竹渣填料在瓦楞原紙中的應(yīng)用研究

1、PAGE 18 -竹渣填料在瓦楞原紙中的應(yīng)用研究我國竹子資源豐富、分布廣泛、竹林總面積達(dá)673萬hm2，已成為重要的造紙?jiān)?。竹子制漿過程中產(chǎn)生的渣料、碎屑等廢料俗稱為竹渣。2022年我國竹漿產(chǎn)量達(dá)到219萬t1，竹渣產(chǎn)量約占竹子原料的3%5%2，即竹渣的總量大約為13.2萬22.0萬t。對(duì)竹渣進(jìn)行合理處理并利用，已成為當(dāng)前我國竹子制漿造紙行業(yè)中備受關(guān)注的研究課題。目前大部分研究集中在以竹渣為原料制備竹醋3、活性炭4-5、木糖6及高純度竹纖維微粉7，也有人研究了用竹渣為原料制備竹塑復(fù)合材料8和菌類培養(yǎng)基9等。上述研究成果所涉及產(chǎn)品一般使用竹渣量較小，不能實(shí)現(xiàn)大宗處理和高效利用竹渣的目的，且可能

2、存在產(chǎn)業(yè)化難度較大的問題。目前制漿造紙行業(yè)對(duì)竹渣的處理還沒有非常有效的方法，基本采用直接焚燒或其他低級(jí)利用方法，竹渣未得到有效的資源化利用。加填的首要目的是賦予紙張?zhí)囟ǖ膽?yīng)用性能，如改善紙張的光學(xué)性能、印刷適性和手感等10。由于填料價(jià)格一般較紙漿纖維低廉，所以加填已成為造紙行業(yè)中節(jié)約紙張?jiān)铣杀镜闹匾侄?1，通過提高紙張中填料量來實(shí)現(xiàn)節(jié)約紙漿纖維的目的已成造紙行業(yè)中一項(xiàng)慣用技術(shù)。目前造紙生產(chǎn)過程中應(yīng)用最多的造紙?zhí)盍匣臼菬o機(jī)礦物質(zhì)（如滑石粉、碳酸鈣、二氧化鈦及高嶺土等），這些填料的使用會(huì)導(dǎo)致紙張物理強(qiáng)度性能下降、紙張掉毛掉粉等問題，生產(chǎn)過程中一般會(huì)通過使用增強(qiáng)劑來彌補(bǔ)添加填料對(duì)紙張物理強(qiáng)度產(chǎn)

3、生的不利影響。為了降低無機(jī)礦物填料對(duì)紙張物理強(qiáng)度的負(fù)面影響，研究者通過改性傳統(tǒng)填料制備復(fù)合填料用于造紙的方法12-13，取得了較好的效果，但會(huì)顯著增加填料的使用成本。竹渣作為工廠廢棄物價(jià)格低廉，加工成本可控，因此將竹渣用作造紙?zhí)盍显诮?jīng)濟(jì)上是可行的。本研究擬以竹渣為原料，通過粉碎研磨將其制備成一定顆粒大小的竹渣填料，將其用于廢舊箱紙板（OCC）抄造瓦楞原紙過程，以探討竹渣作為瓦楞原紙?zhí)盍鲜褂玫目尚行浴Ｖ饕芯苛酥裨盍系某叽绱笮『吞砑恿繉?duì)紙張物理強(qiáng)度指標(biāo)和濕部性能的影響，旨在為竹渣填料在造紙過程中的資源化利用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。1 實(shí)驗(yàn)1.1實(shí)驗(yàn)原料竹渣，取自四川某造紙企業(yè)；OCC紙漿，自制。1.2實(shí)

4、驗(yàn)儀器抗張強(qiáng)度試驗(yàn)儀、漿料疏解機(jī)，瑞典LorentzenWettre公司；打漿度測(cè)定儀、打漿機(jī)，陜西科技大學(xué)機(jī)械廠；紙樣抄取機(jī)，德國HG公司；SZP-04型Zeta電位儀，德國Mtek公司；壓縮儀、電腦測(cè)控厚度緊度儀，四川長江造紙儀器廠；高速粉碎機(jī)，常州市魯南干燥設(shè)備有限公司；DFR-05型動(dòng)態(tài)濾水保留儀，德國BTG公司；MorFi Compact型纖維質(zhì)量分析儀，Techpap公司；S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本理學(xué)公司；STA449F3-1053-M型同步TG-DSC熱分析儀，德國耐馳儀器制造有限公司；D8 Advance型X射線衍射儀、Vertex70型傅里葉變換紅外光譜儀，德

5、國Bruker公司；5B-6C (V8) 型COD快速測(cè)定儀，北京連華科技公司；針筒式濾膜過濾器，天津市津騰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。1.3實(shí)驗(yàn)方法1.3.1竹渣填料制備取一定量竹渣粗料置于高速粉碎機(jī)中進(jìn)行粉碎研磨處理，得到竹渣細(xì)料，進(jìn)一步采用分級(jí)篩將細(xì)料分級(jí)成不同目數(shù)的填料樣品，測(cè)定水分并置于密閉容器中備用。1.3.2OCC紙漿制備將廢舊紙板撕碎后浸泡，用打漿機(jī)進(jìn)行打漿；去除雜質(zhì)后甩干裝入樣品袋置于冰箱冷藏24 h以上平衡水分，得到OCC紙漿。測(cè)定其打漿度為21SR。1.3.3紙張抄制按紙張定量100 g/m2稱取OCC紙漿，分別加入絕干紙漿質(zhì)量占比5%、10%、15%、20%的竹渣填料，采用漿料疏

6、解機(jī)混合均勻后，抄成濕紙幅，隨后揭紙，揭紙后的濕紙幅在0.5 MPa下壓榨3 min，于102108干燥5 min得到紙張。未加填竹渣的紙張為對(duì)照組。1.4測(cè)定方法1.4.1紙張物理強(qiáng)度由于紙張用途為瓦楞原紙，主要評(píng)判指標(biāo)為環(huán)壓強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度，其中紙樣抗張指數(shù)和環(huán)壓指數(shù)的測(cè)定方法參照GB/T 129142022和GB/T 2679.81995。1.4.2竹渣填料物相結(jié)構(gòu)采用X射線衍射儀（XRD）對(duì)竹渣填料進(jìn)行物相結(jié)構(gòu)分析，掃描速度2/s，掃描范圍540。1.4.3竹渣填料化學(xué)結(jié)構(gòu)采用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）對(duì)竹渣填料的官能團(tuán)進(jìn)行分析，波數(shù)范圍5004000 cm-1，掃描次數(shù)40次。

7、1.4.4竹渣填料熱穩(wěn)定性采用同步TG-DSC熱分析儀對(duì)竹渣填料進(jìn)行TG-DTG分析，溫度范圍30600。1.4.5竹渣填料濕部性能采用動(dòng)態(tài)濾水保留儀對(duì)竹渣填料留著率和漿料濾水性能進(jìn)行測(cè)定；采用Zeta電位儀對(duì)竹渣填料的電性質(zhì)進(jìn)行分析。1.4.6竹渣填料尺寸及形貌采用纖維質(zhì)量分析儀對(duì)竹渣顆粒尺寸進(jìn)行測(cè)定；采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）對(duì)竹渣顆粒表面形貌進(jìn)行分析。1.4.7白水CODCr檢測(cè)采用COD快速測(cè)定儀對(duì)抄紙過程中白水CODCr的濃度進(jìn)行測(cè)定。2結(jié)果與討論2.1竹渣物相結(jié)構(gòu)的分析對(duì)竹渣進(jìn)行物相結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果如圖1所示。結(jié)晶區(qū)衍射峰的特點(diǎn)是峰值高且尖銳、對(duì)稱度高、半高寬窄；非結(jié)晶區(qū)

8、衍射峰的特點(diǎn)是衍射強(qiáng)度低，峰形寬為漫散狀態(tài)14。竹渣填料的化學(xué)組分不單一，其含有的木素和多糖等會(huì)使相對(duì)結(jié)晶度降低。從圖1可以看出，圖中出現(xiàn)半高寬很窄、衍射強(qiáng)度很強(qiáng)的衍射峰，這是因?yàn)橹裨煊心撤N結(jié)晶度較高的物質(zhì)；在衍射角為16（101面）和22（002面）附近出現(xiàn)衍射峰，二者均是纖維素的特征結(jié)晶峰，說明竹渣中的纖維素是纖維素型結(jié)構(gòu)15。圖1竹渣XRD曲線Fig. 1XRD curve of bamboo residues2.2竹渣化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析對(duì)竹渣中所含官能團(tuán)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，竹渣在3557 cm-1處左右有1個(gè)明顯的吸收峰，在3282 cm-1處左右有1個(gè)較為明顯的吸

9、收峰，這2處均為羥基（OH）的伸縮振動(dòng)峰；在2890 cm-1處左右處有吸收峰，這是甲基（CH3）和亞甲基（CH2）中CH的伸縮振動(dòng)峰16；在低頻率區(qū)1672 cm-1和1446 cm-1附近處是苯環(huán)中C=C的伸縮振動(dòng)峰17；1254 cm-1附近處的吸收峰可能是OH的面內(nèi)彎曲振動(dòng)產(chǎn)生的；在1014 cm-1附近處的峰可歸屬于伯醇中CO的伸縮振動(dòng)峰。圖2竹渣的FT-IR圖Fig. 2FT-IR spectrum of bamboo residues2.3竹渣熱穩(wěn)定性的分析在抄紙過程中需對(duì)濕紙幅進(jìn)行高溫干燥，因此竹渣需要具有一定的熱穩(wěn)定性，其熱穩(wěn)定性TG和DTG曲線如圖3所示。通過圖3可看出，竹

10、渣在濕紙幅干燥過程中并不會(huì)出現(xiàn)熱解。當(dāng)溫度低于240時(shí)，竹渣質(zhì)量未出現(xiàn)明顯變化，此時(shí)質(zhì)量的下降是竹渣內(nèi)部水分的蒸發(fā)；當(dāng)溫度處于240350竹渣質(zhì)量迅速下降，竹渣發(fā)生劇烈熱解；當(dāng)溫度高于350竹渣質(zhì)量變化平緩，此時(shí)熱解后的竹渣繼續(xù)緩慢分解，最終變成灰分；整個(gè)過程中竹渣質(zhì)量損失為71.8%；從DTG曲線中可看出，質(zhì)量損失速率的峰值出現(xiàn)在344。圖3竹渣的TG和DTG曲線Fig. 3TG and DTG curves of ground bamboo residues2.4竹渣加填紙張物理強(qiáng)度的分析圖4為自制OCC紙漿纖維形態(tài)。圖5為自制OCC紙漿纖維長度和寬度。圖6為自制OCC紙漿纖維長寬分布。由

11、圖4圖6可看出，OCC紙漿纖維長短不一，且含有雜質(zhì)。通過纖維質(zhì)量分析儀對(duì)紙漿纖維進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，纖維長度在0.21.4 mm的占87.2%，寬度在040 m的占88.3%。通過對(duì)纖維長寬分布進(jìn)行測(cè)定發(fā)現(xiàn)，寬度530 m、長度0.20.9 mm的紙漿纖維占所測(cè)纖維的89.6%；紙漿纖維的平均寬度為23.5 m，平均長度為0.818 mm。圖4自制OCC紙漿纖維形態(tài)Fig. 4Fiber morphology of self-made OCC pulp圖5自制OCC紙漿纖維長度和寬度Fig. 5Fiber length and width distribution of self-made OCC

12、pulp圖6自制OCC紙漿纖維長寬分布Fig. 6Fiber length and width distribution of self-made OCC pulp抄制竹渣加填紙并對(duì)紙張的環(huán)壓指數(shù)、抗張指數(shù)和緊度進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表1表4所示。表1未過60目竹渣加填對(duì)紙張環(huán)壓指數(shù)和抗張指數(shù)的影響Table 1Effect of less 60 mesh bamboo residue filling on ring crush index and tensile index of paper竹渣添加量/%定量/gm-2緊度/gm-3抗張指數(shù)/Nmg-1環(huán)壓指數(shù)/Nmg-1對(duì)照組99.50.3812

13、.14.25106.80.3210.94.510110.20.2910.54.415118.50.299.84.220223.70.279.03.6表260100目竹渣加填對(duì)紙張環(huán)壓指數(shù)和抗張指數(shù)的影響Table 2Effect of 60100 mesh bamboo residue filling on ring crush index and tensile index of paper竹渣添加量/%定量/gm-2緊度/gm-3抗張指數(shù)/Nmg-1環(huán)壓指數(shù)/Nmg-1對(duì)照組99.50.3812.14.25104.60.3912.04.610109.10.3611.95.015117.20

14、.3311.24.620223.10.329.34.1表3100200目竹渣加填對(duì)紙張環(huán)壓指數(shù)和抗張指數(shù)的影響Table 3Effect of 100200 mesh bamboo residue filling on ring crush index and tensile index of paper竹渣添加量/%定量/gm-2緊度/gm-3抗張指數(shù)/Nmg-1環(huán)壓指數(shù)/Nmg-1對(duì)照組99.50.3812.14.25103.70.4112.24.710108.80.4012.05.315116.00.3811.74.920222.90.3610.94.5表4200目以上竹渣加填對(duì)紙張環(huán)壓

15、指數(shù)和抗張指數(shù)的影響Table 4Effect of over 200 mesh bamboo residue filling on ring crush index and tensile index of paper竹渣添加量/%定量/gm-2緊度/gm-3抗張指數(shù)/Nmg-1環(huán)壓指數(shù)/Nmg-1對(duì)照組99.50.3812.14.25102.80.3512.45.010108.10.3912.35.215115.70.4112.15.420221.20.4211.85.0表1為未過60目竹渣加填對(duì)紙張環(huán)壓指數(shù)和抗張指數(shù)的影響。未過60目的竹渣加填紙手感粗糙，這是因?yàn)橹裨w粒過大，無法分布在

16、紙張纖維網(wǎng)格中，只能沉積在紙張表面；紙樣會(huì)出現(xiàn)明顯的掉渣現(xiàn)象；沉積在表面的竹渣導(dǎo)致紙張厚度增加，從而降低紙張緊度。由表1可知，隨著竹渣添加量的增加，紙張的環(huán)壓指數(shù)先增加后減小，峰值出現(xiàn)在添加量5%，較對(duì)照組增加了7.1%；紙張的抗張指數(shù)隨添加量的增加而持續(xù)下降，較對(duì)照組最高下降了25.6%。表2為60100目竹渣加填對(duì)紙張環(huán)壓指數(shù)和抗張指數(shù)的影響。相比未過60目的竹渣填料加填紙，60100目的竹渣填料加填紙的手感明顯改善；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，較多的竹渣顆粒分布于紙張纖維網(wǎng)絡(luò)中，但仍有少量竹渣顆粒沉積在紙張表面，掉渣現(xiàn)象明顯好于第一組；由表2可知，紙張緊度也明顯好于第一組。隨著竹渣添加量的增多，環(huán)壓指數(shù)先

17、增加后減小，峰值出現(xiàn)在添加量為10%，較對(duì)照組增加了19.0%；紙張的抗張指數(shù)持續(xù)下降，較對(duì)照組最高下降了23.1%。表3為100200目竹渣加填對(duì)紙張環(huán)壓指數(shù)和抗張指數(shù)的影響。100200目的竹渣加填紙手感與未加填紙基本相同，這是因?yàn)橹裨w粒小，大部分竹渣顆粒分布在纖維網(wǎng)格中，沉積在表面的竹渣顆粒較少；由表3可知，紙張緊度隨添加量的增加先增加后減小，紙張有輕微掉渣現(xiàn)象；隨竹渣添加量的增加，紙張的環(huán)壓指數(shù)先增加后減小，峰值出現(xiàn)在添加量10%，較對(duì)照組增加了26.2%；紙張的抗張指數(shù)有所下降，較對(duì)照組最高下降了9.9%。表4為200目以上竹渣加填對(duì)紙張環(huán)壓指數(shù)和抗張指數(shù)的影響。200目以上的竹渣

18、加填紙，手感較未加填紙更細(xì)膩，這是因?yàn)橹裨w粒填充了紙張纖維網(wǎng)格，紙樣未出現(xiàn)掉渣的現(xiàn)象；由于竹渣填料都分布在纖維網(wǎng)格中，因此紙張的緊度有所上升；由表4可知，隨著竹渣添加量的增加，紙張的環(huán)壓指數(shù)先增加后減小，峰值出現(xiàn)在添加量為15%，較對(duì)照組增加了28.6%；抗張指數(shù)隨添加量的增加而減小，當(dāng)添加量20%，較對(duì)照組下降了2.5%。圖7為竹渣加填對(duì)紙張抗張指數(shù)和環(huán)壓指數(shù)的影響。由圖7可看出，4種竹渣加填紙的抗張指數(shù)均隨添加量增加而下降，且低于對(duì)照組；隨著竹渣添加量的增加，環(huán)壓指數(shù)均先增加后減?。恢裨念w粒尺寸對(duì)紙張的物理性能影響較大，在相同添加量下，紙張的抗張指數(shù)和環(huán)壓指數(shù)均隨竹渣顆粒尺寸的減小而增

19、大；竹渣顆粒尺寸越小，可添加的竹渣越多。通過上述研究發(fā)現(xiàn)，200目以上竹渣加填效果最好，當(dāng)竹渣添加量為15%，紙張的環(huán)壓指數(shù)最高。圖7竹渣加填對(duì)紙張抗張指數(shù)和環(huán)壓指數(shù)的影響Fig. 7Effect of bamboo residue filling on tensile index and ring crush index of paper2.5竹渣加填漿料濕部性能的分析圖8為不同竹渣粒徑尺寸對(duì)其填料留著率的影響。從圖8可看出，隨著竹渣添加量的增加，各粒徑尺寸竹渣的填料留著率均下降；當(dāng)竹渣顆粒尺寸為200目以上時(shí)，竹渣添加量15%的填料留著率為61.4%，相較添加量5%的填料留著率下降了2.8

20、%；在添加量相同時(shí)，竹渣留著率隨著竹渣尺寸的減小而下降；當(dāng)竹渣添加量為15%時(shí)，200目以上竹渣的填料留著率較未過60目竹渣的填料留著率下降了19.7%；這是因?yàn)橹裨牧糁詸C(jī)械截留為主，竹渣尺寸越大，機(jī)械截留越容易。圖8不同粒徑尺寸對(duì)竹渣填料留著率的影響Fig. 8Effect of different particle size on retention of bamboo residues filler從紙張強(qiáng)度方面考慮，選擇200目以上竹渣進(jìn)行后續(xù)研究，控制漿濃為0.5%，采用Zeta電位分析儀對(duì)竹渣的電性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表5所示。表5200目以上竹渣加填漿料Zeta電位變化Tabl

21、e 5Change of Zeta potential of slurry filled with bamboo residue over 200 mesh竹渣添加量/%05101520Zeta電位/mV-42.0-43.3-45.7-47.7-53.1從表5中可看出，隨著竹渣添加量的增加，漿料的Zeta電位絕對(duì)值逐漸增大，因此可以判定竹渣具有電負(fù)性，不利于漿料絮凝；若要提高竹渣加填紙的紙張性能和竹渣填料的留著率，可選用陽離子助劑。2.6竹渣的形貌及尺寸分析對(duì)200目以上的竹渣顆粒尺寸進(jìn)行測(cè)定，竹渣顆粒平均長度為0.316 mm，平均寬度為29.4 m。竹渣顆粒的形貌如圖9所示，其中圖9(a)為竹渣顆粒的整體形貌圖，從中可看出竹渣形態(tài)不一，有細(xì)長棍狀、短粗棍狀等；圖9(b)是竹渣顆粒的局部形貌圖，從中可看出，竹渣顆粒表面粗糙，這可能會(huì)增大竹渣與紙漿纖維間的摩擦力，從而提高紙張的環(huán)壓指數(shù)。圖9200目以上竹渣FESEM圖Fig. 9FESEM images of bamboo residue over 200 mesh2.7白水CODCr的分析收集未加填竹渣紙的抄造白水，將未過濾的白水記為1#，過濾后的白水記為2#；收集竹渣加填紙的抄造白