對竹渣進行物相結構分析，結果如圖1所示。結晶區(qū)衍射峰的特點是峰值高且尖銳、對稱度高、半高寬窄；非結晶區(qū)衍射峰的特點是衍射強度低，峰形寬為漫散狀態(tài)[14]。竹渣填料的化學組分不單一，其含有的木素和多糖等會使相對結晶度降低。從圖1可以看出，圖中出現半高寬很窄、衍射強度很強的衍射峰，這是因為竹渣混有某種結晶度較高的物質；在衍射角為16°（101面）和22°（002面）附近出現衍射峰，二者均是纖維素Ⅰ的特征結晶峰，說明竹渣中的纖維素是纖維素Ⅰ型結構[15]。
Fig. 1 XRD curve of bamboo residues
對竹渣中所含官能團進行分析，結果如圖2所示。從圖2可以看出，竹渣在3557 cm-1處左右有1個明顯的吸收峰，在3282 cm-1處左右有1個較為明顯的吸收峰，這2處均為羥基（—OH）的伸縮振動峰；在2890 cm-1處左右處有吸收峰，這是甲基（—CH3）和亞甲基（—CH2）中C—H的伸縮振動峰[16]；在低頻率區(qū)1672 cm-1和1446 cm-1附近處是苯環(huán)中C=C的伸縮振動峰[17]；1254 cm-1附近處的吸收峰可能是O—H的面內彎曲振動產生的；在1014 cm-1附近處的峰可歸屬于伯醇中C—O的伸縮振動峰。
Fig. 2 FT-IR spectrum of bamboo residues
在抄紙過程中需對濕紙幅進行高溫干燥，因此竹渣需要具有一定的熱穩(wěn)定性，其熱穩(wěn)定性TG和DTG曲線如圖3所示。通過圖3可看出，竹渣在濕紙幅干燥過程中并不會出現熱解。當溫度低于240℃時，竹渣質量未出現明顯變化，此時質量的下降是竹渣內部水分的蒸發(fā)；當溫度處于240~350℃竹渣質量迅速下降，竹渣發(fā)生劇烈熱解；當溫度高于350℃竹渣質量變化平緩，此時熱解后的竹渣繼續(xù)緩慢分解，最終變成灰分；整個過程中竹渣質量損失為71.8%；從DTG曲線中可看出，質量損失速率的峰值出現在344℃。
Fig. 3 TG and DTG curves of ground bamboo residues
圖4為自制OCC紙漿纖維形態(tài)。圖5為自制OCC紙漿纖維長度和寬度。圖6為自制OCC紙漿纖維長寬分布。由圖4~圖6可看出，OCC紙漿纖維長短不一，且含有雜質。通過纖維質量分析儀對紙漿纖維進行分析發(fā)現，纖維長度在0.2~1.4 mm的占87.2%，寬度在0~40 μm的占88.3%。通過對纖維長寬分布進行測定發(fā)現，寬度5~30 μm、長度0.2~0.9 mm的紙漿纖維占所測纖維的89.6%；紙漿纖維的平均寬度為23.5 μm，平均長度為0.818 mm。
Fig. 4 Fiber morphology of self-made OCC pulp
Fig. 5 Fiber length and width distribution of self-made OCC pulp
Fig. 6 Fiber length and width distribution of self-made OCC pulp
抄制竹渣加填紙并對紙張的環(huán)壓指數、抗張指數和緊度進行測定，結果如表1~表4所示。
表1 未過60目竹渣加填對紙張環(huán)壓指數和抗張指數的影響
Table 1 Effect of less 60 mesh bamboo residue filling on ring crush index and tensile index of paper
| 竹渣添加量/% | 定量/g·m-2 | 緊度/g·m-3 | 抗張指數/N·m·g-1 | 環(huán)壓指數/N·m·g-1 |
|---|
| 對照組 | 99.5 | 0.38 | 12.1 | 4.2 |
| 5 | 106.8 | 0.32 | 10.9 | 4.5 |
| 10 | 110.2 | 0.29 | 10.5 | 4.4 |
| 15 | 118.5 | 0.29 | 9.8 | 4.2 |
| 20 | 123.7 | 0.27 | 9.0 | 3.6 |
表2 60~100目竹渣加填對紙張環(huán)壓指數和抗張指數的影響
Table 2 Effect of 60~100 mesh bamboo residue filling on ring crush index and tensile index of paper
| 竹渣添加量/% | 定量/g·m-2 | 緊度/g·m-3 | 抗張指數/N·m·g-1 | 環(huán)壓指數/N·m·g-1 |
|---|
| 對照組 | 99.5 | 0.38 | 12.1 | 4.2 |
| 5 | 104.6 | 0.39 | 12.0 | 4.6 |
| 10 | 109.1 | 0.36 | 11.9 | 5.0 |
| 15 | 117.2 | 0.33 | 11.2 | 4.6 |
| 20 | 123.1 | 0.32 | 9.3 | 4.1 |
表3 100~200目竹渣加填對紙張環(huán)壓指數和抗張指數的影響
Table 3 Effect of 100~200 mesh bamboo residue filling on ring crush index and tensile index of paper
| 竹渣添加量/% | 定量/g·m-2 | 緊度/g·m-3 | 抗張指數/N·m·g-1 | 環(huán)壓指數/N·m·g-1 |
|---|
| 對照組 | 99.5 | 0.38 | 12.1 | 4.2 |
| 5 | 103.7 | 0.41 | 12.2 | 4.7 |
| 10 | 108.8 | 0.40 | 12.0 | 5.3 |
| 15 | 116.0 | 0.38 | 11.7 | 4.9 |
| 20 | 122.9 | 0.36 | 10.9 | 4.5 |
表4 200目以上竹渣加填對紙張環(huán)壓指數和抗張指數的影響
Table 4 Effect of over 200 mesh bamboo residue filling on ring crush index and tensile index of paper
| 竹渣添加量/% | 定量/g·m-2 | 緊度/g·m-3 | 抗張指數/N·m·g-1 | 環(huán)壓指數/N·m·g-1 |
|---|
| 對照組 | 99.5 | 0.38 | 12.1 | 4.2 |
| 5 | 102.8 | 0.35 | 12.4 | 5.0 |
| 10 | 108.1 | 0.39 | 12.3 | 5.2 |
| 15 | 115.7 | 0.41 | 12.1 | 5.4 |
| 20 | 121.2 | 0.42 | 11.8 | 5.0 |
表1為未過60目竹渣加填對紙張環(huán)壓指數和抗張指數的影響。未過60目的竹渣加填紙手感粗糙，這是因為竹渣顆粒過大，無法分布在紙張纖維網格中，只能沉積在紙張表面；紙樣會出現明顯的掉渣現象；沉積在表面的竹渣導致紙張厚度增加，從而降低紙張緊度。由表1可知，隨著竹渣添加量的增加，紙張的環(huán)壓指數先增加后減小，峰值出現在添加量5%，較對照組增加了7.1%；紙張的抗張指數隨添加量的增加而持續(xù)下降，較對照組最高下降了25.6%。
表2為60~100目竹渣加填對紙張環(huán)壓指數和抗張指數的影響。相比未過60目的竹渣填料加填紙，60~100目的竹渣填料加填紙的手感明顯改善；同時發(fā)現，較多的竹渣顆粒分布于紙張纖維網絡中，但仍有少量竹渣顆粒沉積在紙張表面，掉渣現象明顯好于第一組；由表2可知，紙張緊度也明顯好于第一組。隨著竹渣添加量的增多，環(huán)壓指數先增加后減小，峰值出現在添加量為10%，較對照組增加了19.0%；紙張的抗張指數持續(xù)下降，較對照組最高下降了23.1%。
表3為100~200目竹渣加填對紙張環(huán)壓指數和抗張指數的影響。100~200目的竹渣加填紙手感與未加填紙基本相同，這是因為竹渣顆粒小，大部分竹渣顆粒分布在纖維網格中，沉積在表面的竹渣顆粒較少；由表3可知，紙張緊度隨添加量的增加先增加后減小，紙張有輕微掉渣現象；隨竹渣添加量的增加，紙張的環(huán)壓指數先增加后減小，峰值出現在添加量10%，較對照組增加了26.2%；紙張的抗張指數有所下降，較對照組最高下降了9.9%。
表4為200目以上竹渣加填對紙張環(huán)壓指數和抗張指數的影響。200目以上的竹渣加填紙，手感較未加填紙更細膩，這是因為竹渣顆粒填充了紙張纖維網格，紙樣未出現掉渣的現象；由于竹渣填料都分布在纖維網格中，因此紙張的緊度有所上升；由表4可知，隨著竹渣添加量的增加，紙張的環(huán)壓指數先增加后減小，峰值出現在添加量為15%，較對照組增加了28.6%；抗張指數隨添加量的增加而減小，當添加量20%，較對照組下降了2.5%。
圖7為竹渣加填對紙張抗張指數和環(huán)壓指數的影響。由圖7可看出，4種竹渣加填紙的抗張指數均隨添加量增加而下降，且低于對照組；隨著竹渣添加量的增加，環(huán)壓指數均先增加后減?。恢裨念w粒尺寸對紙張的物理性能影響較大，在相同添加量下，紙張的抗張指數和環(huán)壓指數均隨竹渣顆粒尺寸的減小而增大；竹渣顆粒尺寸越小，可添加的竹渣越多。通過上述研究發(fā)現，200目以上竹渣加填效果最好，當竹渣添加量為15%，紙張的環(huán)壓指數最高。
圖7 竹渣加填對紙張抗張指數和環(huán)壓指數的影響
Fig. 7 Effect of bamboo residue filling on tensile index and ring crush index of paper
圖8為不同竹渣粒徑尺寸對其填料留著率的影響。從圖8可看出，隨著竹渣添加量的增加，各粒徑尺寸竹渣的填料留著率均下降；當竹渣顆粒尺寸為200目以上時，竹渣添加量15%的填料留著率為61.4%，相較添加量5%的填料留著率下降了2.8%；在添加量相同時，竹渣留著率隨著竹渣尺寸的減小而下降；當竹渣添加量為15%時，200目以上竹渣的填料留著率較未過60目竹渣的填料留著率下降了19.7%；這是因為竹渣的留著以機械截留為主，竹渣尺寸越大，機械截留越容易。
Fig. 8 Effect of different particle size on retention of bamboo residues filler
從紙張強度方面考慮，選擇200目以上竹渣進行后續(xù)研究，控制漿濃為0.5%，采用Zeta電位分析儀對竹渣的電性質進行測定，結果如表5所示。
表5 200目以上竹渣加填漿料Zeta電位變化
Table 5 Change of Zeta potential of slurry filled with bamboo residue over 200 mesh
| 竹渣添加量/% | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 |
|---|
| Zeta電位/mV | -42.0 | -43.3 | -45.7 | -47.7 | -53.1 |
從表5中可看出，隨著竹渣添加量的增加，漿料的Zeta電位絕對值逐漸增大，因此可以判定竹渣具有電負性，不利于漿料絮凝；若要提高竹渣加填紙的紙張性能和竹渣填料的留著率，可選用陽離子助劑。
對200目以上的竹渣顆粒尺寸進行測定，竹渣顆粒平均長度為0.316 mm，平均寬度為29.4 μm。竹渣顆粒的形貌如圖9所示，其中圖9(a)為竹渣顆粒的整體形貌圖，從中可看出竹渣形態(tài)不一，有細長棍狀、短粗棍狀等；圖9(b)是竹渣顆粒的局部形貌圖，從中可看出，竹渣顆粒表面粗糙，這可能會增大竹渣與紙漿纖維間的摩擦力，從而提高紙張的環(huán)壓指數。
Fig. 9 FESEM images of bamboo residue over 200 mesh
收集未加填竹渣紙的抄造白水，將未過濾的白水記為1#，過濾后的白水記為2#；收集竹渣加填紙的抄造白水（竹渣尺寸為0.316 mm×29.4 μm，添加量15%），將未過濾的白水記為3#，過濾后的白水記為4#；將樣品用蒸餾水稀釋10倍后用COD快速檢測儀對樣品CODCr的濃度進行測定，結果如表6所示。
表6 竹渣加填對抄紙白水的變化
Table 6 Changes of bamboo residue filling on papermaking white water
| 編號 | 1# | 2# | 3# | 4# |
|---|
| CODCr/mg·L-1 | 90.3 | 60.2 | 90.3 | 60.2 |
從表6可看出，未過濾時，2組抄造白水的CODCr相同；當過濾白水后，2組抄造白水的CODCr相比未過濾時均下降了33.3%，因此竹渣用作造紙?zhí)盍喜粫黾映彀姿腃OD負荷。
本研究對竹渣的物化性能進行分析，并將竹渣粉碎研磨分成不同顆粒大小，加入OCC紙漿中，抄制加填紙，分析了加填紙的物理強度和加填漿料的濕部性能。
3.1 以OCC紙漿抄造瓦楞原紙過程中，添加竹渣填料會提高紙張的環(huán)壓指數；添加200目以上竹渣填料的紙張效果最好，當添加量為15%時，環(huán)壓指數提升最高，較未加填竹渣紙?zhí)岣吡?8.6%，抗張指數與未加填紙相同。
3.2 在添加量相同時，竹渣填料留著率隨著竹渣尺寸的減小而下降。當添加量為15%時，200目以上竹渣較未過60目竹渣的填料留著率下降了19.7%；隨著竹渣添加量的增加，各粒徑尺寸的竹渣填料留著率均下降。
3.3 竹渣填料適宜工藝參數為：顆粒尺寸0.316 mm×29.4 μm，添加量15%；在此條件下，填料留著率為61.4%，紙張的外觀手感比未加填紙更好，紙張的抗張指數為12.1 N·m/g，紙張的環(huán)壓指數為5.4 N·m/g。
3.4 在適宜工藝參數下，竹渣用作造紙?zhí)盍喜粫黾映彀姿腃OD負荷。
0373-5939925
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