質振膜性能的影響。結果表明,細菌纖維素的添加量為 8%時,不僅紙質振膜的抗張指數和靜態彈性模量提高最多,動態彈性模量和動態比彈性率也較空白樣有明顯改善,分別提高 38.8%和 33.8%。

細菌纖維素;紙質振膜;彈性模量

隨著多媒體時代的發展,人們對揚聲器放音品質提出了更高的要求。完全采用植物纖維原料抄造的紙盆已不能適應這種聽覺上的高要求,生產原料的復合化趨勢已不可避免[1]。細菌纖維素 (簡稱 BC)是一種新型生物納米原料,因其獨特的性質,如高結晶度、高純度、高抗張強度、高彈性模量等,已被廣泛應用于食品、醫學材料、造紙等領域[2]。本實驗通過將細菌纖維素添加到紙漿中,來研究細菌纖維素對紙質振膜性能的影響。

1 實 驗

1.1 原料

實驗原料為針葉木漂白硫酸鹽漿、細菌纖維素(自制)和碳纖維。

1.2 實驗方法

培養細菌纖維素所用菌種為木醋桿菌,取自天津市工業微生物重點實驗室。

細菌纖維素的培養過程:取一環木醋桿菌斜面種子接種到種子培養基中,在恒溫 30℃、搖床轉速為150 r/min的條件下培養 24 h,將種子以 6%接入量接入發酵培養基,30℃的條件下培養數天,然后將生成的細菌纖維素濕膜先用自來水沖洗,接著用 0.1 mol/L的 NaOH溶液煮沸 30 min,然后用自來水沖洗膜至中性,此時細菌纖維素濕膜呈乳白色半透明狀。

細菌纖維素濕膜的處理:將細菌纖維素濕膜撕成小塊,然后與水按一定比例混合,在標準疏解器中疏解 60000轉后備用。

抄紙:針葉木漂白硫酸鹽漿用瓦利打漿機打漿處理至 20°SR,然后與一定比例的細菌纖維素或碳纖維混合抄片,定量為 100 g/m2。

性能測定:將抄造好的紙張恒溫恒濕 (溫度23℃,濕度 50%)4 h以上,紙張各項性能均按國家標準進行測定。靜態彈性模量采用L&W抗張強度儀測定。動態彈性模量和損耗因子采用德國 KIPPLE聲學測試系統進行測定。細菌纖維素濕膜的壓榨和干燥過程及干膜性能的測定均同紙張。

2 結果與討論

2.1 細菌纖維素膜的性質

表1是不同培養時間下細菌纖維素膜的性質。從表1可知,培養初期細菌纖維素的產量提高很明顯,但是隨著培養時間的延長,細菌纖維素的產出速率減慢,在第 8天時趨于停止。這是由于在發酵初期,培養基中營養物充足且 pH值很適合木醋桿菌生長,木醋桿菌快速生長并產生細菌纖維素,但是隨著時間的延長,培養基中細菌數量的增加及營養物質逐漸被消耗掉,并且木醋桿菌的生長過程中會不斷產生酸性代謝物,使得培養基的 pH值持續降低從而影響木醋桿菌的生長[3],因此木醋桿菌產生細菌纖維素的速率減慢。

在細菌纖維素膜定量增加的同時,其緊度也呈上升趨勢。正是因為緊度的上升,細菌纖維素膜纖維之間結合更緊密,從而導致細菌纖維素膜力學性能的增強。從表1可以明顯看出,隨著培養時間的延長,細菌纖維素膜的靜態力學性能如抗張指數、耐破指數、靜態彈性模量均在增大。

抗張指數、耐破指數等靜態力學性能能在一定程度上反應了揚聲器振膜性能的好壞,但最能直接反應振膜性能優劣的指標是材料的動態彈性模量和損耗因子。完美的振膜需要較高的動態彈性模量和適宜的損耗因子,但是密度太高會影響振膜的靈敏度,因此動態比彈性率更能客觀反映振膜性能的好壞。從表1中同樣可以發現,動態彈性模量和動態比彈性率也隨著培養時間的延長而增大,而損耗因子則相反。總之,延長培養時間有助于細菌纖維素膜性能的提高。

細菌纖維素膜具有非常致密的網絡結構,見圖1。從圖1可以看出,與紙張相比,細菌纖維素膜由超微細纖維組成超微纖維網,其纖維網絡結構比植物纖維交織的網絡結構致密許多。

圖1 細菌纖維素膜 (左)和紙張 (右)的電鏡掃描圖

2.2 細菌纖維素對紙質振膜性能的影響

2.2.1 細菌纖維素對靜態力學性能的影響

根據前面的研究結果,本實驗選用培養時間為 8天的細菌纖維素,疏解后按一定比例加入到紙漿中,細菌纖維素濕膜疏解后的纖維形態見表2。

表2 細菌纖維素濕膜疏解后的纖維形態

為了作對比,選用了碳纖維 (簡稱 CF)這種常見的紙質振膜添加材料。圖2是細菌纖維素纖維和碳纖維的添加量對紙質振膜靜態力學性能的影響。分別添加細菌纖維素纖維和碳纖維后,紙張的緊度發生了不同的變化,見圖2(a)。添加細菌纖維素后,紙張的緊度增大,而添加了碳纖維后,緊度減小。這是因為細菌纖維素纖維短且細,加入到紙漿中填補了植物纖維結合產生的空隙,從而提高了纖維間的結合力,使紙張結構之間的組織變得緊密。而碳纖維和植物纖維結合能力差導致了紙張緊度降低[4]。

細菌纖維素纖維和碳纖維的加入,在一定范圍內提高了紙張的抗張指數和靜態彈性模量,但是對耐破指數產生了不利影響,見圖2(b)～圖2(d)。細菌纖維素纖維是由純纖維素組成,不含木素和半纖維素,因而含有更多游離羥基可以和紙漿纖維結合,從而提高紙張的抗張指數和靜態彈性模量,但是由于細菌纖維素纖維的長度較短,添加到紙漿中降低了其纖維平均長度,從而使耐破指數降低。而碳纖維是一種自身強度就很大的非植物纖維,所以隨著添加量的增多,紙張的抗張指數和靜態彈性模量會增大,但是碳纖維與紙漿纖維的結合力差,若添加量太大,碳纖維就破壞了纖維與纖維之間的結合力從而導致抗張指數和靜態彈性模量降低[5]。

表1 不同培養時間下細菌纖維素膜的性質

2.2.2 細菌纖維素對動態力學性能的影響

細菌纖維素纖維和碳纖維對紙質振膜動態力學性能的影響見圖3。

從圖3可以看出,紙漿中添加細菌纖維素纖維和碳纖維均能提高紙張的動態彈性模量,并且隨著用量的增加先增加后降低,而紙張的損耗因子隨細菌纖維素和碳纖維用量的增加先降低后上升。細菌纖維素和碳纖維本身屬于高彈性模量的材料[6],添加到紙漿中能增強紙張的彈性模量。當細菌纖維素添加量為8%時,動態彈性模量和動態比彈性率均達到最大值,較空白樣分別提高 38.8%和 33.8%。并且與添加碳纖維相比,添加細菌纖維素更能提高紙張的動態彈性模量和動態比彈性率等聲學特性。

3 結 論

細菌纖維素的纖維網絡結構非常致密,因而其膜具有高強度、高彈性模量等優秀特性。不僅如此,細菌纖維素濕膜經過疏解后,可以作為紙張添加劑改善紙質振膜的抗張強度和靜態彈性模量,且在細菌纖維素纖維添加量為 8%時增強效果最好。同時,紙質振膜的動態彈性模量和動態比彈性率也較空白樣分別提高 38.8%和 33.8%,大大改善了紙質振膜的聲學特性,從而拓寬了細菌纖維素的應用范圍。

[1] 杜劍榮.淺談改善振膜音質的機理 [J].電聲技術,2006(9):21.

[2] Iguchi M,Yamanaka S,Budhiono A.Bacterial cellulose-a masterpiece of nature's arts[J].Journal of Materials Science,2000,35(2):261.

[3] 譚玉靜.細菌纖維素的發酵生產及其物理化學性質初探[D].上海:東華大學,2006.

[4] 修慧娟,王志杰,李金寶.細菌纖維素纖維對紙張性能的影響[J].中國造紙,2005,24(3):14.

[5] 李 飛,賈原媛,湯衛華,等.新型納米生物材料細菌纖維素的研究現狀與前景[J].中國造紙,2009,28(3):56.

[6] 王以真.實用揚聲器工藝手冊[M].北京:國防工業出版社,2006.

Study on the Properties of Paper D iaphragm I mproved by Bacterial Cellulose

L IU Zhong＊GONG Guan
(Tianjin Key Lab of Pulp and Paper,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin,300457)

Effect of bacterial cellulose on the properties of paper diaphragm which is used for loudspeakerwas studied.Itwas found that tensile index and static elasticmodulusof the paper diaphragm were improved greatlywhen 8%bacterial cellulosewas added.Besides,dynamic elastic modulus and specific dynamic elasticity rate were improved by 38.8%and 33.8%respectively.

bacterial cellulose;paper diaphragm;elastic modulus

TS762

A

0254-508X(2010)12-0031-03

劉 忠先生,教授;主要研究方向:特種功能紙,木質資源轉化高附加值產物的研究及加工利用。

(＊E-mail:mglz@tust.edu.cn)

2010-08-06(修改稿)

(責任編輯:馬 忻)