竹渣填料在瓦楞原纸中的应用研究

竹渣，取自四川某造纸企业；OCC纸浆，自制。

抗张强度试验仪、浆料疏解机，瑞典Lorentzen & Wettre公司；打浆度测定仪、打浆机，陕西科技大学机械厂；纸样抄取机，德国HG公司；SZP-04型Zeta电位仪，德国Mütek公司；压缩仪、电脑测控厚度紧度仪，四川长江造纸仪器厂；高速粉碎机，常州市鲁南干燥设备有限公司；DFR-05型动态滤水保留仪，德国BTG公司；MorFi Compact型纤维质量分析仪，Techpap公司；S-4800型场发射扫描电子显微镜，日本理学公司；STA449F3-1053-M型同步TG-DSC热分析仪，德国耐驰仪器制造有限公司；D8 Advance型X射线衍射仪、Vertex70型傅里叶变换红外光谱仪，德国Bruker公司；5B-6C (V8) 型COD快速测定仪，北京连华科技公司；针筒式滤膜过滤器，天津市津腾实验设备有限公司。

对竹渣进行物相结构分析，结果如图1所示。结晶区衍射峰的特点是峰值高且尖锐、对称度高、半高宽窄；非结晶区衍射峰的特点是衍射强度低，峰形宽为漫散状态^[14]。竹渣填料的化学组分不单一，其含有的木素和多糖等会使相对结晶度降低。从图1可以看出，图中出现半高宽很窄、衍射强度很强的衍射峰，这是因为竹渣混有某种结晶度较高的物质；在衍射角为16°（101面）和22°（002面）附近出现衍射峰，二者均是纤维素Ⅰ的特征结晶峰，说明竹渣中的纤维素是纤维素Ⅰ型结构^[15]。

图1  竹渣XRD曲线

Fig. 1  XRD curve of bamboo residues

对竹渣中所含官能团进行分析，结果如图2所示。从图2可以看出，竹渣在3557 cm^-1处左右有1个明显的吸收峰，在3282 cm^-1处左右有1个较为明显的吸收峰，这2处均为羟基（—OH）的伸缩振动峰；在2890 cm^-1处左右处有吸收峰，这是甲基（—CH₃）和亚甲基（—CH₂）中C—H的伸缩振动峰^[16]；在低频率区1672 cm^-1和1446 cm^-1附近处是苯环中C=C的伸缩振动峰^[17]；1254 cm^-1附近处的吸收峰可能是O—H的面内弯曲振动产生的；在1014 cm^-1附近处的峰可归属于伯醇中C—O的伸缩振动峰。

图2  竹渣的FT-IR图

Fig. 2  FT-IR spectrum of bamboo residues

在抄纸过程中需对湿纸幅进行高温干燥，因此竹渣需要具有一定的热稳定性，其热稳定性TG和DTG曲线如图3所示。通过图3可看出，竹渣在湿纸幅干燥过程中并不会出现热解。当温度低于240℃时，竹渣质量未出现明显变化，此时质量的下降是竹渣内部水分的蒸发；当温度处于240~350℃竹渣质量迅速下降，竹渣发生剧烈热解；当温度高于350℃竹渣质量变化平缓，此时热解后的竹渣继续缓慢分解，最终变成灰分；整个过程中竹渣质量损失为71.8%；从DTG曲线中可看出，质量损失速率的峰值出现在344℃。

图3  竹渣的TG和DTG曲线

Fig. 3  TG and DTG curves of ground bamboo residues

图4为自制OCC纸浆纤维形态。图5为自制OCC纸浆纤维长度和宽度。图6为自制OCC纸浆纤维长宽分布。由图4~图6可看出，OCC纸浆纤维长短不一，且含有杂质。通过纤维质量分析仪对纸浆纤维进行分析发现，纤维长度在0.2~1.4 mm的占87.2%，宽度在0~40 μm的占88.3%。通过对纤维长宽分布进行测定发现，宽度5~30 μm、长度0.2~0.9 mm的纸浆纤维占所测纤维的89.6%；纸浆纤维的平均宽度为23.5 μm，平均长度为0.818 mm。

  

  

图4 自制OCC纸浆纤维形态

Fig. 4 Fiber morphology of self-made OCC pulp

  

  

图5 自制OCC纸浆纤维长度和宽度

Fig. 5 Fiber length and width distribution of self-made OCC pulp

图6  自制OCC纸浆纤维长宽分布

Fig. 6  Fiber length and width distribution of self-made OCC pulp

抄制竹渣加填纸并对纸张的环压指数、抗张指数和紧度进行测定，结果如表1~表4所示。

表1为未过60目竹渣加填对纸张环压指数和抗张指数的影响。未过60目的竹渣加填纸手感粗糙，这是因为竹渣颗粒过大，无法分布在纸张纤维网格中，只能沉积在纸张表面；纸样会出现明显的掉渣现象；沉积在表面的竹渣导致纸张厚度增加，从而降低纸张紧度。由表1可知，随着竹渣添加量的增加，纸张的环压指数先增加后减小，峰值出现在添加量5%，较对照组增加了7.1%；纸张的抗张指数随添加量的增加而持续下降，较对照组最高下降了25.6%。

表2为60~100目竹渣加填对纸张环压指数和抗张指数的影响。相比未过60目的竹渣填料加填纸，60~100目的竹渣填料加填纸的手感明显改善；同时发现，较多的竹渣颗粒分布于纸张纤维网络中，但仍有少量竹渣颗粒沉积在纸张表面，掉渣现象明显好于第一组；由表2可知，纸张紧度也明显好于第一组。随着竹渣添加量的增多，环压指数先增加后减小，峰值出现在添加量为10%，较对照组增加了19.0%；纸张的抗张指数持续下降，较对照组最高下降了23.1%。

表3为100~200目竹渣加填对纸张环压指数和抗张指数的影响。100~200目的竹渣加填纸手感与未加填纸基本相同，这是因为竹渣颗粒小，大部分竹渣颗粒分布在纤维网格中，沉积在表面的竹渣颗粒较少；由表3可知，纸张紧度随添加量的增加先增加后减小，纸张有轻微掉渣现象；随竹渣添加量的增加，纸张的环压指数先增加后减小，峰值出现在添加量10%，较对照组增加了26.2%；纸张的抗张指数有所下降，较对照组最高下降了9.9%。

表4为200目以上竹渣加填对纸张环压指数和抗张指数的影响。200目以上的竹渣加填纸，手感较未加填纸更细腻，这是因为竹渣颗粒填充了纸张纤维网格，纸样未出现掉渣的现象；由于竹渣填料都分布在纤维网格中，因此纸张的紧度有所上升；由表4可知，随着竹渣添加量的增加，纸张的环压指数先增加后减小，峰值出现在添加量为15%，较对照组增加了28.6%；抗张指数随添加量的增加而减小，当添加量20%，较对照组下降了2.5%。

图7为竹渣加填对纸张抗张指数和环压指数的影响。由图7可看出，4种竹渣加填纸的抗张指数均随添加量增加而下降，且低于对照组；随着竹渣添加量的增加，环压指数均先增加后减小；竹渣的颗粒尺寸对纸张的物理性能影响较大，在相同添加量下，纸张的抗张指数和环压指数均随竹渣颗粒尺寸的减小而增大；竹渣颗粒尺寸越小，可添加的竹渣越多。通过上述研究发现，200目以上竹渣加填效果最好，当竹渣添加量为15%，纸张的环压指数最高。

  

  

图7 竹渣加填对纸张抗张指数和环压指数的影响

Fig. 7 Effect of bamboo residue filling on tensile index and ring crush index of paper

图8为不同竹渣粒径尺寸对其填料留着率的影响。从图8可看出，随着竹渣添加量的增加，各粒径尺寸竹渣的填料留着率均下降；当竹渣颗粒尺寸为200目以上时，竹渣添加量15%的填料留着率为61.4%，相较添加量5%的填料留着率下降了2.8%；在添加量相同时，竹渣留着率随着竹渣尺寸的减小而下降；当竹渣添加量为15%时，200目以上竹渣的填料留着率较未过60目竹渣的填料留着率下降了19.7%；这是因为竹渣的留着以机械截留为主，竹渣尺寸越大，机械截留越容易。

图8  不同粒径尺寸对竹渣填料留着率的影响

Fig. 8  Effect of different particle size on retention of bamboo residues filler

从纸张强度方面考虑，选择200目以上竹渣进行后续研究，控制浆浓为0.5%，采用Zeta电位分析仪对竹渣的电性质进行测定，结果如表5所示。

从表5中可看出，随着竹渣添加量的增加，浆料的Zeta电位绝对值逐渐增大，因此可以判定竹渣具有电负性，不利于浆料絮凝；若要提高竹渣加填纸的纸张性能和竹渣填料的留着率，可选用阳离子助剂。

对200目以上的竹渣颗粒尺寸进行测定，竹渣颗粒平均长度为0.316 mm，平均宽度为29.4 μm。竹渣颗粒的形貌如图9所示，其中图9(a)为竹渣颗粒的整体形貌图，从中可看出竹渣形态不一，有细长棍状、短粗棍状等；图9(b)是竹渣颗粒的局部形貌图，从中可看出，竹渣颗粒表面粗糙，这可能会增大竹渣与纸浆纤维间的摩擦力，从而提高纸张的环压指数。

  

  

图9 200目以上竹渣FESEM图

Fig. 9 FESEM images of bamboo residue over 200 mesh

收集未加填竹渣纸的抄造白水，将未过滤的白水记为1^#，过滤后的白水记为2^#；收集竹渣加填纸的抄造白水（竹渣尺寸为0.316 mm×29.4 μm，添加量15%），将未过滤的白水记为3^#，过滤后的白水记为4^#；将样品用蒸馏水稀释10倍后用COD快速检测仪对样品COD_Cr的浓度进行测定，结果如表6所示。

从表6可看出，未过滤时，2组抄造白水的COD_Cr相同；当过滤白水后，2组抄造白水的COD_Cr相比未过滤时均下降了33.3%，因此竹渣用作造纸填料不会增加抄造白水的COD负荷。