添加细菌纤维后浆料湿部化学特性及成纸性能研究

摘要

细菌纤维素是由微生物通过自组装机制在菌体外部合成的天然生物纤维素，具有高纯度、高结晶度和优良机械性能等特点，被广泛应用于造纸、食品、医药和材料等行业，现已成为科学研究的热点。然而，木醋杆菌等微生物合成的细菌纤维多以三维网状的织态湿膜形式存在，具有极强的抗撕扯能力。若将其用于造纸，湿膜中细菌纤维的良好解离与分散至关重要，能够直接影响分散后细菌纤维的形态及其对纸张的增强效果。因此，论文主要研究四种机械设备处理后细菌纤维的分散性能，并选定适宜的指标进行表征。同时，分析对比细菌纤维与植物纤维的湿部化学特性，并将细菌纤维添加至针叶木浆料体系中，通过化学助剂调整系统湿部化学特性，从而改善浆料的留着与滤水性能，最终借助细菌纤维优良的机械性能提高纸张强度。
　　 研究不同机械设备处理后细菌纤维的分散性能，结果表明随着机械作用力的增强，细菌纤维的分散特性及形态参数会发生显著的变化。其中，随分散效果的提高细菌纤维表面阳电荷需求量有所上升，且纤维在机械力作用下轴向切断较为严重，但直径方向却并没有达到较好的分散效果，宽度约为十几微米，仍主要以纤维束状体的形态存在。经纤维形态分析仪测试知，分散后细菌纤维长度约0.2mm，直线平均长度达0.1mm，而纤维宽度差异较大，PFI磨打浆后约为20μm，捣碎机处理后仅为12μm。激光粒度仪分析显示，细菌纤维的中位径随分散设备的不同，差别较大，依次为:研磨机26.33μm，捣碎机54.33μm，PFI磨89.45μm，疏解器144.76μm。由此可知，分散时机械作用力越强，分散后细菌纤维形态越细小，但颗粒化程度也越高。通过FBRM的光电探测器探头快速扫描而成像，认为分散效果优劣依次为:高速组织捣碎机＞PFI磨＞标准纸浆疏解器。
　　 研究对比细菌纤维与植物纤维湿部化学特性，结果表明在细菌纤维分散掖中自由游弋的细菌纤维单体通过触碰缠绕，可以形成絮体，从而大大降低其胶体稳定性。实验证明，通过添加胶体保护剂可以削弱细菌纤维的絮聚沉降现象，提高其稳定性。由于细菌纤维比表面积远大于植物纤维，故其表面电荷量较大，这也使得电导率、(ξ)-电位及微粒电荷需求量均高于植物纤维。结果显示，细菌纤维悬浮液的电导率约为针叶木纤维的3倍，(ξ)-电位也高出针叶木纤维13.48％，微粒电荷需求量接近13倍。
　　 研究助留体系对细菌纤维与针叶木浆料配抄系统湿部特性的影响，结果显示适宜的助留体系能改善纤维在纸机网部留着和滤水性能，还会影响其他湿部性能。带正电荷的助留剂能够提高浆料悬浮液电导率，使(ξ)-电位向等电点方向移动，并降低体系的阳电荷需求量。实验表明，CPAM与膨润土组成的微粒助留体系作用效果要优于有机硅类助留剂。
　　 研究细菌纤维对纸张的增强作用，结果表明细菌纤维良好的分散效果是其配抄高性能纸张的关键。其中，研磨机由于极强的机械粉磨作用，纤维分散的较好，但粉末化倾向十分严重，而PFI磨和组织捣碎机在分散的同时，对纤维纺锤形态的保护较好。从成纸强度来看，组织捣碎机处理的细菌纤维配抄成纸抗张指数最优，为56.35 N·m·g-1，比空白样提高40.03％;耐破指数4.34 kPa·m2·g-1，提高36.48％，而PFI磨处理后的细菌纤维配抄成纸撕裂指数最大，为13.57 mN·m2·g-1，比空白样提高25.30％。
　　 通过红外谱图及SEM的观察，可以推测细菌纤维提高成纸强度的三种机理，依次为:细菌纤维以类薄膜状贴附于植物纤维表面、在植物纤维间架桥连接及在纸页空隙中的填充效应。

目录

摘要

1 绪论

1．1 纤维素的种类概述

1．2 细菌纤维素的结构

1．3 细菌纤维素的性能

1．4 细菌纤维素的生产

1．4．1 细菌纤维素的合成菌属

1．4．2 细菌纤维素的合成过程

1．4．3 细菌纤维素的工业化生产

1．5 细菌纤维素在造纸工业中的应用

1．5．1 细菌纤维素的国外研究现状

1．5．2 细菌纤维素的国内研究现状

1．6 细菌纤维素在其他行业中的应用

1．6．1 细菌纤维素在医药领域中的应用

1．6．2 细菌纤维素在食品工业中的应用

1．6．3 细菌纤维素在声学材料中的应用

1．6．4 细菌纤维素在功能材料行业上的应用

1．6．5 细菌纤维素在其他领域的应用

1．7 新型检测分析仪器在细菌纤维素研究中的应用

1．7．1 纤维形态分析仪在细菌纤维素研究中的应用

1．7．2 红外光谱在物质定性分析中的应用

1．7．3 扫描电子显微镜在细菌纤维素研究中的应用

1．8 本课题的立题背景及主要研究内容

1．8．1 立题背景

1．8．2 研究内容

2 细菌纤维分散性能研究及特性表征

2．1 前言

2．2 实验原料及药品

2．3 实验仪器及设备

2．4 实验方法

2．5 结果与讨论

2．5．1 不同状态细菌纤维的表观形态

2．5．2 细菌纤维的微粒电荷需求量

2．5．3 细菌纤维形态分析

2．5．4 细菌纤维的粒度特性分析

2．6 本章小结

3 细菌纤维的湿部化学特性研究

3．1 前言

3．2 实验原料及试剂

3．3 实验仪器及设备

3．4 实验方法

3．5 结果与讨论

3．5．1 细菌纤维分散液的聚沉性能研究

3．5．2 细菌纤维与植物纤维的电化学特性对比

3．5．3 助留体系对电导率的影响

3．5．4 助留体系对ζ-电位的影响

3．4．5 白水的阳电荷需求量测定

3．4．6 白水的单程留着率测定

3．4．7 湿部化学特性测定过程

3．6 本章小结

4 细菌纤维与植物纤维混合抄造的成纸性能研究

4．1 前言

4．2 实验原料及药品

4．3 实验仪器及设备

4．4 实验方法

4．5 结果与讨论

4．5．1 细菌纤维与针叶木浆配抄成纸性能研究

4．5．2 不同设备处理细菌纤维配抄成纸性能对比

4．5．3 有机硅类助留剂对成纸性能的影响

4．5．4 CPAM／膨润土体系对成纸性能的影响

4．5．5 纸张红外光谱分析

4．5．6 细菌纤维增强纸张强度的机理分析

4．6 本章小结

5 结论

5．1 本文结论

5．2 课题创新点

5．3 展望与建议

致谢

参考文献

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