细菌纤维素改善纸质振膜性能的研究

刘 忠 龚 关

(天津科技大学,天津市制浆造纸重点实验室,天津,300457)

细菌纤维素改善纸质振膜性能的研究

刘 忠 龚 关

(天津科技大学,天津市制浆造纸重点实验室,天津,300457)

研究了细菌纤维素作为纸张添加剂对纸质振膜性能的影响。结果表明,细菌纤维素的添加量为 8%时,不仅纸质振膜的抗张指数和静态弹性模量提高最多,动态弹性模量和动态比弹性率也较空白样有明显改善,分别提高 38.8%和 33.8%。

细菌纤维素;纸质振膜;弹性模量

随着多媒体时代的发展,人们对扬声器放音品质提出了更高的要求。完全采用植物纤维原料抄造的纸盆已不能适应这种听觉上的高要求,生产原料的复合化趋势已不可避免[1]。细菌纤维素 (简称 BC)是一种新型生物纳米原料,因其独特的性质,如高结晶度、高纯度、高抗张强度、高弹性模量等,已被广泛应用于食品、医学材料、造纸等领域[2]。本实验通过将细菌纤维素添加到纸浆中,来研究细菌纤维素对纸质振膜性能的影响。

1 实 验

1.1 原料

实验原料为针叶木漂白硫酸盐浆、细菌纤维素(自制)和碳纤维。

1.2 实验方法

培养细菌纤维素所用菌种为木醋杆菌,取自天津市工业微生物重点实验室。

细菌纤维素的培养过程:取一环木醋杆菌斜面种子接种到种子培养基中,在恒温 30℃、摇床转速为150 r/min的条件下培养 24 h,将种子以 6%接入量接入发酵培养基,30℃的条件下培养数天,然后将生成的细菌纤维素湿膜先用自来水冲洗,接着用 0.1 mol/L的 NaOH溶液煮沸 30 min,然后用自来水冲洗膜至中性,此时细菌纤维素湿膜呈乳白色半透明状。

细菌纤维素湿膜的处理:将细菌纤维素湿膜撕成小块,然后与水按一定比例混合,在标准疏解器中疏解 60000转后备用。

抄纸:针叶木漂白硫酸盐浆用瓦利打浆机打浆处理至 20°SR,然后与一定比例的细菌纤维素或碳纤维混合抄片,定量为 100 g/m2。

性能测定:将抄造好的纸张恒温恒湿 (温度23℃,湿度 50%)4 h以上,纸张各项性能均按国家标准进行测定。静态弹性模量采用L&W抗张强度仪测定。动态弹性模量和损耗因子采用德国 KIPPLE声学测试系统进行测定。细菌纤维素湿膜的压榨和干燥过程及干膜性能的测定均同纸张。

2 结果与讨论

2.1 细菌纤维素膜的性质

表1是不同培养时间下细菌纤维素膜的性质。从表1可知,培养初期细菌纤维素的产量提高很明显,但是随着培养时间的延长,细菌纤维素的产出速率减慢,在第 8天时趋于停止。这是由于在发酵初期,培养基中营养物充足且 pH值很适合木醋杆菌生长,木醋杆菌快速生长并产生细菌纤维素,但是随着时间的延长,培养基中细菌数量的增加及营养物质逐渐被消耗掉,并且木醋杆菌的生长过程中会不断产生酸性代谢物,使得培养基的 pH值持续降低从而影响木醋杆菌的生长[3],因此木醋杆菌产生细菌纤维素的速率减慢。

在细菌纤维素膜定量增加的同时,其紧度也呈上升趋势。正是因为紧度的上升,细菌纤维素膜纤维之间结合更紧密,从而导致细菌纤维素膜力学性能的增强。从表1可以明显看出,随着培养时间的延长,细菌纤维素膜的静态力学性能如抗张指数、耐破指数、静态弹性模量均在增大。

抗张指数、耐破指数等静态力学性能能在一定程度上反应了扬声器振膜性能的好坏,但最能直接反应振膜性能优劣的指标是材料的动态弹性模量和损耗因子。完美的振膜需要较高的动态弹性模量和适宜的损耗因子,但是密度太高会影响振膜的灵敏度,因此动态比弹性率更能客观反映振膜性能的好坏。从表1中同样可以发现,动态弹性模量和动态比弹性率也随着培养时间的延长而增大,而损耗因子则相反。总之,延长培养时间有助于细菌纤维素膜性能的提高。

细菌纤维素膜具有非常致密的网络结构,见图1。从图1可以看出,与纸张相比,细菌纤维素膜由超微细纤维组成超微纤维网,其纤维网络结构比植物纤维交织的网络结构致密许多。

图1 细菌纤维素膜 (左)和纸张 (右)的电镜扫描图

2.2 细菌纤维素对纸质振膜性能的影响

2.2.1 细菌纤维素对静态力学性能的影响

根据前面的研究结果,本实验选用培养时间为 8天的细菌纤维素,疏解后按一定比例加入到纸浆中,细菌纤维素湿膜疏解后的纤维形态见表2。

表2 细菌纤维素湿膜疏解后的纤维形态

为了作对比,选用了碳纤维 (简称 CF)这种常见的纸质振膜添加材料。图2是细菌纤维素纤维和碳纤维的添加量对纸质振膜静态力学性能的影响。分别添加细菌纤维素纤维和碳纤维后,纸张的紧度发生了不同的变化,见图2(a)。添加细菌纤维素后,纸张的紧度增大,而添加了碳纤维后,紧度减小。这是因为细菌纤维素纤维短且细,加入到纸浆中填补了植物纤维结合产生的空隙,从而提高了纤维间的结合力,使纸张结构之间的组织变得紧密。而碳纤维和植物纤维结合能力差导致了纸张紧度降低[4]。

细菌纤维素纤维和碳纤维的加入,在一定范围内提高了纸张的抗张指数和静态弹性模量,但是对耐破指数产生了不利影响,见图2(b)～图2(d)。细菌纤维素纤维是由纯纤维素组成,不含木素和半纤维素,因而含有更多游离羟基可以和纸浆纤维结合,从而提高纸张的抗张指数和静态弹性模量,但是由于细菌纤维素纤维的长度较短,添加到纸浆中降低了其纤维平均长度,从而使耐破指数降低。而碳纤维是一种自身强度就很大的非植物纤维,所以随着添加量的增多,纸张的抗张指数和静态弹性模量会增大,但是碳纤维与纸浆纤维的结合力差,若添加量太大,碳纤维就破坏了纤维与纤维之间的结合力从而导致抗张指数和静态弹性模量降低[5]。

表1 不同培养时间下细菌纤维素膜的性质

2.2.2 细菌纤维素对动态力学性能的影响

细菌纤维素纤维和碳纤维对纸质振膜动态力学性能的影响见图3。

从图3可以看出,纸浆中添加细菌纤维素纤维和碳纤维均能提高纸张的动态弹性模量,并且随着用量的增加先增加后降低,而纸张的损耗因子随细菌纤维素和碳纤维用量的增加先降低后上升。细菌纤维素和碳纤维本身属于高弹性模量的材料[6],添加到纸浆中能增强纸张的弹性模量。当细菌纤维素添加量为8%时,动态弹性模量和动态比弹性率均达到最大值,较空白样分别提高 38.8%和 33.8%。并且与添加碳纤维相比,添加细菌纤维素更能提高纸张的动态弹性模量和动态比弹性率等声学特性。

3 结 论

细菌纤维素的纤维网络结构非常致密,因而其膜具有高强度、高弹性模量等优秀特性。不仅如此,细菌纤维素湿膜经过疏解后,可以作为纸张添加剂改善纸质振膜的抗张强度和静态弹性模量,且在细菌纤维素纤维添加量为 8%时增强效果最好。同时,纸质振膜的动态弹性模量和动态比弹性率也较空白样分别提高 38.8%和 33.8%,大大改善了纸质振膜的声学特性,从而拓宽了细菌纤维素的应用范围。

[1] 杜剑荣.浅谈改善振膜音质的机理 [J].电声技术,2006(9):21.

[2] Iguchi M,Yamanaka S,Budhiono A.Bacterial cellulose-a masterpiece of nature's arts[J].Journal of Materials Science,2000,35(2):261.

[3] 谭玉静.细菌纤维素的发酵生产及其物理化学性质初探[D].上海:东华大学,2006.

[4] 修慧娟,王志杰,李金宝.细菌纤维素纤维对纸张性能的影响[J].中国造纸,2005,24(3):14.

[5] 李 飞,贾原媛,汤卫华,等.新型纳米生物材料细菌纤维素的研究现状与前景[J].中国造纸,2009,28(3):56.

[6] 王以真.实用扬声器工艺手册[M].北京:国防工业出版社,2006.

Study on the Properties of Paper D iaphragm I mproved by Bacterial Cellulose

L IU Zhong＊GONG Guan
(Tianjin Key Lab of Pulp and Paper,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin,300457)

Effect of bacterial cellulose on the properties of paper diaphragm which is used for loudspeakerwas studied.Itwas found that tensile index and static elasticmodulusof the paper diaphragm were improved greatlywhen 8%bacterial cellulosewas added.Besides,dynamic elastic modulus and specific dynamic elasticity rate were improved by 38.8%and 33.8%respectively.

bacterial cellulose;paper diaphragm;elastic modulus

TS762

A

0254-508X(2010)12-0031-03

刘 忠先生,教授;主要研究方向:特种功能纸,木质资源转化高附加值产物的研究及加工利用。

(＊E-mail:mglz@tust.edu.cn)

2010-08-06(修改稿)

(责任编辑:马 忻)