原纖化Tencel纖維對濾紙性能的影響

梁 云 于 天 胡 健

（華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510640）

天絲（Tencel）纖維是蘭精公司生產的天然纖維素纖維。它以桉木漿為原料，采用N-甲替嗎啉-N-氧化物（NMMO）溶劑的紡絲工藝制造。其具體方法是，首先將桉木漿與NMMO直接混合溶解，同時加入添加劑，以調節纖維素溶液的特性和改善纖維素大分子的性能。然后將纖維素溶解液過濾，脫泡，并紡絲。接著在低溫水浴或水/NMMO體系凝固成形后，經拉伸、水洗、去油、干燥和溶劑回收等工序后最終制成Tencel纖維。

作為一種再生纖維素纖維，Tencel纖維除了親水、易于在水中分散外，它的結晶特點和在濕態下的溶脹特性，使得機械作用力非常易于將它在濕態下原纖化［1］。原纖化后的Tencel纖維原纖豐富，直徑分布范圍很廣，從微米級到納米級都有涉及。Tencel纖維容易在水中分散且易于獲得納米直徑原纖的特性［2］，使它可能應用于濕法成形的高精度過濾紙中。

在濕法成形的過濾紙生產過程中，纖維原料在成形前的機械預處理方式是打漿。對于植物纖維而言，適當的打漿不僅可以使纖維充分水化，具有良好的分散特性，而且還可以使其得到恰當的原纖化。而這也是適合于對天絲進行原纖化處理的機械方式。為了明確獲得高度原纖化形態的Tencel纖維的打漿方式，本實驗首先研究了實驗室PFI磨打漿對Tencel纖維形態的影響。對比了相同質量分數下，高原纖化Tencel纖維和玻璃棉分別與木漿纖維復配抄紙的成紙的物理性能和過濾性能。

1 實驗

1.1 原料

Tencel纖維：細度1.7dex，長度6mm，標準型（G100）；玻璃棉（44°SR）；闊葉木化學漿（巴西產）。

1.2 實驗儀器

PFI盤磨：加拿大LABFECH生產；YO-2-18紙漿打漿度測定儀：四川省長江造紙儀器有限公司生產；抄片器：英國ME-255產；纖維長度檢測儀器：FS-200；測厚儀：YG142，寧波紡織儀器廠產；光學顯微鏡：日本BX51TF；電腦式透氣性測試儀：YG461E，寧波紡織儀器廠產；電腦測控耐破度儀：型號DC-NPY1200，四川省長江造紙儀器有限公司產；掃描電子顯微鏡：日立，S3700；毛細流量孔徑測試儀：型號CFP-100-A，美國PMI公司生產；多通實驗臺：上海航潔流體技術有限公司生產。

1.3 打漿

利用PFI磨對Tencel纖維進行打漿，打漿轉數分別為：2000、4000、6000、8000和10000轉。

1.4 過濾紙的制備

選擇10000轉打漿處理的Tencel纖維以及44°SR的玻璃棉纖維分別與木漿纖維進行配抄，其質量比分別為：0∶100，3∶97，5∶95，10∶90，15∶85，20∶80。過濾原紙用水性乳液（丙烯酸乳液）進行增強，上膠量為20％，成紙定量為130g/m2。

2 結果與討論

2.1 Tencel纖維打漿特性的研究

Tencel纖維用PFI磨分別經過2000、4000、6000、8000和10000轉打漿后，依次編號為T1，T2，T3，T4，T5，未經打漿的Tencel纖維原料編號為T0。各編號的Tencel纖維打漿度和平均纖維長度見表1。

表1 打漿強度對Tencel纖維打漿度和平均長度的影響

從表1可以看出，在打漿初期，Tencel纖維就被迅速地切斷，纖維長度顯著下降，但打漿度并不像植物纖維那樣迅速上升，直到纖維被切短到0.85mm以下，打漿度才開始明顯提高。

2.2 纖維形態的光學顯微鏡觀察

圖1～圖6為T0～T5的光學顯微鏡照片。由圖1（T0）可知，在沒有進行打漿的時候，Tencel纖維非常挺直；打漿以后，纖維開始變彎，變細，伴有原纖化現象，隨著打漿度的提高，Tencel纖維原纖化程度都不斷加深。圖2（T1）中，纖維已經明顯扭曲，同時有了少許的分絲帚化，表面也不再光滑。從圖3（T2）和圖4（T3）中，沒有看出明顯的差別，事實上打漿度也相差很小。從圖5（T4）中看出，分絲帚化已經非常明顯，每根纖維上都有很多分絲。而從圖6（T5）中不但可以看到Tencel纖維原纖化程度的明顯加深，也可以明顯看到Tencel纖維的主干變細。

綜合以上實驗結果可以看出，在打漿的初始階段（4000轉以內），Tencel纖維被迅速切短，長度從6mm下降到0.85mm，但是打漿度變化不大，僅從12°SR上升到19°SR。隨著打漿轉數的增加，Tencel纖維的切短趨勢趨于緩和，而纖維細化和原纖化的程度明顯提高，同時打漿度迅速提高。當打漿轉數達到10000轉時，纖維長度下降到0.36mm，打漿度達到58°SR。與打漿4000轉時相比，長度下降一半多，打漿度是4000轉時的3倍多。從以上數據分析可以看出，Tencel纖維打漿度大幅提高主要是原纖化程度提高造成的，其長度減小（被切短）對打漿度的提高影響不大。以上表明，打漿過程可以對Tencel纖維的形態造成顯著影響，從而影響其抄造性能。也就是說，通過控制Tencel纖維的打漿過程，不但可以控制Tencel纖維的形態，也可以控制其抄造性能。

2.3 濾紙性能的對比研究

為了明確Tencel纖維復配對濾紙性能的影響，同時對比玻璃棉（以下簡稱為BLM）復配對濾紙性能的影響，在相同比例下選擇了原纖化程度最高的Tencel纖維T5及打漿度為44°SR的BLM分別與木漿纖維進行配抄——質量配比為：3∶97，5∶95，10∶90，15∶85，20∶80，空白樣為純木漿纖維紙。原紙用乳液進行增強處理，上膠量20％，成紙定量130g/m2。表2為各紙樣的物理性能。

表2 各配比下紙樣的物理性能

通過表2可以看到，隨著T5含量的提高，濾紙的耐破度大幅提高，由不含T5時的173kPa，上升到含量為20％時的336kPa，提高了94.2％；而隨著T5含量的提高，濾紙的厚度、透氣度、最大孔徑和平均孔徑則越來越小，與空白樣相比，分別降低了14.5％、70.6％、34.7％、56.3％。與此同時，隨著BLM含量的提高，濾紙的耐破度明顯下降，由不含BLM時的173kPa，下降到含量為20％時的71kPa。而隨著BLM的提高，濾紙的厚度提高，透氣度、最大孔徑和平均孔徑則與同含量紙樣T5紙樣的數值接近，趨勢也是越來越小。這表明，T5和BLM的添加對濾紙的透氣度和孔徑的影響相似。

2.4 濾紙的掃描電子顯微鏡觀察

為了進一步認識復配紙樣的性能與纖維形態之間的關系，本實驗利用描電子顯微鏡對T5（或BLM）與木漿纖維配比分別為5∶95和20∶80的紙樣進行了對比觀察。圖7～圖10為各樣品的掃描電子顯微鏡照片。

由圖7～圖10可以看到，Tencel的原纖和BLM纖維都可處于濾紙用闊葉木纖維的空隙之間，能起到提高過濾精度的作用。與5％配比時相比，不管是Tencel纖維還是BLM纖維，配比20％對闊葉木纖維空隙的填充密度都大幅提高。另外，從圖9和圖10可以看到，Tencel纖維與增強樹脂有較理想的相容性，與濾紙用闊葉木纖維結合良好；而BLM與增強樹脂的相容性不佳，可以看到部分樹脂堵塞在BLM纖維之間，并且有裂紋。

綜合2.3和2.4的研究結果可以認識到，添加原纖化Tencel纖維和BLM纖維，隨著復配比例的提高，成紙的透氣度、最大孔徑和平均孔徑值減小，且兩者數值接近。由圖10觀察到，BLM纖維與增強樹脂的相容性不理想，有樹脂裂紋，導致隨著BLM含量的提高，成紙的耐破度明顯下降，最終只有不含BLM時的40％，與Tencel纖維復配的紙樣則相反。隨著Tencel纖維復配量的提高，成紙的厚度降低，松厚度下降，孔隙率下降；而隨著BLM復配量的提高，成紙的厚度提高，松厚度上升，孔隙率上升。

2.5 過濾性能檢測

盡管在含量相同時，Tencel纖維和BLM纖維復配紙樣的透氣度、最大孔徑和平均孔徑都十分接近。但事實上，過濾性能可能會出現差異。為了明確Tencel纖維和BLM的復配對濾紙實際過濾性能的影響，以及復配紙樣間過濾性能的差異，實驗選擇了純木漿纖維，以及質量配比為5∶95和20∶80的T5與木漿纖維、BLM（44°SR）與木漿纖維抄造的紙樣在多通實驗臺中進行了過濾性能的檢測。檢測結果見表3、表4。

表3 各配比下濾紙的初始阻力和容塵量

表4 各配比下濾紙對各粒徑顆粒的β值

從表3中可以看到，添加了等量的T5和BLM的樣品初始阻力接近。而對純木漿纖維，在添加了T5后，其納污容量明顯下降。而在相同用量下，添加了BLM的樣品納污容量下降幅度相對較低。

從表4提供的代表過濾精度的β值情況來看，以行業常用的β值為75進行判斷的話，純木漿纖維樣品的過濾精度在12～14μm之間；在含量為5％時，T5的過濾精度為10～12μm，BLM的過濾精度為8～10μm；在含量為20％時，T5的過濾精度為6～7μm，BLM的過濾精度為5～6μm。也就是說，相對純木漿纖維，無論是添加T5還是BLM，都可以提高濾紙的過濾精度。但是，在同等添加量時，T5不如BLM提高的效果明顯。

根據以上研究結果可以認識到，在相同用量下，無論是納污容量還是過濾精度，BLM的添加均優于T5。這跟BLM纖維直徑小、模量高有關。小的直徑意味著高的過濾精度，而高模量則意味著可以在纖維之間起到架橋和支撐的作用，使濾紙有較高的松厚度和孔隙率，從而具有較高的納污容量。而T5的原纖雖然直徑小，但由于模量較低，相對柔軟，更容易依附、纏繞或包裹在其他纖維上，而不是像BLM纖維那樣架在其他纖維之間，因此在提高精度方面作用有限。

雖然在同含量下BLM復配紙樣的多通過濾性能對于高原纖化Tencel纖維復配的紙樣較優，但這并不影響高原纖化Tencel纖維在高精度濾紙領域的廣闊應用前景——高原纖化Tencel纖維復配的紙樣具有明顯的強度優勢——在含量為20％，高原纖化Tencel纖維復配紙樣的耐破度是BLM復配紙樣的4.7倍（見表2）。這意味著，添加適量的高原纖化Tencel纖維可以在滿足過濾性能要求（如過濾精度）的前提下克服某些高精度濾紙（如高效玻纖紙）強度低、易破損的缺點，有效改善濾紙加工使用性能。

Tencel纖維易于在水中分散、可高度原纖化且能有效提高強度的特性，使它在特種紙領域具有很大的應用潛力，但要使Tencel纖維在高精度過濾紙中得到有效利用，還需要在纖維配方和紙張結構方面展開進一步工作，以使Tencel纖維的原纖結構更充分地發揮作用。

3 結論

3.1 Tencel纖維隨著打漿強度的變化，其形態（包括長度、直徑、扭曲程度和原纖化）會發生顯著改變，最終出現大量原纖。Tencel纖維打漿度大幅提高主要是原纖化程度提高造成的，纖維長度減小（被切短）對打漿度的提高影響不大。

3.2 隨著Tencel纖維（58°SR）添加量的增加，成紙的厚度、松厚度、透氣度和孔徑值下降，耐破度大幅提高。與空白樣相比，Tencel纖維含量為20％的紙樣，厚度下降了14.5％，透氣度下降了70.6％，最大孔徑下降了34.7％，平均孔徑下降了56.3％，耐破度提高了94.2％。

3.3 隨著Tencel纖維（58°SR）添加量的增加，成紙的納污容量下降，過濾精度提高。與空白樣相比，Tencel纖維含量為20％時，過濾精度由12～14μm之間，提高到了6～7μm之間。

3.4 在相同含量時，分別采用Tencel纖維（58°SR）和玻璃棉（44°SR）進行復配的紙樣的透氣度、最大孔徑和平均孔徑值接近，但BLM（44°SR）復配紙樣的納污容量和過濾精度均優于Tencel纖維（58°SR）復配紙樣。

3.5 適量添加高原纖化Tencel纖維可以有效提高高精度過濾紙的強度。

［1］胡智華，傅和青.Lyocell纖維研究進展［J］.合成材料老化與應用，2005，34（3）：45.

［2］SlaterA.用于非織造材料的Tence1 Lyoce11纖維［J］.國際紡織導報，2006（6）：11.