ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC XƠ SỢI ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT ...

GIỚI THIỆU : Các kích thước xơ sợi đóng một vai trò then chốt trong sự phát triển của rất nhiều tính chất giấy, đặc biệt là độ bền của chúng và đóng góp tới các tính chất độ đục và các tính chất liên quan đến bề mặt của giấy. Các xơ sợi gỗ đã sử dụng trong quá trình sản xuất giấy chỉ ra các thay đổi chủ yếu trong khía cạnh này, nhưng các kích thước của xơ sợi gỗ có thể bị biến đổi bởi các quá trình thích hợp và sự phân bố kích thước xơ sợi của một huyền phù cũng có thể bị thay đổi bởi quá trình sàng và phối trộn. Khả năng làm giấy của xơ sợi gỗ được quyết định chủ yếu bởi chiều dày thành xơ sợi và chiều dài xơ sợi của chúng. Chiều rộng xơ sợi không quan trọng bằng hai thông số này. Chiều dày thành xơ sợi chưa được đo một cách chính xác trên bất kỳ thiết bị tự động nào. Tuy nhiên, các thiết bị phân tích xơ sợi hiện tại có thể đo chiều dài và độ thô của xơ sợi với một giá trị đáng tin cậy và chúng có mối tương quan rất gần với chiều dày thành xơ sợi. Các tính chất của xơ sợi có thể được phân loại thành các tính chất hình tháI học, cấu trúc và hóa học. Đối với bột sunphát gỗ mềm, thông số quan trọng nhất là chiều dày thành xơ sợi. Chiều dài xơ sợi và độ thô có thể được đo một cách chắc chắn với các thiết bị phân tích xơ sợi chiệu lực hiện hành. Vẫn chưa có một thiết bị tự động nào cho phép đo chiều dày thành xơ sợi và sự phân tích của các thiết bị phân tích xơ sợi hiện nay vẫn rất thô sơ, thậm chí đối với cả phép đo chiều rộng xơ sợi. Các phương pháp truyền thống sử dụng đo các tính chất khác nhau của một huyền phù xơ sợi bao gồm phép đo độ thoát nước và quá trình phân loại bằng thiết bị Bauer – McNett. Chiều dài xơ sợi hiện đang được đo trên một thiết bị phân tích chiều dài xơ sợi tự động. Ảnh hưởng của độ thô của xơ sợi gỗ lên các tính chất của giấy đã được nghiên cứu một cách trực tiếp, bằng phương pháp đo tỉ trọng gỗ và giấy và một vài máy phân tích chiều dài xơ sợi có thể xác định độ thô của xơ sợi. Một vài nghiên cứu về ảnh hưởng của các tính chất của xơ sợi ở phần cắt ngang đến giấy cũng đã được tiến hành, nhưng công việc này là khá phức tạp. KÍCH THƯỚC XƠ SỢI VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA GIẤY Các kích thước của xơ sợi gỗ (trong gỗ) được minh họa trong hình 1.

lc : chiều dài xơ sợi w : chiều rộng của xơ sợi (tl + t2)/2 = chiều dày vách xơ sợi trung bình Hình 1. Các kích thước cơ bản của xơ sợi

Gỗ mềm Gỗ cứng - chiều dài, mm 2-5 0,8 - 1,6 - chiều rộng, mm 20-40 10-20 - dày thành xơ sợi, mm 1-8 3-6,5 Các cấu tử của xơ sợi bột và kích thước tương ứng của chúng được biểu diễn trong hình 2.

Hình 2. Các cấu tử của xơ sợi bột giấy Chiều dài xơ sợi : Mối liên quan giữa chiều dài xơ sợi và độ bền xé và độ bền kéo của giấy đã được chứng minh trong một vài nghiên cứu. Mối quan hệ này được minh họa trong hình 3, 4. Xơ sợi càng dài, giấy càng bền do số các xơ sợi khác tiếp xúc hay liên kết với nó càng lớn. Quá trình kéo căng các xơ sợi qua các vùng đứt xác định độ bền kéo của giấy, tương tự trong phép đo độ bền kéo. Khi các xơ sợi ngắn hơn, độ bền kéo giảm. Trong dãy chiều dài xơ sợi 1-2,5mm, mối liên hệ này là tuyến tính và mối quan hệ giữa chiều dài xơ sợi và độ bền kéo là rõ ràng hơn cả ở các mức độ nghiền cao. Độ bền xé cũng có quan hệ tuyến tính với chiều dài xơ sợi ở phạm vi chiều dài < 2,5mm.

Hình 3. Ảnh hưởng của chiều dài xơ sợi đến độ bền kéo, bột Kraft + TMP.

Hình 4. Ảnh hưởng của độ dài xơ sợi đến độ bền xé, TMP. Tuy nhiên, có sự thay đổi đáng kể giữa các kết quả tìm được của các nghiên cứu khác nhau, lý do có thể là độ thô của các xơ sợi có thể thay đổi theo chiều dài xơ sợi, hình 5. Ví dụ : các xơ sợi dài và rộng có thể có một độ thô lớn, trong khi đó chiều dài xơ sợi lớn sẽ cho một độ bền kéo tốt hơn, độ thô lớn có một ảnh hưởng ngược lại rõ ràng.

Hình5. Mối quan hệ giữa chiều dài xơ sợi và độ thô của bột kraft gỗ mềm. Độ thô của xơ sợi : Độ thô của xơ sợi phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố : loài gỗ, các điều kiện sinh trưởng của cấy, vị trí của các xơ sợi trên thân cây. Phần cắt ngang xơ sợi giữa ngọn và thân, giữa lõi và phần gỗ sống. Độ thô của xơ sợi góp phần vào tỉ trọng của cả nguyên liệu gỗ và giấy tạo ra sử dụng các phương pháp tiêu chuẩn. Ảnh hưởng của độ thô của xơ sợi lên các tính chất của giấy đã được nghiên cứu trực tiếp trên một vài trường hợp, bằng cách so sánh tỉ trọng của gỗ và tỉ trọng của giấy. Tỉ trọng của gỗ khô phụ thuộc vào tỉ lệ giữa các thành xơ sợi và không khí trong thân cây và vào chiều dày thành xơ sợi : các thành xơ sợi dày cho tỉ trọng gỗ cao hơn. Điều này có nghĩa là các xơ sợi của gỗ chặt cũng có độ thô cao hơn và cứng hơn các xơ sợi của gỗ có tỉ trọng thấp. Các cơ sợi cứng không liên kết một cách dễ dàng. Giấy làm từ các xơ sợi gỗ mềm có một độ bền và tỉ trọng thấp, bề mặt của chúng ráp và có độ khẩu khí cao.

Hình 6. Ảnh hưởng của tỉ trọng gỗ đến độ bề kéo

Hình 7. Ảnh hưởng của tỉ trọng gỗ đến độ bền xé Độ bền kéo giảm theo hướng các giá trị tỉ trọng gỗ khô tăng do ở cùng một thời điểm, độ thô của xơ sợi tăng và chúng tạo thành ít liên kết hơn. Theo một hướng khác, độ bền xé của giấy làm bởi các xơ sợi đã nghiền tăng với tỉ trọng gỗ : các xơ sợi thô với một khả năng liên kết nhất định sẽ chống lại các lực xé tốt hơn các xơ sợi có độ thô thấp. Độ cứng và thô của xơ sợi đóng góp tới tỉ trọng của giấy và dường như nó ảnh hưởng tới cả độ bền và các tính chất quang của tờ giấy. Mối quan hệ giữa tỉ trọng giấy và độ bền kéo được chỉ ra trong hình 8.

Hình 8. ảnh hưởng của tỉ trọng giấy đến độ bền kéo của giấy.

Hình 9. Hệ số tán xạ của các xơ sợi từ các quá trình bột khác nhau. Tỉ trọng của giấy cũng ảnh hưởng đến hệ số tán xạ. Hệ số tán xạ được xác định bởi tổng diện tích bề mặt (số các xơ sợi, các kích thước bên ngoài, sự collapse của các lumen) và mức độ liên kết của các xơ sợi. Hệ số tán xạ cao đối với giấy có tỉ trọng thấp làm từ các xợ sợi thô, kém liên kết, hình 9.

Hình 10. ảnh hưởng của mức độ loại lignin đến độ thô của xơ sợi bột kraft gỗ mềm. Độ thô của xơ sợi có thể thay đổi bằng các quá trình thích hợp như nhau, tẩy trắng hoặc nghiền. Cả quá trình nấu và tẩy trắng là các quá trình loại bỏ lignin và hemicellulo khỏi các xơ sợi, do vậy làm giảm độ thô của xơ sợi. Các phương pháp khác nhằm thay đổi độ thô trung bình và sự phân bố độ thô trong huyền phù xơ sợi bao gồm quá trình sàng phân loại xơ sợi và quá trình trộn lẫn giữa các loại xơ sợi khác nhau. Độ thô của xơ sợi có thể được đo bằng phương pháp kính hiển vi và bởi các thiết bị phân tích xơ sợi tự động. Phép đo độ thô và ảnh hưởng của nó đến các tính chất của giấy đã được công bố với rất nhiều nghiên cứu. Một cơ sở của pháp đo độ thô nảy sinh từ chính khái niệm về độ thô : độ thô của xơ sợi được xác định bởi các kích thước ngang, nghĩa là chiều rộng xơ sợi, chiều dày thành xơ sợi và tỉ trọng của thành xơ sợi, và do vậy mà các xơ sợi hẹp, dày thành có thể có cùng độ thô như các xơ sợi rộng, thành mỏng. Và các xơ sợi rộng hơn với thành xơ sợi mỏng sẽ mềm mại hơn và dễ dàng liên kết hơn các xơ sợi hẹp hơn và có thành dày. Ví dụ, khi so sánh ở cùng một mức chiều dày thành xơ sợi, các xơ sợi mảnh mùn cưa cho một độ thô khá cao hơn các thành xơ sợi tăng theo hướng chiều dày thành cao hơn và chiều rộng thấp hơn, các xơ sợi bột với cùng một diện tích mặt cắt ngang có một độ thô lớn như nhau. Nói các khác, độ thô của xơ sợi có thể được xác định bởi phép đo chiều rộng xơ sợi và chiều dày thành xơ sợ. Hơn nữa, độ thô có thể cũng được chỉ ra bằng cách sử dụng duy nhất chiều dày thành xơ sợi. Giá trị độ thô của xơ sợi không phân biệt giữa xơ sợi còn nguyên hình dáng nguyên thủy và xơ sợi đã biến dạng lumen. Mặc dù vậy, quá trình làm phẳng các xơ sợi hay quá trình collape hóa đóng một vai trò đáng kể đến độ mềm mại của xơ sợi, khả năng liên kết và do vậy liên quan đến độ bền của giấy. Độ thô không tạo ra bất kỳ một sự phân bố của các kích thước theo phương ngang; để nhận được thông tin này, người ta cần các phép đo độ với độ chính xác cao của chiều rộng xơ sợi và chiều dày thành xơ sợi. Một hướng khác, các tính chất độ bền và tính chất quang học của giấy có thể được ước tính bởi các phép đô độ thô. Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, trong dãy độ thô 0,125-0,247mg/m, độ thô của xơ sợi giải thích hơn 80% tổng sự thay đổi trong độ bền kéo và xé. Các xơ sợi thô có một khả năng liên kết thấp và do vậy, độ bền kéo giảm khi độ thô của xơ sợ tăng, hình 11.

Hình 11. ảnh hưởng của độ thô đến độ bền kéo của các loại gỗ mềm khác nhau ở mức độ nghiền khác nhau. Hơn nữa, độ thô giải thích hơn 70% sự thay đổi trong tỉ trọng giấy và độ thấu khí. Đây là một kết quả thỏa mãn đáng kể ở mức độ tin cậy 99%. Các xơ sợi thô tạo thành một mạng lưới hổng và do vậy tỉ trọng biểu kiến của giấy và khả năng kháng khí thấp hơn đối với các xơ sợi mức độ thô hơn. Chiều dài và độ thô của xơ sợi cũng ảnh hưởng tới sự hình thành của tờ giấy. Nó được quan sát they rằng khả năng hình thành của các xơ sợi là phụ thuộc vào khối lượng của một xơ sợi đơn, được xác định bằng độ thô và chiều dài xơ sợi, phương trình 1, hình 12. Npot = 0,147 + 0,622 (L) 1/2 Trong đó : Nopt = khả năng hình thành L = chiều dài khối lượng xơ sợi trung bình = độ thô của xơ sợi

Hình 12. ảnh hưởng của khối lượng xơ sợi đến khả năng hình thành tờ giấy, bột kraft gỗ mềm. Các xơ sợi càng dài, càng có xu hướng tạo khối bông tụ, ảnh hưởng đến sự đồng đều của tờ giấy. Đối với các giấy mà sự hình thành là quan trọng, như giấy in, giấy viết, các xơ sợi dài có hiệu ứng âm, hơn nữa các xơ sợi thô sẽ tạo ra bề mặt giấy không bằng phẳng nên chúng chỉ quan trọng cho quá trình sản xuất các giấy bao gói mà ít quan trọng cho giấy in, giấy viết. Chiều rộng và chiều dày thành xơ sợi : Các tính chất của xơ sợi được phân thành 3 nhóm chính : Hình thái học : chiều dài, rộng và chiều dày thành xơ sợi. Cấu trúc vi mô : Góc fibril của lớp S2, mức độ định hình, các điểm yếu trên thành xơ sợi. Hóa học : Thành phần Các nghiên cứu đã chứng minh được rằng : khả năng làm giấy của các xơ sợi gỗ mềm chủ yếu được xác định bởi các tính chất hình thái học của nguyên liệu và tính chất hình tháI học quyết định nhất đối với giấy đã tạo ra chiều dày thành xơ sợi. Khi thay đổi các nguyên liệu, các thay đổi trong chiều dày thành xơ sợi giải thích trên 80% các tính chất sản xuất giấy chủ yếu của bột cường tính (độ bền và các tính chất về khả năng in, mức độ tin cậy 99%) trong dãy chiều dài xơ sợi 1,9-2,5mm và chiều dày thành xơ sợi 4-9m. Chiều rộng của xơ sợi cũng tồn tại như một thông số cần thiết, gần gũi với chiều dày thành xơ sợi. Một điều cần được ghi nhớ rằng, chiều rộng xơ sợi thường thay đổi với chiều dày thành xơ sợi. Kết quả này là do những khác biệt giữa gỗ màu xuân (xơ sợi rộng, thành vách mỏng) với gỗ mùa hè (hẹp hơn, và thành xơ sợi dày hơn). Độ mềm mại của xơ sợi và khả năng kháng lại của chúng với quá trình biến dạng lumen được xác định chủ yếu bởi chiều dày thành xơ sợi. Độ mềm mại và quá trình biến dạng lumen của các xơ sợi góp phần vào quá trình liên kết giữa các xơ sợi, chủ yếu là do chúng làm tăng diện tích bề mặt liên kết của xơ sợi và do vậy cải thiện độ bền kéo. Các xơ sợi cứng với thành vách dày tạo thành một cấu trúc mở, lỏng với một bề mặt ráp và các tính chất giấy yếu. Nói một cách khác, độ dày thành xơ sợi nhỏ hơn sẽ cho độ bền kéo tốt hơn, hình 13. Các kết quả trong hình cũng nhận được tương tự đối với độ xốp của giấy. Đối với các xơ sợi chưa nghiền, sự giảm của độ bền kéo là mối quan hệ tuyến tính với sự tăng của chiều dày thành xơ sợi, nhưng mối quan hệ là nghịch đảo đối với các xơ sợi đã qua nghiền. Các xơ sợi với thành vách dày cho độ bền xé tốt hơn, nhưng đối với độ bền cực đại, các xơ sợi phải có được một khả năng liê kết nhất định. Điều này giải thích tại sao các xơ sợi chưa nghiền, cứng, thành dày có độ bền xé thấp hơn các xơ sợi có thành mỏng.

Hình 13. ảnh hưởng của độ dày thành xơ sợi đến độ nhẵn bề mặt giấy.

Hình 14. ảnh hưởng của độ dày thành xơ sợi đến độ nhẵn bề mặt giấy Hệ số tán xạ ánh sáng được xác định bởi khả năng liên kết và tổng diện tích bề mặt của mạng xơ sợi (số các xơ sợi, các tính chất về kích thước ngang và khả năng biến dạng lumen). Hệ số tán xạ ánh sáng giảm với sự tăng chiều dày xơ sợi và hiệu ứng này là rõ ràng hơn đối với các xơ sợi bột chưa tẩy trắng. Rõ ràng rằng khả năng phản xạ ánh sáng của xơ sợi chưa tẩy trắng phụ thuộc chủ yếu vào tổng diện tích bề mặt của mạng xơ sợi. Chiều dày thành xơ sợi cũng đóng góp tới sự phát triển của mức độ nghiền và do đó chiều dày thành xơ sợi giữ một vai trò quyết định trong điều khiển quá trình nghiền. Chiều dày thành xơ sợi them chí còn ảnh hưởng tới khả năng them thấu vào trong thành xơ sợi của các hóa chất nấu và tẩy trắng. Sự xoắn và gấp khúc của xơ sợi : Do ảnh hưởng của các quá trình phát triển, quá trình bột, các xơ sợi tồn tại trong huyền phù bột có thể ở dạng khác nhau : thẳng, cong xoắn hay bị gấp khúc. Quá trình xoắn, gấp khúc xơ sợi phụ thuộc nhiều vào bản chất quá trình các xơ sợi đã được tạo ra, nó có thể xuất hiện ở giai đoạn này và biến mất ở giai đoạn khác. Hiện tượng xoắn của xơ sợi có một vài tầm quan trọng đối với quá trình giãn dài và modul đàn hồi theo hướng MD của giấy. Tuy nhiên, các vị trí gấp khúc của xơ sợi được xem như là các điểm yếu mà có thể phá hủy độ bền của giấy. Độ thô của xơ sợi có thể được đo trên thiết bị phân tích xơ sợi Kajaani FS-200 và chiều dày thành xơ sợi được đo trên thiết bị Kajaani FibreLab. Kết luận: Các kích thước của xơ sợi ảnh hưởng tới các tính chất của giấy đặc biệt là độ bền theo rất nhiều cách. Mối quan hệ giữa các tính chất của nguyên liệu gỗ và sảm phẩm giấy được tóm tắt trong hình dưới đây.

Nguồn: Báo công nghiệp giấy 6/2005