陳夫山 鄭 剛 宋曉明

(青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東青島，266042)

產(chǎn)品包裝的目的是將產(chǎn)品完好地從生產(chǎn)者手中送到消費(fèi)者手中，這就要求包裝紙板在貯存和運(yùn)輸中具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，不變形，不破裂，能夠承受各種外力的沖擊、推壓作用，以保護(hù)內(nèi)部的包裝物［1］。包裝紙板是用于商品包裝的紙板，其中包括箱紙板、牛皮箱紙板、瓦楞紙板和白紙板等，其中以瓦楞紙板用量最大，約占紙板總量的85% ～90%［2］。

由于瓦楞紙板廣泛用于包裝材料，因此瓦楞原紙的環(huán)壓強(qiáng)度和耐破度是非常重要的物理指標(biāo)，而表面施膠是提高瓦楞原紙環(huán)壓強(qiáng)度及耐破度的一種重要方式［3］。

目前瓦楞原紙表面施膠劑多為淀粉類、聚丙烯酰胺類、共聚乳液類及多元復(fù)配類［4-11］，又以淀粉類瓦楞原紙表面施膠劑使用的最為廣泛，但現(xiàn)在造紙行業(yè)整體不景氣，經(jīng)濟(jì)效益不好，如何用更加低廉的原料來(lái)取代淀粉而又不損傷紙張的強(qiáng)度性能成為目前重要的研究方向。

本實(shí)驗(yàn)利用無(wú)機(jī)鹽替代部分淀粉對(duì)瓦楞原紙表面施膠，以降低淀粉用量，在一定程度上降低成本，提高瓦楞原紙的環(huán)壓強(qiáng)度及耐破度，并利用接枝淀粉型表面施膠劑改善成紙的防潮性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

玉米淀粉，工業(yè)品，晨鳴變性淀粉廠;硫酸鎂，分析純，天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠;硝酸鎂，分析純，天津博迪化工股份有限公司;氯化鎂，分析純，天津博迪化工股份有限公司;過(guò)硫酸銨，分析純，萊陽(yáng)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠;接枝淀粉型表面施膠劑，實(shí)驗(yàn)室自制，固含量30%;瓦楞原紙 (未表面施膠)，定量120 g/m2，橫向環(huán)壓指數(shù)3.25 N·m/g，縱向環(huán)壓指數(shù)4.31 N·m/g，耐破指數(shù)4.69 kPa·m2/g。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

DCP-NPY1200 電腦紙張耐破度儀，四川長(zhǎng)江造紙儀器有限責(zé)任公司;ZBK-100 紙張表面吸收重量測(cè)定儀、ZYD-3F3 圓形取樣器、TTM-500A 環(huán)壓強(qiáng)度試驗(yàn)取樣刀、ZZD-25B 智能壓縮儀，長(zhǎng)春永興儀器有限責(zé)任公司;ST-1-260 型自動(dòng)涂布機(jī)，陜西科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院實(shí)訓(xùn)研發(fā)中心;NDJ-5S 旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，上海安德儀器設(shè)備有限公司;XL30E 型環(huán)境掃描電子顯微鏡，美國(guó)FEI 公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 表面施膠液配制

將硝酸鎂、氯化鎂、硫酸鎂分別與淀粉按m(淀粉)∶m(無(wú)機(jī)鹽)為10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4 的質(zhì)量比配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的水溶液，并添加0.4%的過(guò)硫酸銨(對(duì)淀粉質(zhì)量)，將復(fù)配試樣分別加入三口燒瓶中，開(kāi)啟攪拌攪拌均勻并慢慢升溫，待溫度升至90℃時(shí)，停止升溫，然后在此溫度下糊化30 min，60℃保溫備用。

1.3.2 表面施膠

在自動(dòng)涂布機(jī)上，使用2#涂布棒，以一定速度將施膠液均勻涂在瓦楞原紙上，控制涂布量約為6 g/m2。施膠后紙樣在鼓風(fēng)干燥箱中干燥10 min，然后將紙樣進(jìn)行恒溫恒濕平衡處理。

1.3.3 性能測(cè)定及表征

待施膠紙樣經(jīng)恒溫恒濕平衡處理24 h 后，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)紙張各項(xiàng)物理性能指標(biāo)［12］;參考GB/T1540—2002，利用紙張表面吸收重量測(cè)定儀測(cè)定紙張Cobb 值;參考GB/T 2679.8—1995，利用環(huán)壓強(qiáng)度壓縮儀測(cè)定紙張的環(huán)壓強(qiáng)度;參考GB/T 1539—1989［12］，利用電腦紙張耐破度儀測(cè)定紙張的耐破強(qiáng)度;利用XL30E 型環(huán)境掃描電子顯微鏡對(duì)紙張進(jìn)行電鏡檢測(cè)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 淀粉-無(wú)機(jī)鹽體系的黏度

為了研究淀粉-無(wú)機(jī)鹽體系的黏度及變化趨勢(shì)，使用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)對(duì)淀粉-無(wú)機(jī)鹽體系的黏度進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 淀粉-無(wú)機(jī)鹽體系黏度變化趨勢(shì)

從圖1 可以看出，淀粉-無(wú)機(jī)鹽體系的黏度隨著無(wú)機(jī)鹽用量的增加不斷下降，這是因?yàn)轶w系中淀粉用量降低，而且添加的過(guò)硫酸銨也對(duì)淀粉起到一定的降解作用，使體系的黏度始終保持著較低的水平，當(dāng)無(wú)機(jī)鹽用量占20% 時(shí)，淀粉-無(wú)機(jī)鹽體系的黏度只有10 mPa·s 左右，為表面施膠創(chuàng)造了理想條件，使生產(chǎn)效率更高。

2.2 使用淀粉-無(wú)機(jī)鹽體系表面施膠對(duì)瓦楞原紙強(qiáng)度的影響

瓦楞原紙作為瓦楞紙板及紙箱的原料，其強(qiáng)度決定了成品的使用性能，尤其是環(huán)壓強(qiáng)度及耐破度。使用不同淀粉-無(wú)機(jī)鹽體系對(duì)瓦楞原紙進(jìn)行表面施膠處理，分析體系對(duì)瓦楞原紙環(huán)壓強(qiáng)度、耐破度的影響。

2.2.1 對(duì)瓦楞原紙環(huán)壓強(qiáng)度的影響

圖2 淀粉-無(wú)機(jī)鹽體系表面施膠對(duì)瓦楞原紙橫向環(huán)壓指數(shù)的影響

圖2 為淀粉-無(wú)機(jī)鹽體系表面施膠對(duì)瓦楞原紙環(huán)壓強(qiáng)度的影響。從圖2 可以看出，隨著無(wú)機(jī)鹽用量的增加，施膠后瓦楞原紙橫向環(huán)壓指數(shù)呈現(xiàn)一定的上升趨勢(shì)，當(dāng)無(wú)機(jī)鹽用量達(dá)到20%時(shí)上升趨勢(shì)趨緩。當(dāng)無(wú)機(jī)鹽用量為20%時(shí)，相對(duì)于瓦楞原紙，添加硝酸鎂、氯化鎂、硫酸鎂的施膠紙橫向環(huán)壓指數(shù)分別增長(zhǎng)了76.3%、80.0%、82.5%。

圖3 為使用淀粉-無(wú)機(jī)鹽體系表面施膠對(duì)瓦楞原紙縱向環(huán)壓指數(shù)的影響。從圖3 可以看出，隨著無(wú)機(jī)鹽用量的增加，施膠瓦楞原紙縱向環(huán)壓指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)無(wú)機(jī)鹽用量達(dá)到20%時(shí)與橫向環(huán)壓指數(shù)一樣上升趨勢(shì)趨緩。當(dāng)無(wú)機(jī)鹽用量為20%時(shí)，相對(duì)于瓦楞原紙，添加硝酸鎂、氯化鎂、硫酸鎂的施膠紙縱向環(huán)壓指數(shù)分別增長(zhǎng)了74.7%、72.6%、80.9%。

圖3 淀粉-無(wú)機(jī)鹽體系表面施膠對(duì)瓦楞原紙縱向環(huán)壓指數(shù)的影響

從圖2、圖3 綜合分析可得出，施膠液加入無(wú)機(jī)鹽之后，紙張的環(huán)壓性能有一定程度的提高。硝酸鎂、氯化鎂、硫酸鎂易溶于水，與淀粉一起糊化后進(jìn)行表面施膠，也更易隨著淀粉糊化液滲透到紙張內(nèi)部，分散得更加均勻，在經(jīng)過(guò)烘干之后在紙張內(nèi)部形成小的結(jié)晶體，結(jié)晶體本身的硬度比較大，整體上提高了紙張的環(huán)壓強(qiáng)度。而當(dāng)無(wú)機(jī)鹽用量達(dá)到30%后，無(wú)機(jī)鹽對(duì)環(huán)壓強(qiáng)度的提高就沒(méi)有那么明顯，因?yàn)檫^(guò)多的無(wú)機(jī)鹽影響了纖維之間的交織，纖維之間的部分氫鍵被破壞，對(duì)瓦楞原紙環(huán)壓強(qiáng)度的提升不利。

2.2.2 對(duì)瓦楞原紙耐破度的影響

圖4 為淀粉-無(wú)機(jī)鹽復(fù)配體系表面施膠對(duì)瓦楞原紙耐破指數(shù)的影響。從圖4 可以看出，隨著無(wú)機(jī)鹽用量的增加，施膠紙耐破指數(shù)先微弱上升，然后快速下降。因?yàn)闊o(wú)機(jī)鹽有一定的硬度，當(dāng)?shù)矸?無(wú)機(jī)鹽表面施膠后，硝酸鎂、氯化鎂、硫酸鎂分散在纖維里面，能在一定程度上彌補(bǔ)替代的淀粉對(duì)瓦楞原紙耐破度的補(bǔ)強(qiáng)，但淀粉是瓦楞原紙耐破度增強(qiáng)的主要原因，它與纖維之間形成氫鍵，而當(dāng)無(wú)機(jī)鹽用量達(dá)到30%后，硝酸鎂、氯化鎂、硫酸鎂在一定程度上影響了淀粉與纖維之間的的連接、纖維與纖維的交織作用，對(duì)瓦楞原紙的耐破性能不利，所以耐破指數(shù)有一個(gè)快速下降的過(guò)程。在無(wú)機(jī)鹽用量為20%時(shí)，耐破度的增強(qiáng)效果最好，相對(duì)于瓦楞原紙，添加了硝酸鎂、氯化鎂、硫酸鎂的耐破指數(shù)分別增長(zhǎng)了13.1%、14.3%、15.6%。

圖4 淀粉-無(wú)機(jī)鹽體系表面施膠對(duì)瓦楞原紙耐破指數(shù)的影響

2.3 接枝淀粉表面施膠劑的添加對(duì)瓦楞原紙防潮性能的影響

為了滿足瓦楞紙箱及紙板使用環(huán)境的需要，瓦楞原紙的防潮性能非常重要。為了改進(jìn)瓦楞原紙的防潮性能，在淀粉-無(wú)機(jī)鹽體系中將糊化好的淀粉與接枝淀粉型表面施膠劑以50∶3 (質(zhì)量比)的比例復(fù)配，然后進(jìn)行表面施膠，并對(duì)紙張的防潮性進(jìn)行了測(cè)試。

圖5 淀粉-無(wú)機(jī)鹽體系添加接枝淀粉型表面施膠劑前后施膠紙的Cobb 值

圖5 為淀粉-無(wú)機(jī)鹽體系添加接枝淀粉表面施膠劑前后施膠紙Cobb 值的變化。從圖5 可以觀察到，在沒(méi)有添加無(wú)機(jī)鹽之前，淀粉表面施膠紙的Cobb 值高達(dá)139 g/m2，而且隨著無(wú)機(jī)鹽的添加，Cobb 值呈現(xiàn)了小幅的上升趨勢(shì)，當(dāng)無(wú)機(jī)鹽用量在40% 時(shí)，Cobb 值最高達(dá)到了163 g/m2。這是由于淀粉有一定的吸水能力，而加入無(wú)機(jī)鹽之后，無(wú)機(jī)鹽在一定程度上破壞了淀粉在紙張表面形成的淀粉膜，造成了Cobb值的升高。加入接枝淀粉型表面施膠劑后，Cobb 值下降至30 g/m2左右，因?yàn)榻又Φ矸壑泻斜揭蚁┑仁杷曰鶊F(tuán)，在纖維表面形成致密的防水膜，大大提高了瓦楞原紙的防潮性能。根據(jù)GB/T13023—2008，箱紙板的吸水性要求小于35 g/m2，而加入接枝淀粉型表面施膠劑之后，施膠紙的Cobb 值只有30 g/m2左右，所以施膠后紙樣的防潮性能滿足使用要求。接枝淀粉型表面施膠劑的加入不僅不會(huì)影響無(wú)機(jī)鹽對(duì)瓦楞原紙的環(huán)壓強(qiáng)度、耐破強(qiáng)度性能的提升，它還會(huì)對(duì)瓦楞原紙強(qiáng)度性能有一定的增強(qiáng)作用，因?yàn)榻又Φ矸坌捅砻媸┠z劑的加入會(huì)增加淀粉與纖維、淀粉與淀粉之間的氫鍵的結(jié)合，而且接枝淀粉型施膠劑有一定黏性，它還能減少無(wú)機(jī)鹽在紙張表面的掉毛掉粉現(xiàn)象。

2.4 表面施膠后紙樣的SEM 分析

從圖6 ～圖10 可以看出，紙張經(jīng)淀粉-無(wú)機(jī)鹽表面施膠后，無(wú)機(jī)鹽的小結(jié)晶顆粒通過(guò)淀粉黏附在纖維上和纖維之間。結(jié)合前面的結(jié)果，表明這些無(wú)機(jī)鹽顆粒相互作用，從而極大地提升了施膠后紙張的環(huán)壓強(qiáng)度，也在一定程度上提升了紙張的耐破度，但當(dāng)無(wú)機(jī)鹽用量達(dá)到30%、40%時(shí)，在一定程度上破壞了纖維的交織及氫鍵結(jié)合，對(duì)紙張的物理強(qiáng)度性能不利。

3 瓦楞原紙表面施膠成本核算

表2 為瓦楞原紙表面施膠的成本核算。從表2 可知，去除人工及機(jī)械、能耗費(fèi)用，采用淀粉-無(wú)機(jī)鹽體系對(duì)瓦楞原紙表面施膠的成本大約為133 ～144 元/t 紙之間，紙廠可以根據(jù)原有的工藝進(jìn)行調(diào)整，相信對(duì)于紙廠降低成本來(lái)說(shuō)具有重要意義。

表2 瓦楞原紙表面施膠的成本核算

4 結(jié) 論

4.1 采用淀粉-無(wú)機(jī)鹽(硝酸鎂、氯化鎂和硫酸鎂)體系對(duì)瓦楞原紙進(jìn)行表面施膠，相對(duì)于其他類表面施膠劑其施膠成本降低，而且生產(chǎn)工藝更簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率更高。

4.2 采用淀粉-無(wú)機(jī)鹽體系表面施膠，當(dāng)施膠量為6 g/m2、無(wú)機(jī)鹽用量為施膠劑的20%時(shí)，相對(duì)于瓦楞原紙，添加硝酸鎂、氯化鎂、硫酸鎂施膠紙的橫向環(huán)壓指數(shù)分別增長(zhǎng)了76.3%、80%、82.5%，縱向環(huán)壓指數(shù)分別增長(zhǎng)了74.7%、72.6%、80.9%，耐破指數(shù)分別增長(zhǎng)了13.1%、14.3%、15.6%。

4.3 淀粉-無(wú)機(jī)鹽體系作為表面施膠劑，施膠后成紙的防潮性能欠佳，在添加接枝淀粉型表面施膠劑之后，施膠紙防潮性能大大提高，施膠紙的Cobb 值從163 g/m2降至30 g/m2左右，滿足了成紙防潮性能的要求。

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