如何改善废纸浆强度性能

摘 要：以废纸浆为原料探讨了木聚糖酶处理温度、时间、 浆浓和酶用量对纸浆纤维及成纸强度性能的影响。结果表明木聚糖酶处理的较佳工艺条件为：温度70℃、时间1.5h、浆浓10%、酶用量75mg/l。在此条件下废纸浆的强度性能为：耐破指数2.18kPa.m2/g耐折度23次环压强度指数10.32N.m/g 分别比初始浆料提高17.84%、27.78%和17.67%。对酶处理前 后的微观结构进行了分析表征(SEM、FTIR、X-RD)发现酶 处理后纤维表面细纤维化和孔洞化程度加强、纤维的羟基含量增加、纤维结晶结构未发生显著变化。

Abstract: XTaking recycled pulp as raw materials, the effects of temperature, time, pulp concentration and enzyme dosage in xylanase treatment on pulp fiber and paper strength performance were discussed in this paper. The results show that the better conditions for xylanase treatment are: temperature 70℃, time 1.5h, slurry concentration 10%, and enzyme dosage 75mg/l. Under these conditions, the pulp’s tensile index is reached to 2.18 kPa·m2/ g, folding resistance 23 times, and ring crush index 10.32n·m/g, increased by 17.84%, 27.78% and 17.67% respectively compared with untreated pulp. The microstructure before and after enzyme treatment was analyzed and characterized with SEM, FTIR, X-rd, and it’s found that the fiber surface is strengthened in fibrillation and porosity, the hydroxyl content in fiber is increased, and the fiber crystallization structure does not change significantly after enzyme treatment.

Key words: recycled pulp; xylanase; physical property

近年来随着国民经济的快速发展以及居民生活水平的日益提高人们对包装材料的需求量显著增加。箱纸板作为包装材料的重要组成部分具有轻便、牢固、便于装卸和运输等特点广泛用于各类中高档商品的包装中。同时由于造纸纤维具有易回收和易降解的特点可以达到节约资源和改善环境的目的符合我国倡导的可持续发展战略。

然而废纸浆纤维经过多次重复回收利用后纤维品质逐渐降低。与一次纤维相比废纸浆纤维的强度显著降低这主要源于纤维长度受到损伤、细小纤维含量较多、纤维角质化程度加重、纤维间结合力降低这些缺点均导致了纤维成纸强度的降低。此外废纸浆纤维表面油墨粒子和填料的使用也会在一定程度上阻碍氢键结合导致纸张强度下降。因此改善废纸浆纤 维的成纸强度是提高箱纸板质量和应用价值的基础。

目前改善纸浆成纸强度的方法主要包括物理法、 化学法和生物法。其中物理法是通过机械打浆实现 纤维的分丝帚化和细纤维化从而改善纤维间的结合力实现纸张强度的增加;化学法是通过在纸浆中添加如阳离子淀粉、阳离子聚丙烯酰胺等增强剂来强化纤维间的结合力;生物法是通过微生物或酶在纤维上的刻蚀作用达到修饰纤维表面结构增加纤维间结合力的目的。比较而言生物法处理具有设备投资小、生产兼容性好和环境污染低等优势因此受到生产者和消费者的青睐。例如：Beg等人选用木聚糖酶处理桉木硫酸盐浆时发现纤维润胀程度显著增加且细胞壁上形成了大量孔洞从而改善了纤维素和木素的可及度。杨桂花等在混合速生杨P-RCAPMP磨浆前进行木聚糖酶预处理在降低磨浆能耗的同时可实现纸浆的白度提高1.7%～1.9%ISO裂断长提高2%～18%撕裂指数提高8%～11%耐破度提高3%～27%耐折度提高50%。

因此本研究采用木聚糖酶对废纸浆进行处理 通过比较酶处理前后纸浆成纸物理强度的变化情况来 评价木聚糖酶的处理效果，水下超声波测厚仪并采用微观结构表征等手段揭示酶处理前后物料的结构特性。本研究结果可为 改善废纸浆强度性能提供理论指导和技术支持。

1 材料与方法

1.1 原料、仪器和试剂

实验选用的废纸浆料由浙江景兴纸业有限公司提供，便携式布氏硬度计取自其牛皮箱纸板生产线。

酶处理过程在电热恒温水浴锅(HH-21-4常州诺基仪器有限公司)中进行。

木聚糖酶(BLX-14168)由巴克曼公司提供。其他试剂均购自化学品公司。

1.2 实验方法

1.2.1 酶处理过程

取废纸浆30g(绝干浆计)放入聚乙烯密封袋中 用去离子水稀释后放入恒温水浴锅中预热至设定温度 然后加入木聚糖酶。处理过程中每15min搓揉一次以保证纤维与酶混合均匀。处理结束后用去离子水洗涤、收 集浆料储存在自封袋中测定水分备用。

1.2.2 纸张抄造

准确称取3.14 g(定量为100g/m2 )浆料并稀释 后在纤维解离机中解离5000r然后采用凯赛法抄片器(RK-3A奥地利)进行抄纸在95℃的温度下烘干5min。将烘干后的纸张置于恒温恒湿环境中平衡24h备用。

1.3 实验检测

1.3.1 纸张强度性能检测

耐破度采用耐破度仪(BSM-1600B杭州轻通 博科自动化技术有限公司)按照GB/T454-2002进行测试耐折度采用电子式纸张耐折度测定仪(ZZD- 025C长春市纸张试验机厂)按照GB/T 457-2008 进行 测 试环压 强度 采 用 环压 强度 测 定仪(100-230VAC荷兰The TMI Group of C ompanies Buchel B.V.)按照GB/T 2679.8-1995进行测试。

1.3.2 SEM形貌观察

将纤维均匀分散开、烘干取少量纤维放在导 电胶带上进行喷金然后采用环境扫描电子显微镜 (Regulus8220日本)观察纤维交织情况和表面形态变化并进行拍照。扫描时加速电压为5.0kV。

1.3.3 FTIR光谱分析

选取平整的浆料采用傅立叶变换红外光谱(IRPrestige-21日本岛津公司)进行测试分辨率为4cm-1扫描速度32次/s测量范围4000～500cm-1。

1.3.4 X-RD分析

选取平整的浆料放在载玻片上采用X射线衍射仪(D8-DVANCE德国布鲁克公司)测定纤维素的结晶度。采用自动单色器滤波λ=15.4×10 -2nm管压40k V;扫描范围2θ：10°～40°;步进扫描步宽： 0.1°;测试时间3s。

2 结果与讨论

2.1 木聚糖酶处理条件对浆料成纸强度性能的影响

2.1.1 温度

温度是酶处理过程的重要参数酶在适宜温度下表现出较强的酶活性能和酶解效率。因此基于木聚糖酶的适宜温度进行扩展固定酶用量50 0mg/l、处理时间2h、浆浓5%测试了在50～80℃下废纸浆成纸 强度的变化规律。结果如图1所示随酶处理温度的升 高耐破指数、耐折度和环压指数均呈现先升高后降低 的趋势在70℃时三个强度指标均达到较优值分别为 2.13kPa.m2 /g、20次和8.9N.m/g。可知在70℃时该木聚糖酶的活性较强处理效果较好因此确定70℃为较佳温度。

 

 

图1 木聚糖酶处理温度对浆料成纸强度性能的影响

2.1.2 时间

时间是酶处理过程的另一重要参数适宜的处理时间不仅能够提高生产效率还能降低生产成本从而实现节能增效的目的。因此固定酶用量500mg/l、温度70℃、浆浓5%处理时间范围为0.5～6h。结果如图 2所示随着处理时间的延长成纸强度指标呈现先快 速增加然后保持稳定的规律1.5h处是两个变化阶段 的转折点。在处理时间0.5～1.5h之间时各种强度指标增加幅度较大与处理0.5h时纸张的强度性能相比 处理1.5h时耐破指数、环压指数和耐折度分别提高了8.03%、28.85%和21.05%。继续延长酶处理时间三种强度指标变化均不明显。基于强度提升速度和生产效率选择1.5h为较佳处理时间。

 

 

图2 木聚糖酶处理时间对浆料成纸强度性能的影响

2.1.3 浆浓

浆浓大小与生产过程中的水耗量和酶的分散吸附效果有直接关系。本部分固定酶用量500m g/l、温度70℃、处理时间1.5h变化浆浓范围为5%～20%。结果如图3所示随着浆浓的逐渐升高，时代超声波测厚仪耐破指数、环压指数和耐折度均呈现先逐渐升高后逐渐降低的趋势。三种强 度指标均在浆浓10%时达到最大值分别为2.21kPa.m2 /g、8.31N.m/g和23次。因此从生产成本和工艺操作考虑选择10%为较佳浆浓。

 

 

图3 木聚糖酶处理浆浓对浆料成纸强度性能的影响

2.1.4 酶用量

木聚糖酶的用量直接关系到生产过程中增加的酶的成本本部分固定温度70℃、处理时间1.5h、浆浓 10%酶用量变化范围为25～500m g/l。结果如图4所 示随着酶用量的增加耐破指数、环压指数和耐折度 均呈现先逐渐升高然后趋于稳定的趋势。其中酶用量75mg/l为转折点因此选定该用量为较佳酶用量。

 

 

图4 木聚糖酶用量对浆料成纸强度性能的影响

2.2 较优酶处理工艺的再现性

对单因素优化得到木聚糖酶处理工艺条件进行再 现性测试对比处理前后废纸浆强度性能的变化情况。 结果如表1所示经过木聚糖酶处理后废纸浆成纸的强度性能均得到一定程度的改善其中耐折度增幅最大达到27.78%耐破指数和环压指数增幅均为17%左右。

表1 木聚糖酶处理后浆料成纸的强度性能

 

 

注：增长率=(A1-A0)/A0其中A0指对照样的强度A1指处理样的强度。

2.3 SEM形貌观察

图5和图6分别为木聚糖酶处理前后废纸浆纤维的扫描电镜图。从图中可以看出对照样纤维表面结构较为完整纤维结合紧密。经过酶处理的废纸浆纤维表面有较多凹陷出现分丝帚化现象纤维表面出现许多碎片这主要是由木聚糖酶降解溶出半纤维素组分所致。纤维细纤维化程度的提升有助于纤维间结合力的增加。

 

2.4 FTIR谱图分析

图7为木聚糖酶处理前后废纸浆的红外图谱。从图中可以看出木聚糖酶处理后浆料纤维的红外光谱图 在3340～3350cm-1处-OH吸收带、-OH伸缩振动处的 吸收增强在1112～1113cm-1处-OH吸收带的吸收也有所增强表明经过木聚糖酶处理的纸浆纤维中羟基显著增加。在1420cm-1、1510cm-1和1600cm-1处苯环骨架伸缩振动吸收峰的变化不大说明木聚糖酶处理并没有改变木素的基本结构。

2.5 X-RD分析

图8为木聚糖酶处理前后废纸浆的X-RD图谱从图中可以看出200结晶面的2θ值均为22.5°无定型区的2θ值均为18°。Segal结晶度分别为62.98%和 61.04%表明木聚糖酶处理未引起纤维结晶结构的显著变化。

 

3 结论

3.1 木聚糖酶处理可有效提高废纸浆的成纸强度。较佳的处理工艺为：温度70℃、时间1.5h、浆浓10%、酶用 量75mg/l。此条件下处理得到的废纸浆强度分别比初始浆料提高17.84%、27.78%和17.67%。

3.2 微观分析表明,经木聚糖酶处理后纤维表面细纤 维化和结合位点增加纤维的羟基含量增加。这有利于纤维间结合力的增强但酶处理过程并未导致纤维的结 晶结构变化。