粉煤灰-煤矸石纖維增強(qiáng)劑的合成及增強(qiáng)纖維對(duì)紙張性能的影響.pdf

1、粉煤灰/煤矸石纖維是燃煤廢棄物粉煤灰和采煤過(guò)程中排放的固體廢棄物煤矸石經(jīng)高溫熔化、噴絲，冷卻等工序所制成得一種無(wú)機(jī)纖維。該纖維具有良好的無(wú)機(jī)纖維特性，目前在防火保溫材料中得到了廣泛的應(yīng)用；因其與植物纖維有相似之處，可將其應(yīng)用于造紙工業(yè)中，但由于粉煤灰/煤矸石纖維所具有的剛性強(qiáng)、脆性大等缺點(diǎn)，使得生產(chǎn)出來(lái)的紙張性能有所降低。本課題基于上述問(wèn)題，研究了一種增強(qiáng)劑，包覆于粉煤灰/煤矸石纖維表面，增強(qiáng)纖維的韌性和彈性，使其在與植物纖維進(jìn)行配抄所

2、生產(chǎn)的紙張的相關(guān)性能有所提高。本論文主要研究工作有以下幾個(gè)方面：
　?。?）單因素變量法探索粉煤灰/煤矸石纖維增強(qiáng)劑的合成工藝
　　以淀粉作為主要原料，硫酸亞鐵(FeSO4）為催化劑，雙氧水(H2O2）、亞硫酸氫鈉(NaHSO3）為引發(fā)劑，苯乙烯(St）、丙烯酸丁脂(BA）等為單體，通過(guò)乳液聚合的方法合成一種粉煤灰/煤矸石纖維增強(qiáng)劑，對(duì)粉煤灰/煤矸石纖維表面進(jìn)行增強(qiáng)改性，改變其剛性強(qiáng)、脆性大、易斷裂的缺點(diǎn)。以增強(qiáng)后粉煤灰/煤

3、矸石纖維的研磨過(guò)篩率為考察指標(biāo)，采用單因素變量法，研究了淀粉、FeSO4、H2O2、引發(fā)劑配比、單體配比用量對(duì)增強(qiáng)劑性能的影響。得出合成粉煤灰/煤矸石纖維增強(qiáng)劑較優(yōu)工藝為：淀粉為10.0 g， FeSO4為0.02 g，氧化降解 H2O2為2.5 g，引發(fā)劑 H2O2/NaHSO3質(zhì)量比為5:1，單體 St/BA質(zhì)量比為13:7；通過(guò)紅外光譜(FT-IR）、乳液粒徑等分析方法對(duì)較優(yōu)條件下合成的增強(qiáng)劑進(jìn)行表征。結(jié)果表明：St、BA等已接枝

4、共聚到淀粉分子上，粉煤灰/煤矸石纖維增強(qiáng)劑成功合成；增強(qiáng)劑乳液分散性指數(shù)（PDI）為0.163，平均粒徑（Z-Average）為70.30 r.nm。將增強(qiáng)劑應(yīng)用于粉煤灰/煤矸石纖維增強(qiáng)工藝中，通過(guò)環(huán)境掃描電鏡、纖維過(guò)篩法、紙張物理性能等分析方法對(duì)增強(qiáng)后的纖維進(jìn)行評(píng)估。研究結(jié)果表明，纖維表面包覆一層增強(qiáng)劑；增強(qiáng)后粉煤灰/煤矸石纖維過(guò)篩率低于未增強(qiáng)粉煤灰/煤矸石纖維；在增強(qiáng)粉煤灰/煤矸石纖維添加量為30％的前提下的配抄紙，與純植物纖維所抄

5、紙張的物理性能相比較，紙張各項(xiàng)性能有所提高。
　?。?）響應(yīng)曲面法優(yōu)化粉煤灰/煤矸石纖維增強(qiáng)劑的制備工藝
　　在前期單因素探索的基礎(chǔ)上，我們發(fā)現(xiàn)引發(fā)劑 H2O2、St、FeSO4的用量對(duì)增強(qiáng)劑性能影響較大，因此采用響應(yīng)曲面法對(duì)粉煤灰/煤矸石纖維增強(qiáng)劑合成工藝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。以增強(qiáng)后纖維的研磨過(guò)篩率為考察指標(biāo)，分析了引發(fā)劑 H2O2、St、FeSO4的用量對(duì)增強(qiáng)劑性能的影響。研究結(jié)果表明，合成最佳用量：FeSO4為0.016

6、g，引發(fā)劑 H2O2為2.61 g， St為15.09 g；優(yōu)化后增強(qiáng)粉煤灰/煤矸石纖維過(guò)篩率的預(yù)測(cè)值為25.22%。采用最佳優(yōu)化工藝條件下合成的增強(qiáng)劑對(duì)粉煤灰/煤矸石纖維進(jìn)行增強(qiáng)改性，增強(qiáng)后粉煤灰/煤矸石纖維過(guò)篩率為25.57%，誤差較小，與預(yù)期值25.22%基本吻合。所以，該響應(yīng)面法所建立的模型可行，最佳優(yōu)化工藝可靠。通過(guò) FT-IR、乳液粒徑等分析方法對(duì)最優(yōu)條件下合成的增強(qiáng)劑進(jìn)行表征。結(jié)果表明：粉煤灰/煤矸石纖維增強(qiáng)劑乳液被成功合

7、成；增強(qiáng)劑乳液 PDI及 Z-Average均小于單因素法所得的粒徑數(shù)據(jù)，說(shuō)明響應(yīng)面優(yōu)化工藝所得的增強(qiáng)劑優(yōu)于單因素法。將增強(qiáng)劑應(yīng)用于粉煤灰/煤矸石纖維增強(qiáng)工藝中，通過(guò)環(huán)境掃描電鏡、纖維過(guò)篩法、紙張物理性能等分析方法對(duì)增強(qiáng)后的纖維進(jìn)行評(píng)估。研究結(jié)果表明：采用響應(yīng)曲面優(yōu)化工藝所增強(qiáng)的粉煤灰/煤矸石纖維，經(jīng)研磨過(guò)篩，過(guò)篩率小于單因素法所增強(qiáng)的粉煤灰/煤矸石纖維；在增強(qiáng)粉煤灰/煤矸石纖維添加量為30%的前提下進(jìn)行配抄紙實(shí)驗(yàn)，紙張的各項(xiàng)物理性能不

8、僅優(yōu)于純植物纖維紙張的相關(guān)性能，而且相較于單因素法所配抄的紙張，相關(guān)物理性能更有所提高，進(jìn)一步說(shuō)明響應(yīng)曲面的優(yōu)化工藝較為成功。
　　（3）粉煤灰/煤矸石纖維增強(qiáng)工藝的研究及增強(qiáng)纖維對(duì)紙張性能的影響
　　將最優(yōu)工藝條件下合成的增強(qiáng)劑用于粉煤灰/煤矸石纖維的增強(qiáng)工藝中，以增強(qiáng)后纖維的過(guò)篩率以及配抄紙張的物理性能為指標(biāo)，探索了增強(qiáng)劑用量、增強(qiáng)溫度、增強(qiáng)時(shí)間對(duì)增強(qiáng)效果的影響。結(jié)果表明，最佳增強(qiáng)條件：增強(qiáng)劑的濃度為2%，增強(qiáng)溫度為65