CN107589242B - 一种利用公式评价木浆纤维形变性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用公式化评价木浆纤维形变性能的方法，主要包括以下内容：选用商品木浆为原料；对纸浆纤维原料进行浸泡、消潜、筛分等前期预处理；然后对木浆纤维进行不同程度的脱木素处理；之后对不同形变性能纤维的弹性模量、横截面参数和化学组分进行测定，最后将上述参数代入公式进行计算获得木浆纤维形变的量化数值。本方法将木浆纤维的化学成分、细胞壁结构的弹性模量纳入到评价木浆纤维形变性能的方法中，并对其进行了量化，该方法更加科学、全面；构建的木质纤维形变性能评价方法适用于所有木浆纤维，即不同类型的木质纤维和不同含量化学组成的木质纤维，其适应性好。

Description

一种利用公式评价木浆纤维形变性能的方法

技术领域

本发明属于制浆造纸领域，涉及制浆造纸中纤维性能的评价方法，特别涉及一种利用公式评价木浆纤维形变性能的方法。

背景技术

近年来，人们对环境和可持续发展的需求越来越高，木质纤维原料作为一种丰富的植物资源，因其比重小、成本低、可回收以及可生物降解等独有的特性在诸多领域受到广泛关注。目前木浆纤维原料广泛应用于制浆造纸领域，并且在生物炼制工业和高分子材料领域有着广泛的应用前景。纤维的形变性能作为一项基本的物理性能，直接影响着木质纤维材料的应用范围及终端产品的性能。

木浆纤维的形变性是纤维的一项基本性能，表征的是纤维网络中纤维之间相互交织、形态发生变化的能力。纤维发生形变会导致纤维与纤维之间产生更多的接触，有更多机会形成结合。纤维的形变性对纤维网络的结构产生重要影响，进而影响纤维网络的性能，如松厚度、透气度、不透明度、表面平滑度以及物理强度性能等。纤维细胞壁的化学组分、细胞壁结构以及纤维横截面参数是纤维形变性能的三个决定因素。因此，针对木浆纤维形变性能的评价将成为制浆造纸工作者继续完成的工作之一。

针对木浆纤维形变性能的评价问题，近几年来国内外制浆造纸界的科研人员积极开展评价和检测木浆纤维形变性的研究工作，并在以下的文献中公开介绍木浆纤维形变性的评价方法：

1、Page等人发表在《Tappi journal》杂志1967年第50卷第1期第449-455页“Collapse behavior of pulp fibers”的文章开发了一种样品制备技术，纤维内嵌在一种与纤维壁有相同折射率而且不会渗入到纤维腔的介质中。在这种条件下，完全压溃的纤维经透射光的照射在纤维镜下不可见。但未完全压溃的纤维腔由于光在纤维和空气界面的散射而显现出来。通过这种方式，研究者能够区分出纤维腔的压溃部分，从而量化纤维的压溃性能。

2、Steadman等人发表在《Papermaking Raw Materials》杂志1985年第1卷第311-337页“The effect of wet fiber flexibility on sheet apparent density”的文章以纤维的柔软性来间接的表征木浆纤维的形变性能，建立了一种间接测定纤维柔软性的方法。他们采用纤维与25μm的不锈钢金属丝在玻片上进行交织，干燥后在配有摄像功能的光学显微镜下观察，测定纤维未与玻璃接触的距离，最后通过理论公式计算出纤维的柔软性。

3、Kibblewhite和Bawden发表在《Current and Future Technologies ofRefining Conference》会议1991年“Fiber and fiber wall response to refining insoftwood and hardwood pulps”的文章通过包埋和显微切片获得显微的横截面，然后通过图像分析来确定纤维横截面尺寸，采用纤维的纵横比(宽度厚度)来表征纤维的可压溃性。

4、H.F.Jang等人发表在《Tappi joumal》杂志1998年第81卷第5期167-174页“Using confocal microscopy to characterize the collapse behavior of fibers”的文章采用基本概念来定义压溃指数，即经过物理化学处理后，与原始纤维相比，损失的纤维内腔所占的比例，定义为压溃指数。在纤维长度方向上，任意一点的纤维细胞腔面积可以通过激光共聚焦显微镜的截面图像获得，原始细胞腔面积可以通过假定纤维为矩形，通过测定纤维细胞腔周长而确定，从而得出压溃指数。

5、Lowe等人发表在《Holzforschung》杂志2007年第61卷3期第261-266页“Deformation behavior of wet lignocellulosic fibers”的文章通过分析两根经压榨处理后纤维的偏振光显微镜图，确定其光干涉步高和自由距离的比值来表征纤维的形变程度。

6、张红杰等人发表在《RSC Advances》杂志2016年第6卷110期第109211-109217页“Further understanding the response mechanism of lignin content to bondingproperties of lignocellulosic fibers by their deformation behavior”的文章采用纤维形变来进一步揭示木质素的脱除对纤维网络结合性能的影响。

7、张红杰等人发表在《中国造纸学报》杂志2016年第31卷增刊第134-138页“纸浆纤维形变性研究进展”一文综述了纸浆纤维形变性的表征方法以及纤维形变对纸张物理强度性能、表面性能等的影响，重点讨论了纤维形变性能不同表征方式的优缺点。

上述文献介绍都仅限于通过直接或间接的方法分析纤维的形态特征来表征纤维的形变性。纸浆纤维形变性能的表征方法虽然在理论上日趋成熟，但是存在以下不足之处：

1)、第1，2，3，5，6组文献都仅局限于通过纸浆纤维的外在形态参数来表征纤维的形变性能，侧重于对纤维横截面的变化来测定纤维形变的研究，没有针对纤维细胞壁成分和纤维细胞壁结构对纤维形变的影响进行研究，更没有得出公式化的测定方法。

2)、第4组文献虽然得出了评价纤维形变性的经验公式，但是仅对纤维横截面参数进行了量化，而纤维细胞壁成分和纤维细胞壁结构仅是笼统的表述，没有进行具体的量化。

3)、木质纤维原料是一种空心的类圆柱体结构，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。木质素作为一种特殊的“粘合剂”填充在纤维细胞壁微纤丝之间。由于纤维特殊的结构和成分，纤维的形变性能主要受到纤维细胞壁成分、纤维细胞壁结构和纤维横截面参数三个部分的影响。在制浆过程中，纤维经过化学或机械处理后，三者在不同程度上都会发生一定的改变。这些改变仅仅通过纤维横截面参数，忽略纤维细胞壁成分和结构来表征的形变性能是不准确的。上述七组文献在测定纤维形变性能的方法中都没有涉及对纤维细胞壁成分和纤维细胞壁结构参数的量化。

因此，对于目前在全球迅猛发展的木浆纤维原料，亟待开发一种快速全面且准确的纤维形变性能的检测方法，进而评价木浆纤维原料的形变能力，以期为解决木质纤维原料在制浆造纸等行业应用时存在的诸多问题提供新的思路。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种利用公式评价木浆纤维形变性能的方法，采用如下公式对木浆纤维形变性能进行量化评价。

其中：

DI——Deformation Index，纤维形变因子；

C/L-——Carbohydrates/Lignin，纤维细胞壁中碳水化合物含量与木质素含量的比值，用来表征纤维不同化学组分对纤维形变的影响；

ΔE——不同化学组成的纤维或不同类型的纤维相比较时其弹性模量的变化率，用来表征纤维细胞壁结构自身对其形变的影响；

P/2πT——纤维细胞壁横截面的腔壁比，将纤维细胞壁横截面近似看作是规则的环形结构，用来表征纤维横截面几何尺寸对其形变的影响。

本方法首先对木浆纤维原料进行解离处理，以保证均为单根纤维状态；随后对不同种类或不同化学组成的木质纤维的化学组成、弹性模量和横截面几何尺寸等参数进行测定，最后代入公式1进行计算，评价不同种类或不同化学组成纤维的形变性能。

本发明中用于计算纤维形变性能的相关参数主要通过下列步骤获得：

(1)取适量某种木浆纤维进行苯醇抽提处理，以除去木浆纤维原料中的抽出物部分，苯醇抽提参照中国国家标准GB/T 10741-2008进行，然后进行平衡水分，备用；

(2)对经苯醇抽提过的总量为X的纤维参照中国国家标准GB/T 747-2003检测纤维中的酸不溶木素含量(L1)，同时参照中国国家标准GB/T 10337-2008利用紫外分光光度计检测酸溶木素含量(L2)，二者之和为纤维中的总木素含量(L1+L2＝L)；

(3)纤维中的碳水化合物的含量(C)为100与L的差值；进而由碳水化合物含量(C)和总木素含量(L)可以计算得到C/L；

(4)采用高精度短纤维力学性能测定仪(型号为SF-1)测定不同类型或不同化学组成的单根木浆纤维的弹性模量(E)，计算得到ΔE；

(5)将不同类型或不同化学组成的木浆纤维利用冷冻剂进行包埋，用冷冻切片机进行切片，切片样品厚度为5μm；将准备好的切片样品用扫描电子显微镜进行观察，得到单根纤维横截面的图像；

(6)运用图像处理软件Image-Pro Plus 6.0计算SEM纤维横截面图像中的几何尺寸，得到P和T，计算得到纤维横截面的腔壁比P/2πT；

(7)最后，将上述得到的C/L、ΔE和P/2πT代入公式1，计算得出DI值，即为不同类型或不同化学组成纤维的形变因子。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明以木浆纤维细胞壁化学成分、细胞壁结构和纤维横截面参数构建了一种公式化评价木浆纤维形变性能的方法，本方法将木浆纤维的化学成分、细胞壁结构的弹性模量纳入到评价木浆纤维形变性能的方法中，并对其进行了量化，该方法更加科学、全面。

2、本发明所构建的木质纤维形变性能评价方法适用于所有木浆纤维，即不同类型的木质纤维和不同含量化学组成的木质纤维，其适应性好。

附图说明

图1是一种松木TMP纤维检测弹性模量的样品图。

图2是木浆纤维在高精度短纤维力学性能测定仪下的测定图。

图3是木浆纤维在扫描电镜下的横截面图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

实施例1

一种利用公式评价木浆纤维形变性能的方法如下：

一、木浆纤维原料处理

将商品木浆(一种工厂生产的松木TMP)采用热循环疏解机进行消潜处理(以消除纤维在机械磨浆的剧烈作用下形成的扭曲变形状态，条件如下：浆浓2％，温度95℃，处理时间5min；消潜完成后的木浆用标准纤维解离机进行解离处理；用鲍尔筛分仪对经解离处理后的木浆进行分级处理，并收集筛分获得的四个级分(R30，P30/R50，P50/R100，P100/R200)的木浆纤维(为了避免木浆纤维多分散性对于纤维形变性能检测过程造成的干扰，建议对木浆纤维进行筛分分级处理，并对同一级分范围的不同类型或不同化学组成的纤维形变性进行比较)；均衡水分后测定固含量，备用；取适量某一级分木浆纤维进行苯醇抽提处理，以除去木浆纤维原料中的抽出物，苯醇抽提参照中国国家标准GB/T 10741-2008进行。将经一系列处理后的纤维原料平衡水分后，测定其水分含量，备用。

对经苯醇抽提过的纤维进行不同程度的脱木素处理，以获取不同化学成分含量的木浆纤维。详细的处理过程为：秤取20g绝干经热疏解、筛分、苯醇抽提后的木浆纤维，置于2L锥形瓶中，将锥形瓶置于75℃恒温水浴锅中。加入去离子水，调整浆料浓度为3％，加入亚氯酸钠量为1％(相对绝干纤维原料)，并用冰醋酸调节pH为3.5-4，处理时间为1h并不时摇晃使药剂混合均匀。此过程视为处理一个工段。1h后加入同样剂量的亚氯酸钠，并调节pH为3.5-4，处理第二个工段。不同木素含量的纤维原料的获得分别处理0，2，4，6个工段。处理后的不同木素含量的纤维原料，用去离子水洗至中性，平衡水分后测定其水分含量备用。

二、木浆纤维形变参数的测定

(1)纤维中不同化学成分含量的测定

不同木浆纤维原料总木素含量的测定是通过测定其克拉森木素(酸不溶木素)含量和酸溶木素含量之和来确定的；碳水化合物含量是通过纤维总量和木质素含量计算得到的。首先，参照中国国家标准GB/T 747-2003检测纤维中的酸不溶木素含量(L1)，同时参照中国国家标准GB/T 10337-2008利用紫外分光光度计检测酸溶木素含量(L2)，二者之和为纤维中的总木素含量(L1+L2＝L)；然后，纤维中碳水化合物的含量(C)为100扣除总木素含量的差值；最后，由碳水化合物含量(C)和总木素含量(L)计算得到C/L。

(2)木浆单根纤维弹性模量的测定

取少量木浆纤维样品(0.1g，绝干)将其分散至单根纤维悬浮状态。在台式照明放大镜下用超精细防静电镊子挑取纤维横放在特制的开有1.8mm缝隙的有机玻璃板上。有机玻璃板狭缝的两侧上表面提前贴好透明双面胶，使得挑取的纤维能够粘住并架在有机玻璃板狭缝上。粘取纤维时，要选择完整纤维，而且用镊子夹取时，要夹持纤维两端避免对纤维中部造成损伤。利用树脂胶滴在纤维两端，使纤维两端各有一个胶滴。

将两端滴有固化好的树脂胶滴的纤维夹持在高精度短纤维力学性能测试仪的“V”型卡槽中。当纤维被拉紧时，纤维两端的环氧树脂胶滴会卡在“V”型卡槽两端。拉伸过程中，需要对纤维进行预加载，以测定纤维的初始长度。之后以一定速率(0.0008mm/s)拉伸纤维，直至其发生断裂。由该仪器测量得到单根纤维的弹性模量。

(3)纤维横截面几何尺寸的测定

将各纤维样品用冷冻剂进行包埋，用冷冻切片机进行切片，切片样品厚度为5μm。将准备好的切片样品用扫描电子显微镜进行观察，得到纤维横截面的图像。然后用图像处理软件Image-Pro Plus 6.0计算纤维横截面的几何尺寸P和T，计算纤维横截面的腔壁比P/2πT。约30个有效数据用于计算每个样品的横截面参数。

根据下述公式计算纤维形变的具体数值，如表1所示。

得到不同木素含量的木浆纤维各形变性参数如表1所示。

表1 不同木质素含量的木质纤维样品的形变参数

由表1可见，随着亚氯酸钠处理程度的加强，木质纤维的总木素含量不断下降，造成木素与碳水化合物的比例(C/L)急剧上升(从3.12上升到36.45)；同时，由于木素的不断被脱除，纤维横截面的腔壁比(P/2πT)也有所增加(从0.7上升到0.901)，纤维的弹性模量变化较小。因此，含有不同木素含量的纤维的形变性(DI)也有较大差异，随着木素含量的降低，DI值从0.329上升为0.792。这充分说明纤维形变性主要取决于纤维的化学组成和纤维细胞壁的结构变化，正式由于纤维化学组成以及纤维截面的腔壁比结构发生了较大变化，才导致了纤维的形变性能发生了显著的变化。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种利用公式评价木浆纤维形变性能的方法，其特征在于，采用如下公式对木浆纤维形变性能进行量化评价：

其中：

DI——Deformation Index，纤维形变因子；

C/L——Carbohydrates/Lignin，纤维细胞壁中碳水化合物含量与木质素含量的比值，用来表征纤维不同化学组分对纤维形变的影响；

ΔE——不同化学组成的纤维或不同类型的纤维相比较时其弹性模量的变化率，用来表征纤维细胞壁结构自身对其形变的影响；

P/2πT——纤维细胞壁横截面的腔壁比，将纤维细胞壁横截面近似看作是规则的环形结构，用来表征纤维横截面几何尺寸对其形变的影响。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于计算纤维形变性能的相关参数主要通过下列步骤获得：

(1)取适量木浆纤维进行苯醇抽提处理，以除去木浆纤维原料中的抽出物部分，苯醇抽提参照中国国家标准GB/T 10741-2008进行，然后进行平衡水分，备用；

(2)对经苯醇抽提过的总量为X的纤维参照中国国家标准GB/T 747-2003检测纤维中的酸不溶木素含量L1，同时参照中国国家标准GB/T 10337-2008利用紫外分光光度计检测酸溶木素含量L2，二者之和为纤维中的总木素含量L1+L2＝L；

(3)纤维中的碳水化合物的含量C为100与L的差值；进而由碳水化合物含量C和总木素含量L可以计算得到C/L；

(4)采用高精度短纤维力学性能测定仪测定不同类型或不同化学组成的单根木浆纤维的弹性模量E，计算得到ΔE；

(5)将不同类型或不同化学组成的木浆纤维利用冷冻剂进行包埋，用冷冻切片机进行切片，切片样品厚度为5μm；将准备好的切片样品用扫描电子显微镜进行观察，得到单根纤维横截面的图像；

(6)运用图像处理软件Image-Pro Plus 6.0计算SEM纤维横截面图像中的几何尺寸，得到P和T，计算得到纤维横截面的腔壁比P/2πT；

(7)最后，将上述得到的C/L、ΔE和P/2πT代入式(1)，计算得出DI值，即为不同类型或不同化学组成纤维的形变因子。