TEMPO氧化纤维特性及用于制备透明纸的研究

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纤维素是自然界中含量最丰富的天然高分子碳水化合物,造纸的主要原料植物纤维中最主要的成分便是纤维素。纤维素优异的结构和性能决定了纸张具有可塑性强、可生物降解及可再生等特点,其中光学性能良好的透明纸张被广泛地应用于社会的各个方面。本文使用TEMPO/NaBr/NaClO氧化体系在碱性条件下处理桉木纤维,探究NaClO用量超过8.1mmol/g绝干浆的情况下氧化纤维特性和透明纸性能;再通过改变原纤维打浆度进行TEMPO体系氧化,对不同NaClO用量和打浆度下的氧化纤维的表面形貌、长度、宽度、细小纤维等情况进行表征,研究氧化条件及纤维特性对最终制备的纸张透明度和强度等性能的影响。通过不同老化条件对TEMPO氧化法制备的纸张进行处理,结合纤维中羰基、羧基含量的数据研究纸张的返黄情况。结果表明:1.使用TEMPO/NaBr/NaClO体系在NaClO用量为10.7mmol/g绝干浆时制备出纸页的透明度达到87%。TEMPO氧化后的浆料悬浮液变透明,纤维长度减小了47.5%、宽度增加了34.3%、细小纤维含量增加8倍、卷曲指数降低13.9%。氧化后的浆料抽滤得到的透明纸结构十分致密,表面几乎看不到单根的纤维,透明度均在80%以上。氧化后纸张弹性模量值最高提高6倍。2.当NaClO用量为8mmol/g绝干浆时,15°SR-45°SR的氧化浆得率均降低到60%以下。TEMPO氧化体系处理使纤维长度整体呈下降的趋势,且对打浆度小的浆样(15°SR)影响更为明显。打浆度的增加使TEMPO氧化对纤维宽度和细小纤维含量变化的影响逐渐减弱。经打浆后表面有分丝帚化的纤维在氧化过程中随着NaClO用量的增加,分丝帚化部分消失,纤维表面变光滑,且在同样的染色条件下,纤维颜色变淡。在相同的氧化条件下,低打浆度的浆料羧基含量的上升速度更快。3.打浆度为15°SR和21°SR的纸样随NaClO用量的增加而紧度不断增加,当NaClO用量为8mmol/g绝干浆时,所有纸样紧度均在0.8g/cm3以上。打浆度从15°SR增加至45°SR的变化过程中,成纸透明度均随而呈上升的趋势。当NaClO用量为8mmol/g绝干浆时,15°SR至45°SR的纸样均有超过86%的透明度,而NaClO用量为6mmol/g绝干浆时,只有15°SR和21°SR的氧化浆所制备的纸透明度超过了80%。不同打浆度下,随着NaClO用量的增加,游离浆制备的纸样表面粗糙度值呈一直下降的趋势,但半游离半粘状浆则是先增加后降低。15°SR和21°SR纸样的抗张强度随NaClO用量的增加而持续增大,其他打浆度的变化趋势为先降低后增加。15°SR和21°SR纸样随着反应中氧化剂用量的增加,透气度持续下降。但27°SR、34°SR和45°SR的样品则随着氧化剂用量的增加透气度数值先增大后减小。从光学照片可以发现,15°SR和21°SR在NaClO用量为6和8mmol/g绝干浆时的纸样已经变得非常透明,而27°SR、34°SR和45°SR只有在NaClO用量为8mmol/g绝干浆时才有良好的透明度。SEM图可以看出,TEMPO氧化作用会首先使纤维表面有分丝帚化的部分逐渐消除,NaClO用量增加后,纤维宽度逐渐增加,纸张表面封闭性变好。4.15°SR和45°SR的浆料羰基含量随氧化剂用量增加的变化均呈曲线波折上升,15°SR的浆料羰基含量从0.08mmol/g绝干浆最高增加到0.77mmol/g绝干浆,45°SR的浆料羰基含量从0.11mmol/g绝干浆最高增加到0.68mmol/g绝干浆。经不同条件处理后拍摄的光学照片发现15°SR和45°SR的浆样制备的纸张经60℃下光照8小时的样品,仅有轻微变色,常温放置10个月后纸张发生了明显变色,150℃加热24小时老化后的纸张已经严重变色。白度仪的Δb数据则显示15°SR和45°SR浆料制备的纸张经不同条件处理前后的Δb变化均呈曲折上升的趋势。相同条件下15°SR比45°SR纸样返黄严重,纤维中羰基和羧基含量的总和之间的差异可能是造成这一现象的原因。
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