1、全國特種紙技術交流會暨特種紙委員會第六屆年會論文集不同打漿方法下膠原纖維配抄吸音紙的研究羅英張美云劉正偉 (陜西省重點實驗室造紙技術及特種紙研究團隊，陜西科技大學，西安，710021)摘要。將機械打漿膠原纖維和化學機械打漿膠原纖維與植物纖維分別混合抄片制備了吸音 紙，研究了紙張的物理特性、抄造性能和吸音性能。結果表明：吸音紙具有良好的吸音性， 其平均吸音系數在O5以上。機械打漿膠原纖維的用量在20"50之間或者化學機械打漿 膠原纖維的用量在20-'40之間，紙張的物理特性、抄造性能和吸音性能都較好。關鍵詞：膠原纖維；機械打漿；化學機械打漿；吸音紙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我國每年產生皮革固體廢棄物達140多萬噸，含鉻固體廢棄物5

5、0多萬噸|l J。這些固體 物主要成分是膠原纖維，如果不能將這些固體廢棄物進行合理的處理，一方面會嚴重污染環 境。另一方面也會造成膠原纖維蛋白質的大量浪費。膠原纖維具有微彈性和很高的抗張強度， 并且還有許多獨特的性質如高耐磨性、絕熱性、吸音性和柔韌性121等，可以作為一種功能 材料添加到造紙中，開發具有特殊功能的紙張。隨著人民生活水平的提高，社會對吸音材料 的需求量呈迅猛增長之勢，同時也對吸音材料的性能提出了更高更多的要求。吸音材料必須 實現從過去單一吸聲功能向高吸聲性、裝飾性、經濟性和環保性等多功能轉變。目前應用較44全國特種紙技術交流會暨特種紙委員會第六屆年會論文集多的吸音材料有：無機纖維

6、、合成纖維、泡沫以及金屬纖維類材料。這類材料作為吸音材料 有其自身的優勢，但不少材料也存在著對人體有害，不易降解，不易加工成型等缺點【41。紙 張作為一種結構材料，具有質輕、易加工、環保等優點，而將其作為吸音材料的研究目前在 國內外還尚屬空白。本文基于充分利用膠原纖維資源，開發特殊紙張的指導思想下，將機械打漿和化學機械 打漿所得的膠原纖維分別與植物纖維配抄，制備了一種具有吸音性能的吸音紙，對該吸音紙 的基本物理性能、抄造性能及吸音性能進行了分析研究，為廢革屑膠原纖維在造紙中的特殊 應用提供了一定的思路和理論基礎。1實驗11原料 機械打漿膠原纖維，化學機械打漿膠原纖維，植物纖維，助留助率劑CPA

7、M。 12主要儀器DCS041P型PFI磨漿機，BBS-3紙頁成形器，NOSE003標準漿樣疏解機，聲望SW006 駐波管，聲望VS302USB雙通道聲學分析儀。13紙張抄造及性能檢測 將不同處理方法的膠原纖維和植物纖維漿料按不同的比例混合，添加助劑，在紙頁成形器中抄造手抄片，紙張定量為1509m2，CPAM用量002，并按照相關標準檢測其基本物 理性能。14紙張吸音性能檢測參照GBJ88一1985駐波管吸音吸數與聲阻抗率測量規范，測試試樣的駐波管吸音系 數。常用吸音系數來描述吸音材料的吸音能力。通常把平均吸音系數超過02的材料稱為吸 音材料【51。吸音材料在聲波各個頻率的吸音系數各不相同。本

8、實驗測試了從125-。4000Hz范 圍內共16個頻率下材料的吸音系數，基本涵蓋了低中高3個頻段，能夠充分反應材料的吸音性能，并通過計算材料在這16個頻率下的平均吸音系數來反映材料綜合吸音性能。2結果與討論21吸音紙的基本物理性能211機械打漿膠原纖維 將機械打漿膠原纖維與針葉木漿按不同比例混合抄片，測試紙張的基本物理性能指標(見圖l，圖2和圖3)。不同膠原纖維用量對紙頁性能的改善是不相同的。45全國特種紙技術交流會暨特種紙委員會第六屆年會論文集_ 80軸、25孚60-呂20Z鼉15瓤40靶整lo漲20搐藤50蠢0010 20 30 40 50 60O10 20 30 40 50 60膠原纖維

9、用量()膠原纖維用量()圖l機械打漿膠原纖維對紙頁抗張指數的影響圖2機械打漿膠原纖維對紙頁撕裂指數的影響UIU捌3U剛硼flU腳朗繕暇一圖3機械打漿膠原纖維對紙頁耐破指數的影響由圖1、2和3可知，在膠原纖維用量小于10時，紙頁的抗張指數、撕裂指數呈上升 趨勢，隨著膠原纖維用量大于10，紙頁的強度開始下降，在10"50以內，強度下降 比較緩慢，膠原纖維用量在60時，紙張的力學性能就急劇下降：抗張指數、撕裂指數分 別比50時下降38和4l。同時，紙張的耐破度呈下降趨勢，在膠原纖維用量小于50 之前，耐破指數緩慢下降，當膠原纖維用量超過50后，紙頁耐破指數下降趨勢變得十分明 顯，下降幅度也

10、急劇增加。分析這種變化的原因：膠原纖維本身強度遠高于植物纖維，部分 取而代之，有利于抄片強度的提高。同時，分散好的膠原纖維細長，與植物纖維可以互相繞纏、交織，纖維間可產生大量的氫鍵、離子鍵、范德華力、靜電吸引等作用【61，纖維之間的結合力大為增加，這是紙張強度提高的主要原因。在膠原纖維用量不斷增加時，紙張強度下 降較大，說明盡管膠原纖維與植物纖維之間產生了相互作用，但由于膠原纖維相對植物纖維 比較細小，其與植物纖維間結合強度有限，另外，在磨漿過程中有部分膠原纖維分散不均勻， 成束狀，當膠原纖維含量達到一定量(>50)時，紙頁中細小組分含量超過長纖維含量， 結合力自然下降，從而導致紙頁強度

11、急劇下降。由前面的分析可以知道，纖維平均長度對耐 破度的影響較大，由于膠原纖維比較細小，隨著其含量的增加，紙頁中細小纖維含量的比例 也在增加，這導致了耐破指數隨著膠原纖維用量的增加而呈現下降趨勢，當膠原纖維含量較 少時，由于膠原纖維和植物纖維之間結合力的作用，耐破度下降不明顯，但是當紙頁中膠原 纖維含量達到一定程度后，纖維平均長度減小所帶來纖維間交織力的損失超過了膠原纖維和 植物纖維的結合力的作用，酎破指數就開始大幅度的下降了。全國特種紙技術交流會暨特種紙委員會第六屆年會論文集總的來說，該吸音紙在膠原纖維含量為50以內時，紙張的抗張、撕裂指數和耐破指數 分別在463 N·m·

12、;g-l、156 mN·m。·g-1和247 kPa·111'·g·l以上。從充分利用膠原纖維資源來 考慮，機械膠原纖維用量可以達到50。212化學機械打漿膠原纖維25鋤80毒20妻60喜15蠢40籟靼 10鎏20秣 5蠢輻000lO扣3040 50膠原綿耀()010 膠隳稚黼()2030410圖圖4化學機械打漿膠原纖維對紙頁抗張指數的影響圖5化學機械打漿膠原纖維對紙頁撕裂指數的影響勃-罟罡籟 避 甾 盔0lO203040 50膠原纖維用量()圖6化學機械打漿膠原纖維對紙頁耐破指數的影響將化學機械打漿膠原纖維與針葉木漿按不同比例混合抄片

13、，測試紙張的基本物理性能指 標(見圖4，圖5和圖6)，化學機械打漿膠原纖維的性質發生了變化，表現在紙張的強度 性能得到了提高。由圖4可知，紙張的抗張指數隨著膠原纖維的用量增加緩慢上升，達到一定用量(20) 后開始緩慢下降，膠原纖維用量達到40下降趨勢變得明顯。當膠原纖維用含量到20時， 紙頁抗張指數達到最大值，比空白紙樣提高了23，盡管膠原纖維含量高于20后紙頁抗 張指數開始下降，但是當膠原纖維含量在40時，紙頁抗張指數仍比空白樣提高了1446 之多。原因是：廢革屑在經過化學處理后，其中的膠原纖維由于氧化鎂的作用，脫除部分三 價鉻，使膠原纖維更多的COOH、-NH2、OH等基團暴露出來，與植物

14、纖維發生氫鍵等化 學鍵作用，從而提高紙頁強度。化學機械打漿膠原纖維變得短小，隨著用量的增加，紙頁中 細小纖維含量增多，會導致紙頁強度下降，但是由于化學處理后膠原纖維與植物纖維作用力 增加，這使纖維變短帶來的損失不是十分明顯，表現在抗張指數上的變化就是下降緩慢，當 細小纖維含量過量時就會使其強度急劇下降，當用量超過40后，紙頁抗張指數明顯下降。 由圖5可知，隨著膠原纖維用量的增加，撕裂指數開始增加，當用量到達10時，達到 最大值，然后呈下降趨勢。這是因為，化學機械打漿膠原纖維相對與植物纖維來說是細小纖47全國特種紙技術交流會暨特種紙委員會第六屆年會論文集維，其的存在降低了紙頁的孔隙率，提高了紙頁

15、的緊度，隨著其用量的增加，從而導致紙頁 撕裂度的下降。但是在用量小于10時，由于膠原纖維與植物纖維之間作用力的存在，使紙 頁強度增加，這種作用沒有表現出來，反而是紙頁的撕裂度有所增加，但是隨著其用量的增 加，對紙頁撕裂指數帶來的影響就明顯表現出來了。膠原纖維用量在40以內時，紙頁的撕 裂指數在124mN·m2g-1以上，是可以接受的。由圖6可知，耐破指數的變化和抗張指數變化趨勢比較相似，先是緩慢上升，然后下降， 當膠原纖維含量達到10時，紙頁耐破指數比空白樣提高了15，隨著膠原纖維用量超過 10，紙頁的耐破指數開始緩慢下降。纖維長度對耐破度的影響比較大，由于化學處理后， 膠原纖維與植

16、物纖維間結合力增加，彌補了紙頁中細小纖維含量增加對耐破指數帶來的損 失，在膠原纖維用量較小時，耐破度沒有下降反而上升。213機械和化學機械打漿膠原纖維與植物纖維配抄吸音紙基本性能比較 化學機械打漿膠原纖維相對于機械打漿膠原纖維對紙頁的增強作用比較明顯。尤其表現在抗張指數上，膠原纖維用量在0-40范圍內化學機械打漿膠原纖維對紙頁都有增強作用， 而機械打漿膠原纖維在0-10范圍內有增強作用。同時，隨著膠原纖維含量的增加，機械 打漿膠原纖維紙頁抗張指數下降趨勢比較明顯，這可能是因為，機械打漿膠原纖維有少許未 充分分散，隨著其用量增加，帶來的負面效應表現比較明顯。從撕裂指數的變化趨勢可以看 出，化學機

17、械打漿膠原纖維紙頁的損失較高，這主要是因為經過化學處理機械打漿后，膠原 纖維變得比機械打漿膠原纖維要短，因此隨著其含量的增加，撕裂指數下降比較明顯。而耐 破度的變化，由于化學機械打漿膠原纖維對紙頁的增強作用，使其耐破指數在膠原纖維含量 較少時，有增加作用，而機械打漿膠原纖維紙頁耐破指數呈下降趨勢。由此可知，化學機械打漿膠原纖維在一定程度上對紙頁的增強作用較機械打漿膠原纖維 要好些，但總體上，二者對紙頁物理性能的影響還是比較相似的。22吸音紙的抄造性能由圖7可知，無論是機械打漿和化學機械打漿膠原纖維，隨著其用量的增加，濾水時間 變長。同時可以看出，在相同膠原纖維用量下，化學機械打漿膠原纖維紙頁的

18、成型時間要比 機械打漿的時間要長，而且在試驗過程中還有粘網的現象。膠原纖維含有大量極性基團，保 水值大，隨著膠原纖維用量的增大，紙張濾水性能下降，同時膠原纖維粘性大，預處理過程 中膠原纖維間質及少量脂肪細胞可能未除盡，也是導致其濾水性能下降、粘網的原因之一。 化學機械打漿膠原纖維由于氧化鎂的作用，使得其纖維比機械打漿膠原纖維細小，還有部分 粘性膠原蛋白存在，填充了植物纖維之間的空隙，使得紙頁的濾水性能下降。機械打漿膠原纖維含量在50時，紙頁成形時間在40s左右，而化學機械打漿膠原纖維含量在300時，成型時間已經超過40s，這也充分說明化學機械打漿膠原纖維較機械打漿膠原纖維難以成型， 因此從抄造

19、性能方面考慮其用量應小于機械打漿膠原纖維用量，應控制在400以內為宜，機全國特種紙技術交流會暨特種紙委員會第六屆年會論文集械打漿膠原纖維用量控制在50以內，同時在抄造過程中應添加適量的助留助濾劑，增加漿 料的濾水性能。啪100rg_80囊筆20OO10羽4050 60晌隳稚朗疆惕圖7膠原纖維對紙頁成型時間的影響23吸音紙的吸音性能231機械打漿膠原纖維 將機械打漿膠原纖維按照不同的用量與植物纖維復合抄造，測試紙樣的吸音系數如圖8所示。o 9o 8o 76543o靜柵o 2o l0AQ9 Q，QpQ9 qQ'qp Q，、9、9飛，k聲波頻率(kl-lz) 圖8機械打漿膠原纖維對紙頁吸音性

20、能的影響從圖8可知，空白紙頁也具有一定的吸音性能，其對某些頻率聲波也具有一定的吸音能力，但是從整個吸音系數曲線來看兩個相鄰頻率的吸音系數相差較大，吸音頻段比較窄，試 驗范圍內的平均吸音系數為：O21，整體吸音性能較羞。添加機械打漿膠原纖維后，紙頁的 吸音性能明顯的增加，隨著用量的增加，紙頁的吸音系數呈有規律的增加趨勢，這也驗證了 膠原纖維具有吸音性能這一特點。同時，隨著用量的增加，紙頁在中高頻的吸音系數增加比 較緩慢，可能是因為，細小膠原纖維含量過多，這樣一方面會增加聲音傳播路徑，消耗聲能。 同時也可能帶來的負面效應是堵塞紙張結構中的孔隙，使聲波反射出去的。20，30，40膠原纖維紙頁的平均吸

21、音系數分別為：O46、05l、056，分別比空白紙頁分別提高了119、143、167。因此為了提高吸音紙的吸音性能，可以通過增加膠原纖維的用量來實現。49全國特種紙技術交流會暨特種紙委員會第六屆年會論文集但是，當其用量達到一定程度(50)以后，紙張的物理強度和抄造性能下降較大，綜合考慮機械打漿膠原纖維用量在20"-'50之間較為適宜。 232化學機械打漿膠原纖維將化學機械打漿膠原纖維與植物纖維按照不同的配比復合抄紙，測試試樣的吸音系數，如圖9所示。o oo羚秈島oo oQQ9 q'Q妒Q9 QQ'Q9 Q，9、p'k聲波頻率(kHz)圖9化學機械打漿膠

22、原纖維對紙頁吸音系數的影響由圖9可知，添加了化學機械打漿膠原纖維的紙頁的吸音性能明顯提高，隨著其用量的 增加，紙頁的吸音系數有規律的變化著。相對于空白紙樣，添加了化學機械打漿膠原纖維紙 樣在低頻和高頻有著很好的吸音性能。這是因為，膠原纖維在化學試劑和機械外力的作用下， 變得更加細小，同時降解產生的膠原蛋白和膠原纖維以及植物纖維混合形成一種膜狀結構， 膠原纖維和紙頁在較低的聲波頻率下，就容易發生輕微的振動，而消耗部分聲能，表現在數 據上就是具有較高的低頻吸音系數。和機械打漿膠原纖維紙樣在中高頻吸音道理一樣，紙頁 在中高頻的吸音系數增加比較緩慢。20、30、40膠原纖維用量紙頁的平均吸音系數分 別

23、為：056、062和067，分別比空白紙樣(O21)分別提高了167，195和219，可見 添加膠原纖維紙樣吸音性能提高很多。于是，通過改變膠原纖維的用量來生產具有不同吸音 性能的材料，以用于不同的場合。綜合考慮，化學機械打漿膠原纖維的用量在20oO之 間比較適宜，紙頁有較高的吸音系數。比較圖8和圖9可知添加化學機械打漿膠原纖維紙樣的吸音性能較機械打漿的要好，尤 其在012o32kHz和08-,4kHz范圍內。亦即化學機械打漿膠原纖維低高頻吸音性能較機械 打漿吸音性能要好。分析其原因可能是，化學機械打漿的膠原纖維較機械打漿的要短小，使 其在紙頁中分布更加均勻，更容易填充在植物纖維之間，增加聲音在紙張內部的通道，更容 易發生多孔吸音，因此其高頻吸音系數較機械打漿的要高。另外，化學處理可能使部分膠原 纖維的性質發生了改變，而改變了其特性阻抗，而使其本