不同打浆方法下胶原纤维配抄吸音纸的研究

1、全国特种纸技术交流会暨特种纸委员会第六届年会论文集不同打浆方法下胶原纤维配抄吸音纸的研究罗英张美云刘正伟 (陕西省重点实验室造纸技术及特种纸研究团队，陕西科技大学，西安，710021)摘要。将机械打浆胶原纤维和化学机械打浆胶原纤维与植物纤维分别混合抄片制备了吸音 纸，研究了纸张的物理特性、抄造性能和吸音性能。结果表明：吸音纸具有良好的吸音性， 其平均吸音系数在O5以上。机械打浆胶原纤维的用量在20"50之间或者化学机械打浆 胶原纤维的用量在20-'40之间，纸张的物理特性、抄造性能和吸音性能都较好。关键词：胶原纤维；机械打浆；化学机械打浆；吸音纸A study on diff

2、erent methods beating collagen fibermanufacturing soundabsorbing paperLUO YingZHANG MeiyunLIU Zhengwei(Shaanxi Province Key Lab ofPapermaking Technology and Special Paper Development，Shaanxi UniversirjofScience and Technology，Xian，710021，China)Abstract：111e new soundabsorbing papers were respectivel

3、y manufactured by using mechanical beating collagen fiber and chemical mechar2cal cc!Iagen fiberne physical characteristics， papermaking performance and sound·absorbing efficiency were discussed111e research resultsindicated：111e paper had a good acoustic sound-absorbing properties， its average

4、 sound-absorptive index is above 05When the mechanical collagen fiber was 20-50or the chemical mechanical collagen fiber Was 20"40，the perfommnces ofthe paper wel'e properKeywords：collagen fiber：mechanical beating：chemical mechanical beating；sound-absorbingpaper我国每年产生皮革固体废弃物达140多万吨，含铬固体废弃物5

5、0多万吨|l J。这些固体 物主要成分是胶原纤维，如果不能将这些固体废弃物进行合理的处理，一方面会严重污染环 境。另一方面也会造成胶原纤维蛋白质的大量浪费。胶原纤维具有微弹性和很高的抗张强度， 并且还有许多独特的性质如高耐磨性、绝热性、吸音性和柔韧性121等，可以作为一种功能 材料添加到造纸中，开发具有特殊功能的纸张。随着人民生活水平的提高，社会对吸音材料 的需求量呈迅猛增长之势，同时也对吸音材料的性能提出了更高更多的要求。吸音材料必须 实现从过去单一吸声功能向高吸声性、装饰性、经济性和环保性等多功能转变。目前应用较44全国特种纸技术交流会暨特种纸委员会第六届年会论文集多的吸音材料有：无机纤维

6、、合成纤维、泡沫以及金属纤维类材料。这类材料作为吸音材料 有其自身的优势，但不少材料也存在着对人体有害，不易降解，不易加工成型等缺点【41。纸 张作为一种结构材料，具有质轻、易加工、环保等优点，而将其作为吸音材料的研究目前在 国内外还尚属空白。本文基于充分利用胶原纤维资源，开发特殊纸张的指导思想下，将机械打浆和化学机械 打浆所得的胶原纤维分别与植物纤维配抄，制备了一种具有吸音性能的吸音纸，对该吸音纸 的基本物理性能、抄造性能及吸音性能进行了分析研究，为废革屑胶原纤维在造纸中的特殊 应用提供了一定的思路和理论基础。1实验11原料 机械打浆胶原纤维，化学机械打浆胶原纤维，植物纤维，助留助率剂CPA

7、M。 12主要仪器DCS041P型PFI磨浆机，BBS-3纸页成形器，NOSE003标准浆样疏解机，声望SW006 驻波管，声望VS302USB双通道声学分析仪。13纸张抄造及性能检测 将不同处理方法的胶原纤维和植物纤维浆料按不同的比例混合，添加助剂，在纸页成形器中抄造手抄片，纸张定量为1509m2，CPAM用量002，并按照相关标准检测其基本物 理性能。14纸张吸音性能检测参照GBJ88一1985驻波管吸音吸数与声阻抗率测量规范，测试试样的驻波管吸音系 数。常用吸音系数来描述吸音材料的吸音能力。通常把平均吸音系数超过02的材料称为吸 音材料【51。吸音材料在声波各个频率的吸音系数各不相同。本

8、实验测试了从125-。4000Hz范 围内共16个频率下材料的吸音系数，基本涵盖了低中高3个频段，能够充分反应材料的吸音性能，并通过计算材料在这16个频率下的平均吸音系数来反映材料综合吸音性能。2结果与讨论21吸音纸的基本物理性能211机械打浆胶原纤维 将机械打浆胶原纤维与针叶木浆按不同比例混合抄片，测试纸张的基本物理性能指标(见图l，图2和图3)。不同胶原纤维用量对纸页性能的改善是不相同的。45全国特种纸技术交流会暨特种纸委员会第六届年会论文集_ 80轴、25孚60-吕20Z鼍15瓤40靶整lo涨20搐藤50蠢0010 20 30 40 50 60O10 20 30 40 50 60胶原纤维

9、用量()胶原纤维用量()图l机械打浆胶原纤维对纸页抗张指数的影响图2机械打浆胶原纤维对纸页撕裂指数的影响UIU捌3U刚硼flU脚朗缮暇一图3机械打浆胶原纤维对纸页耐破指数的影响由图1、2和3可知，在胶原纤维用量小于10时，纸页的抗张指数、撕裂指数呈上升 趋势，随着胶原纤维用量大于10，纸页的强度开始下降，在10"50以内，强度下降 比较缓慢，胶原纤维用量在60时，纸张的力学性能就急剧下降：抗张指数、撕裂指数分 别比50时下降38和4l。同时，纸张的耐破度呈下降趋势，在胶原纤维用量小于50 之前，耐破指数缓慢下降，当胶原纤维用量超过50后，纸页耐破指数下降趋势变得十分明 显，下降幅度也

10、急剧增加。分析这种变化的原因：胶原纤维本身强度远高于植物纤维，部分 取而代之，有利于抄片强度的提高。同时，分散好的胶原纤维细长，与植物纤维可以互相绕缠、交织，纤维间可产生大量的氢键、离子键、范德华力、静电吸引等作用【61，纤维之间的结合力大为增加，这是纸张强度提高的主要原因。在胶原纤维用量不断增加时，纸张强度下 降较大，说明尽管胶原纤维与植物纤维之间产生了相互作用，但由于胶原纤维相对植物纤维 比较细小，其与植物纤维间结合强度有限，另外，在磨浆过程中有部分胶原纤维分散不均匀， 成束状，当胶原纤维含量达到一定量(>50)时，纸页中细小组分含量超过长纤维含量， 结合力自然下降，从而导致纸页强度

11、急剧下降。由前面的分析可以知道，纤维平均长度对耐 破度的影响较大，由于胶原纤维比较细小，随着其含量的增加，纸页中细小纤维含量的比例 也在增加，这导致了耐破指数随着胶原纤维用量的增加而呈现下降趋势，当胶原纤维含量较 少时，由于胶原纤维和植物纤维之间结合力的作用，耐破度下降不明显，但是当纸页中胶原 纤维含量达到一定程度后，纤维平均长度减小所带来纤维间交织力的损失超过了胶原纤维和 植物纤维的结合力的作用，酎破指数就开始大幅度的下降了。全国特种纸技术交流会暨特种纸委员会第六届年会论文集总的来说，该吸音纸在胶原纤维含量为50以内时，纸张的抗张、撕裂指数和耐破指数 分别在463 N·m·

12、;g-l、156 mN·m。·g-1和247 kPa·111'·g·l以上。从充分利用胶原纤维资源来 考虑，机械胶原纤维用量可以达到50。212化学机械打浆胶原纤维25锄80毒20妻60喜15蠢40籁靼 10鎏20秣 5蠢辐000lO扣3040 50胶原绵耀()010 胶隳稚黼()2030410图图4化学机械打浆胶原纤维对纸页抗张指数的影响图5化学机械打浆胶原纤维对纸页撕裂指数的影响勃-罟罡籁 避 甾 盔0lO203040 50胶原纤维用量()图6化学机械打浆胶原纤维对纸页耐破指数的影响将化学机械打浆胶原纤维与针叶木浆按不同比例混合抄片

13、，测试纸张的基本物理性能指 标(见图4，图5和图6)，化学机械打浆胶原纤维的性质发生了变化，表现在纸张的强度 性能得到了提高。由图4可知，纸张的抗张指数随着胶原纤维的用量增加缓慢上升，达到一定用量(20) 后开始缓慢下降，胶原纤维用量达到40下降趋势变得明显。当胶原纤维用含量到20时， 纸页抗张指数达到最大值，比空白纸样提高了23，尽管胶原纤维含量高于20后纸页抗 张指数开始下降，但是当胶原纤维含量在40时，纸页抗张指数仍比空白样提高了1446 之多。原因是：废革屑在经过化学处理后，其中的胶原纤维由于氧化镁的作用，脱除部分三 价铬，使胶原纤维更多的COOH、-NH2、OH等基团暴露出来，与植物

14、纤维发生氢键等化 学键作用，从而提高纸页强度。化学机械打浆胶原纤维变得短小，随着用量的增加，纸页中 细小纤维含量增多，会导致纸页强度下降，但是由于化学处理后胶原纤维与植物纤维作用力 增加，这使纤维变短带来的损失不是十分明显，表现在抗张指数上的变化就是下降缓慢，当 细小纤维含量过量时就会使其强度急剧下降，当用量超过40后，纸页抗张指数明显下降。 由图5可知，随着胶原纤维用量的增加，撕裂指数开始增加，当用量到达10时，达到 最大值，然后呈下降趋势。这是因为，化学机械打浆胶原纤维相对与植物纤维来说是细小纤47全国特种纸技术交流会暨特种纸委员会第六届年会论文集维，其的存在降低了纸页的孔隙率，提高了纸页

15、的紧度，随着其用量的增加，从而导致纸页 撕裂度的下降。但是在用量小于10时，由于胶原纤维与植物纤维之间作用力的存在，使纸 页强度增加，这种作用没有表现出来，反而是纸页的撕裂度有所增加，但是随着其用量的增 加，对纸页撕裂指数带来的影响就明显表现出来了。胶原纤维用量在40以内时，纸页的撕 裂指数在124mN·m2g-1以上，是可以接受的。由图6可知，耐破指数的变化和抗张指数变化趋势比较相似，先是缓慢上升，然后下降， 当胶原纤维含量达到10时，纸页耐破指数比空白样提高了15，随着胶原纤维用量超过 10，纸页的耐破指数开始缓慢下降。纤维长度对耐破度的影响比较大，由于化学处理后， 胶原纤维与植

16、物纤维间结合力增加，弥补了纸页中细小纤维含量增加对耐破指数带来的损 失，在胶原纤维用量较小时，耐破度没有下降反而上升。213机械和化学机械打浆胶原纤维与植物纤维配抄吸音纸基本性能比较 化学机械打浆胶原纤维相对于机械打浆胶原纤维对纸页的增强作用比较明显。尤其表现在抗张指数上，胶原纤维用量在0-40范围内化学机械打浆胶原纤维对纸页都有增强作用， 而机械打浆胶原纤维在0-10范围内有增强作用。同时，随着胶原纤维含量的增加，机械 打浆胶原纤维纸页抗张指数下降趋势比较明显，这可能是因为，机械打浆胶原纤维有少许未 充分分散，随着其用量增加，带来的负面效应表现比较明显。从撕裂指数的变化趋势可以看 出，化学机

17、械打浆胶原纤维纸页的损失较高，这主要是因为经过化学处理机械打浆后，胶原 纤维变得比机械打浆胶原纤维要短，因此随着其含量的增加，撕裂指数下降比较明显。而耐 破度的变化，由于化学机械打浆胶原纤维对纸页的增强作用，使其耐破指数在胶原纤维含量 较少时，有增加作用，而机械打浆胶原纤维纸页耐破指数呈下降趋势。由此可知，化学机械打浆胶原纤维在一定程度上对纸页的增强作用较机械打浆胶原纤维 要好些，但总体上，二者对纸页物理性能的影响还是比较相似的。22吸音纸的抄造性能由图7可知，无论是机械打浆和化学机械打浆胶原纤维，随着其用量的增加，滤水时间 变长。同时可以看出，在相同胶原纤维用量下，化学机械打浆胶原纤维纸页的

18、成型时间要比 机械打浆的时间要长，而且在试验过程中还有粘网的现象。胶原纤维含有大量极性基团，保 水值大，随着胶原纤维用量的增大，纸张滤水性能下降，同时胶原纤维粘性大，预处理过程 中胶原纤维间质及少量脂肪细胞可能未除尽，也是导致其滤水性能下降、粘网的原因之一。 化学机械打浆胶原纤维由于氧化镁的作用，使得其纤维比机械打浆胶原纤维细小，还有部分 粘性胶原蛋白存在，填充了植物纤维之间的空隙，使得纸页的滤水性能下降。机械打浆胶原纤维含量在50时，纸页成形时间在40s左右，而化学机械打浆胶原纤维含量在300时，成型时间已经超过40s，这也充分说明化学机械打浆胶原纤维较机械打浆胶原纤维难以成型， 因此从抄造

19、性能方面考虑其用量应小于机械打浆胶原纤维用量，应控制在400以内为宜，机全国特种纸技术交流会暨特种纸委员会第六届年会论文集械打浆胶原纤维用量控制在50以内，同时在抄造过程中应添加适量的助留助滤剂，增加浆 料的滤水性能。啪100rg_80囊笔20OO10羽4050 60晌隳稚朗疆惕图7胶原纤维对纸页成型时间的影响23吸音纸的吸音性能231机械打浆胶原纤维 将机械打浆胶原纤维按照不同的用量与植物纤维复合抄造，测试纸样的吸音系数如图8所示。o 9o 8o 76543o静栅o 2o l0AQ9 Q，QpQ9 qQ'qp Q，、9、9飞，k声波频率(kl-lz) 图8机械打浆胶原纤维对纸页吸音性

20、能的影响从图8可知，空白纸页也具有一定的吸音性能，其对某些频率声波也具有一定的吸音能力，但是从整个吸音系数曲线来看两个相邻频率的吸音系数相差较大，吸音频段比较窄，试 验范围内的平均吸音系数为：O21，整体吸音性能较羞。添加机械打浆胶原纤维后，纸页的 吸音性能明显的增加，随着用量的增加，纸页的吸音系数呈有规律的增加趋势，这也验证了 胶原纤维具有吸音性能这一特点。同时，随着用量的增加，纸页在中高频的吸音系数增加比 较缓慢，可能是因为，细小胶原纤维含量过多，这样一方面会增加声音传播路径，消耗声能。 同时也可能带来的负面效应是堵塞纸张结构中的孔隙，使声波反射出去的。20，30，40胶原纤维纸页的平均吸

21、音系数分别为：O46、05l、056，分别比空白纸页分别提高了119、143、167。因此为了提高吸音纸的吸音性能，可以通过增加胶原纤维的用量来实现。49全国特种纸技术交流会暨特种纸委员会第六届年会论文集但是，当其用量达到一定程度(50)以后，纸张的物理强度和抄造性能下降较大，综合考虑机械打浆胶原纤维用量在20"-'50之间较为适宜。 232化学机械打浆胶原纤维将化学机械打浆胶原纤维与植物纤维按照不同的配比复合抄纸，测试试样的吸音系数，如图9所示。o oo羚籼岛oo oQQ9 q'Q妒Q9 QQ'Q9 Q，9、p'k声波频率(kHz)图9化学机械打浆胶

22、原纤维对纸页吸音系数的影响由图9可知，添加了化学机械打浆胶原纤维的纸页的吸音性能明显提高，随着其用量的 增加，纸页的吸音系数有规律的变化着。相对于空白纸样，添加了化学机械打浆胶原纤维纸 样在低频和高频有着很好的吸音性能。这是因为，胶原纤维在化学试剂和机械外力的作用下， 变得更加细小，同时降解产生的胶原蛋白和胶原纤维以及植物纤维混合形成一种膜状结构， 胶原纤维和纸页在较低的声波频率下，就容易发生轻微的振动，而消耗部分声能，表现在数 据上就是具有较高的低频吸音系数。和机械打浆胶原纤维纸样在中高频吸音道理一样，纸页 在中高频的吸音系数增加比较缓慢。20、30、40胶原纤维用量纸页的平均吸音系数分 别

23、为：056、062和067，分别比空白纸样(O21)分别提高了167，195和219，可见 添加胶原纤维纸样吸音性能提高很多。于是，通过改变胶原纤维的用量来生产具有不同吸音 性能的材料，以用于不同的场合。综合考虑，化学机械打浆胶原纤维的用量在20oO之 间比较适宜，纸页有较高的吸音系数。比较图8和图9可知添加化学机械打浆胶原纤维纸样的吸音性能较机械打浆的要好，尤 其在012o32kHz和08-,4kHz范围内。亦即化学机械打浆胶原纤维低高频吸音性能较机械 打浆吸音性能要好。分析其原因可能是，化学机械打浆的胶原纤维较机械打浆的要短小，使 其在纸页中分布更加均匀，更容易填充在植物纤维之间，增加声音在纸张内部的通道，更容 易发生多孔吸音，因此其高频吸音系数较机械打浆的要高。另外，化学处理可能使部分胶原 纤维的性质发生了改变，而改变了其特性阻抗，而使其本