細菌纖維素與針葉木漿配抄對紙張性質的影響

呂 瑾 王志杰 劉 葉

(陜西科技大學造紙工程學院，陜西西安，710021)

細菌纖維素與針葉木漿配抄對紙張性質的影響

呂 瑾 王志杰 劉 葉

(陜西科技大學造紙工程學院，陜西西安，710021)

分別采用標準纖維解離器及PFI磨對細菌纖維素進行分散，并添加到針葉木漿中，比較這兩種方法分散后的細菌纖維素纖維對紙張物理強度的影響。結果表明，當用標準纖維解離器高速疏解分散的細菌纖維素添加量達到3%左右時，紙張的強度指標綜合評定較好，其中抗張指數增加了40.7%，撕裂指數增加了40.9%，耐破指數增加了38.3%，耐折度增加了23.2%;當添加經PFI磨12000轉處理過的細菌纖維素時，紙張各項強度指標也都得到較明顯的提高，其中，抗張指數增加了77.6%，撕裂指數增加了20.4%，耐破指數增加了38.2%，耐折度增加了25.3%。兩種分散方法比較，后者較前者好。

細菌纖維素;針葉木漿;分散;強度性能

纖維素纖維是世界上產量最高的天然高分子化合物，主要分布在植物中，但是某些微生物也可以合成纖維素纖維［1］，如醋酸菌屬、土壤桿菌屬、假單胞桿菌屬、無色桿菌屬、產堿桿菌屬、氣桿菌屬、固氮菌屬、根瘤菌屬和八疊球菌屬等9個屬中的某些細菌［2］。1886年，英國科學家Brown在實驗室分析出這種纖維素與植物纖維具有相同的化學結構，因此稱為細菌纖維素，簡稱BC［3］。細菌纖維素具有與一般植物纖維素不同的物理性質，如高結晶度和高化學純度，高抗張強度和彈性模量，高持水性和濕強度，極佳的形狀維持能力和抗撕力［4］，也是一種公認安全的多糖［5］，添加到紙漿中，細菌纖維素大分子上的羥基與植物纖維間的氫鍵作用，使紙張具有很好的物理強度，因此是一種良好的紙張增強材料。目前國內對其后處理的研究主要有堿處理、化學浸漬、干燥、改性或再生等［6］，很少有單獨進行細菌纖維素的分散方法對其配抄植物纖維成紙性能影響的研究，本實驗主要研究細菌纖維素在不同機械設備中分散后與植物纖維配抄的成紙性能。

1 實驗

1.1 主要原料、藥品及儀器

原料:四川某企業提供的細菌纖維素濕膜成品;漂白硫酸鹽針葉木漿板，用PFI磨打漿至30°SR。

儀器設備:標準纖維解離器，PFI磨，ZQJ1-B型紙樣抄取器，抗張強度試驗儀，紙張撕裂度測定儀，肖伯爾耐折度儀，電腦測控耐破度儀。

1.2 細菌纖維素分散體的制備

將浸泡在醋酸中的細菌纖維素濕膜洗至中性，剪成1 cm×1 cm的小塊，與水以1∶10的質量比混合，在標準纖維解離器中疏解10000轉，取出1/2備用;將1/2細菌纖維素懸浮液倒入300目的漿袋中，擠出水分，再用 PFI磨分別進行9000、12000、15000、18000和21000轉的打漿處理，打漿完成后配成與疏解過的細菌纖維素相同濃度的懸浮液。

1.3 紙張試樣的制備

將疏解過的細菌纖維素懸浮液分別按照0、1%、2%、3%、4%、5%的質量比與漂白硫酸鹽針葉木漿均勻混合，配抄定量為60 g/m2的紙樣，烘干后平衡水分24 h，進行紙張物理性能檢測。選擇使紙張物理性能最佳的細菌纖維素質量比，用PFI磨以不同轉數打漿處理細菌纖維素，以上述質量比加入紙漿中抄紙，檢測紙張物理性能。

2 結果與討論

2.1 細菌纖維素分散體的制備

細菌纖維素濕膜是由接近于純纖維素的纖維交織形成的薄膜，其表面形態如圖1所示。

圖1 細菌纖維素濕膜風干后掃描電鏡圖片 (20000倍)

由圖1可以看出，原始的細菌纖維素薄膜是由較均一的細菌纖維素纖維以類似于普通植物纖維交織纏繞的方法連接在一起的，但其分布更為均勻緊密。細菌纖維素纖維本身粗度均勻，長寬比極大，而表面卻較為光滑，與纖絲狀細小纖維具有較為相似的性質。由于其平均長度過長，無法測出;其寬度是目前已知的纖維中最小的，可從圖片中目測大約為10～100 nm;原始細菌纖維素濕膜含水量大約在2%左右，其濃度很低，在分散過程中又加入大量水，因此也無法測出打漿度。

細菌纖維素在與針葉木漿混合抄片前先進行分散處理，是為了使其分子鏈上的游離羥基充分暴露出來，與植物纖維之間形成氫鍵，充當植物纖維與植物纖維之間相互交織的橋連劑與填充劑，并且細菌纖維素纖維本身強度也很高，因此可以很好地提高紙張的強度指標。

細菌纖維素纖維的直徑非常小，主要分布在10～100 nm之間，因此可以用納米材料的分散方法進行分散，常見的方法有酸處理、堿處理、超聲波分散、機械粉碎、機械勻漿等［7］，本實驗選用機械方法處理。實驗結果表明，當標準纖維解離器的疏解轉數達到10000轉時，細菌纖維素濕膜基本分散成均勻懸浮液狀態，如圖2所示。

圖2 細菌纖維素濕膜經纖維解離器疏解10000轉的顯微鏡圖片 (400倍)

2.2 細菌纖維素不同添加量對紙張強度的影響

將用標準纖維解離器勻漿分散處理的細菌纖維素按照0、1%、2%、3%、4%、5%的質量比分別添加在針葉木漿中抄片，檢測其成紙的強度指標，其中耐折度用以10為底的對數表示，下同。

圖3 細菌纖維素添加量對紙張抗張指數的影響

從圖3～圖6可以看出，紙張的抗張指數、撕裂指數、耐破度、耐折度均隨細菌纖維素添加量的增加，開始呈上升趨勢，后逐漸趨于平緩。當細菌纖維素添加量達到3%時，紙張的各項強度指標的增加有非常明顯的變化，與空白樣 (添加量0)相比，抗張指數增加了40.7%，撕裂指數增加了40.9%，耐破指數增加了38.3%，耐折度增加了23.2%。因為細菌纖維素纖維的彈性模量為一般纖維的數倍至10倍以上，抗拉強度高，其楊氏模量更是高達138 GPa［8］。在抄片過程中，細菌纖維素附著在植物纖維上形成網狀交織，使植物纖維與植物纖維、植物纖維與細菌纖維素纖維之間連接更為緊密，是其各項物理強度性能提高的主要原因。

2.3 不同磨漿轉數處理的細菌纖維素對紙張強度的影響

取不同轉數PFI磨打漿的細菌纖維素懸浮液，分別以3%的質量比添加在針葉木漿中抄片，測定其成紙的強度指標，如圖7～圖10所示。

從圖7～圖10可以看出，紙張的抗張指數、撕裂指數、耐破度、耐折度均隨細菌纖維素添加量的增加，開始呈上升趨勢，后逐漸趨于平緩。當PFI磨轉數達到12000轉時，紙張的各項強度指標的增加有非常明顯的變化，與空白樣 (添加量0，打漿轉數0轉)相比，抗張指數增加了77.6%，撕裂指數增加了20.4%，耐破指數增加了38.2%，耐折度增加了25.3%。分析原因，主要是PFI磨在打漿過程中的摩擦形變效應［9］，有3部分:①磨齒的機械剪切對小纖維網絡單元的摩擦變形效應;②湍流流體剪切應力對小纖維網絡單元的摩擦變形效應;③中濃湍流中小纖維網絡單元之間的摩擦變形效應。而細菌纖維素在PFI磨中的處理正是中濃處理，因此在打漿過程中單根細菌纖維素纖維分離開，在抄紙過程中纏繞在長纖維上，起到了細小纖維的作用，增加了交織程度和紙張單位體積中的氫鍵密度，同時也填補了植物纖維之間的空隙，故其抄紙的強度性能整體提高較多。

圖11 磨漿處理后細菌纖維素纖維配抄針葉木漿紙張表面掃描電鏡照片 (5000倍)

細菌纖維素纖維磨漿后配抄針葉木漿紙張的表面情況如圖11所示。由圖11可以看出，長纖維表面較為光滑，經過打漿后分離出一些片狀的細小纖維，細菌纖維素纖維填充在縫隙中，纖維交織狀況得到很大改善。

3 結論

3.1 與標準纖維解離器高速疏解分散的細菌纖維素相比，采用PFI磨打漿的方法對細菌纖維素的分散效果較好。

3.2 在針葉木漿中添加細菌纖維素可以明顯提高紙張的抗張指數、撕裂指數、耐折度、耐破度等各項強度指標，并且增強效果與其添加量和分散程度有關，標準纖維解離器高速疏解分散的細菌纖維素添加量達到3%左右時，抗張指數增加了40.7%，撕裂指數增加了40.9%，耐破指數增加了38.3%，耐折度增加了23.2%;當用PFI磨分散時，PFI磨轉數達到12000轉時，抗張指數增加了77.6%，撕裂指數增加了20.4%，耐破指數增加了38.2%，耐折度增加了25.3%。

3.3 標準纖維解離器高速疏解分散的細菌纖維素，當在標準纖維解離器中疏解10000轉時，細菌纖維素基本分散均勻，能夠很好地與植物纖維結合，添加量為3%時綜合評定效果最好。

3.4 在細菌纖維素纖維添加量為3%(最佳值)時，隨著細菌纖維素纖維PFI磨打漿轉數的提高，紙張性能也隨之提高，當PFI磨打漿轉數為12000轉時，可以達到較優的紙張強度性能。

［1］ Brown R M Jr．Cellulose structure and biosynthesis:what is in store for the 21stcentury ［J］．J Polym Sci:Part A:Polymer Chemistry，2004，42:487．

［2］ 賈士儒，歐竑宇．細菌纖維素的生物合成及其應用［J］．化工科技市場，2001(2):21．

［3］ 吉永文弘·バイオサイエンスとインダストリ一［J］．1996，54(5):338．

［4］ Y Nishi，M Uryu，S Yamanaka，et al．The Structure and Mechanical Properties of Sheets Prepared from Bacterial Cellulose Part2．［J］．Material Science，1990，25:2997．

［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］ 龔 關，劉 忠，徐 千．細菌纖維素性能的研究現狀［J］．中國造紙，2010，29(9):66．

［7］ 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．

［8］ 孫東平，楊加志．細菌纖維素功能材料及其工業應用［M］．北京:科學出版社，2010．

［9］ 劉士亮．高效、節能型盤磨中濃打漿技術生產應用及理論初探［J］．江蘇造紙，2008(3):10．

Effect of Bacterial Cellulose Seperating by Fluffer and PFI Mill on the Wood base Handsheet Properties

LV Jin*WANG Zhi-jie LIU Ye
(Shaanxi University of Science and Technology，Xi'an，Shaanxi Province，710021)

The bacterial cellulose was separated using fluffer and PFI mill respectively and separately added into the softwood pulp suspension to prepare handsheets．The strength properties of the handsheets were compared．The result showed that the strength properties are the best when the amount of the bacterial cellulose separated by fluffer is about 3%，the tensile index，tear index，burst index，folding endurance are improved by 40．7%，40．9%，38．3%，23．2%respectively．The strength properties improve obviously when the bacterial cellulose is separated by PFI mill under 12000 revolutions the tensile index，tear index，burst index，folding endurance increase by 77．6%，20．4%，38．2% ，25．3%respectively．Comparing the two separating methods，the latter is better than the former．

bacterial cellulose;softwood pulp;dispersing;strength properties

TS722:TS753

A

0254-508X(2012)01-0019-04

呂 瑾女士，在讀碩士研究生;主要研究方向:加工紙與特種紙。

(*E-mail:lavender01052003@163．com)

2011-10-08(修改稿)

(責任編輯:馬 忻)