陳夫山 常建棟 宋曉明 宋鵬瑤

(青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東青島，266042)

硅灰石礦物纖維的形態(tài)介于植物纖維與傳統(tǒng)填料碳酸鈣之間，性狀相當(dāng)于植物細(xì)小纖維，具有較高的長(zhǎng)徑比、較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性［1］;它白度高，不僅可以起到傳統(tǒng)造紙?zhí)盍系淖饔?，而且還可部分替代植物纖維，并與植物纖維交織在一起構(gòu)成新型的“植物纖維-礦物纖維”網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［2-3］。

目前，造紙工業(yè)中普遍采用增加紙張環(huán)壓強(qiáng)度的方法是在紙張表面施膠過(guò)程中使用降解淀粉［4-5］，但是該方法存在如下問(wèn)題:①淀粉作為糧食的主要成分，價(jià)格昂貴;②廢紙回用時(shí)廢水的負(fù)荷增加 (陰離子垃圾過(guò)多)，需要添加價(jià)格昂貴的陰離子垃圾捕捉劑，因此開(kāi)發(fā)新型的紙張表面施膠劑勢(shì)在必行［6-7］。本實(shí)驗(yàn)將硅灰石用于瓦楞原紙的表面施膠中，分析其對(duì)于瓦楞原紙環(huán)壓強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度等指標(biāo)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

硅灰石:結(jié)構(gòu)式為Ca3Si3O9，化學(xué)組成為SiO2含量40%～50%，CaO含量45%～50%，大連環(huán)球礦產(chǎn)公司提供。

淀粉替代劑:山東某助劑廠提供。

表面施膠淀粉:青州晨鳴變性淀粉廠提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

JJ-1精密增力電動(dòng)攪拌器，常州榮冠實(shí)驗(yàn)分析儀器廠;HHS型恒溫水浴鍋，天津華北實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;202-1型電熱干燥箱，黃驊市航天儀器廠;ZBK-100紙張表面吸收重量測(cè)定儀，長(zhǎng)春永興儀器有限責(zé)任公司;TTM-500A環(huán)壓強(qiáng)度壓縮儀，長(zhǎng)春永興儀器有限責(zé)任公司;ZYD-3電腦抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)，長(zhǎng)春永興儀器有限責(zé)任公司;KCC101紙張耐折度測(cè)定儀，長(zhǎng)春市小型試驗(yàn)機(jī)廠;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)中心。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 硅灰石-淀粉復(fù)配體系施膠液制備

按照表1中的比例準(zhǔn)確稱取表面施膠淀粉、硅灰石以及淀粉替代劑，將3者混合均勻，然后加入適量去離子水，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的均勻膠料，開(kāi)啟攪拌水浴加熱，攪拌速度維持在100 r/min，90℃保溫30 min，糊化完成后出料備用。

2.2 表面施膠

利用自動(dòng)涂布機(jī)，將自制的硅灰石-淀粉施膠液均勻涂在瓦楞原紙上，施膠量6 g/m2，烘干之后恒溫恒濕處理24 h以平衡水分。

2.3 性能測(cè)定［8］

按照GB/T 2679.8—1995的規(guī)定，用環(huán)壓強(qiáng)度壓縮儀測(cè)定瓦楞原紙的環(huán)壓強(qiáng)度;按照GB/T 453—1989的規(guī)定，用臥式抗張強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測(cè)定瓦楞原紙的抗張強(qiáng)度;按GB/T 457—1979的規(guī)定，用紙張耐折度測(cè)定儀測(cè)定瓦楞原紙的耐折度;按照GB/T 1540—2002的規(guī)定，用表面吸收重量測(cè)定儀測(cè)定瓦楞原紙的抗水性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 掃描電鏡與紅外光譜分析

圖1是硅灰石的掃描電鏡圖。從圖1中可以看出，硅灰石呈針狀、纖維狀，長(zhǎng)度100～300 μm，長(zhǎng)徑比30左右，與植物細(xì)小纖維相當(dāng)。憑借其高長(zhǎng)徑比的性質(zhì)，硅灰石可以有效地與纖維結(jié)合，從而留著在紙張表面［9］。

圖1 硅灰石掃描電鏡圖

圖2 淀粉替代劑的FT-IR圖

圖2 是淀粉替代劑的紅外吸收光譜 (FT-IR)圖。由圖2分析可知，在3462 cm－1處有一個(gè)較寬的強(qiáng)吸收峰，是結(jié)晶水的對(duì)稱伸縮和不對(duì)稱伸縮吸收峰，在2409 cm－1和1622 cm－1處各有一個(gè)吸收峰，是結(jié)晶水的彎曲振動(dòng)吸收峰，說(shuō)明本品含有大量的結(jié)晶水，在1104 cm－1和 988 cm－1處的吸收峰對(duì)應(yīng)于SO2－的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，613 cm－1處為Fe-O鍵的吸收峰，故而初步認(rèn)定淀粉替代劑成分為硫酸亞鐵。而硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)紅外吸收光譜如圖3所示，淀粉替代劑各處吸收峰與其相當(dāng)，則斷定淀粉替代劑成分為硫酸亞鐵，而硫酸亞鐵在造紙工業(yè)中可以用作施膠劑，提高紙張的抗水性能以及防滲透性能，不僅可以有效避免不加AKD引起抗水性下降的問(wèn)題，而且降低施膠成本［10-11］。

3.2 硅灰石用量對(duì)瓦楞原紙環(huán)壓強(qiáng)度的影響

圖3 硫酸亞鐵FT-IR圖

圖4 是硅灰石用量對(duì)瓦楞原紙環(huán)壓強(qiáng)度的影響。從圖4中可以看出，隨著硅灰石用量的增加，瓦楞原紙的橫向環(huán)壓呈緩慢上升趨勢(shì)。當(dāng)硅灰石用量小于15%時(shí)，橫向環(huán)壓強(qiáng)度與硅灰石用量成正比;當(dāng)硅灰石用量大于15%時(shí)，橫向環(huán)壓強(qiáng)度反而開(kāi)始下降。當(dāng)硅灰石用量為15%時(shí)，瓦楞原紙橫向環(huán)壓指數(shù)由3.75 N·m/g提高到5.96 N·m/g，提高了58.7%;縱向環(huán)壓強(qiáng)度也隨著硅灰石用量的增加呈快速上升趨勢(shì)，當(dāng)硅灰石用量達(dá)到10%時(shí)，縱向環(huán)壓強(qiáng)度開(kāi)始緩慢下降。當(dāng)硅灰石用量為10%時(shí)，縱向環(huán)壓指數(shù)由4.85 N·m/g提高到7.55 N·m/g，提高了55.7%。

圖4 硅灰石用量對(duì)瓦楞原紙環(huán)壓強(qiáng)度的影響

由圖4中的縱向環(huán)壓強(qiáng)度曲線與橫向環(huán)壓強(qiáng)度曲線綜合分析，加入硅灰石之后，紙張的環(huán)壓強(qiáng)度提高顯著。硅灰石與淀粉及淀粉替代劑一起糊化后進(jìn)行表面施膠，一部分隨著施膠液滲透到紙張內(nèi)部，一部分保留在瓦楞原紙表面，經(jīng)過(guò)烘干之后隨淀粉在紙張表面形成了一個(gè)支撐層，因?yàn)榈V物纖維是剛性的，強(qiáng)度比較大，所以在整體上提高了紙張的環(huán)壓強(qiáng)度。而當(dāng)硅灰石用量達(dá)到10%以上時(shí)，硅灰石對(duì)紙張環(huán)壓強(qiáng)度的提高沒(méi)有那么明顯，因?yàn)楣杌沂杏胁糠旨?xì)小礦物纖維組分，過(guò)多的細(xì)小組分影響了紙張纖維之間的物理交織，纖維之間的氫鍵被部分破壞，對(duì)瓦楞原紙的環(huán)壓強(qiáng)度提升不利。

3.3 硅灰石用量對(duì)瓦楞原紙抗張強(qiáng)度的影響

圖5是硅灰石用量對(duì)瓦楞原紙抗張強(qiáng)度的影響。從圖5中可以看出，隨著硅灰石用量的不斷增加，瓦楞原紙縱橫向抗張指數(shù)均呈緩慢上升趨勢(shì)，且均在硅灰石用量為10%時(shí)達(dá)到較大值，繼續(xù)增大硅灰石用量，抗張指數(shù)隨之減小。當(dāng)硅灰石用量為10%時(shí)，縱向抗張指數(shù)由原來(lái)的75.4 N·m/g提高到95.9 N·m/g，橫向抗張指數(shù)由原來(lái)的32.4 N·m/g提高到46.2 N·m/g，分別提高了27.1%和42.5%。

圖5 硅灰石用量對(duì)瓦楞原紙抗張強(qiáng)度的影響

影響紙張抗張強(qiáng)度的最重要因素是纖維間結(jié)合力及纖維自身的強(qiáng)度，圖5中瓦楞原紙抗張強(qiáng)度提高的主要原因是淀粉在紙張表面形成一層致密的淀粉膜，而且硅灰石也是剛性的，其強(qiáng)度也有利于抗張強(qiáng)度的提高。當(dāng)硅灰石用量達(dá)到10%以上時(shí)，對(duì)紙張抗張強(qiáng)度的提高就不再明顯，因?yàn)楣杌沂胁糠旨?xì)小組分破壞了淀粉膜，影響了淀粉與纖維之間的氫鍵與物理交織，部分抵消了之前抗張強(qiáng)度的提高。

3.4 硅灰石用量對(duì)瓦楞原紙耐折度的影響

圖6是硅灰石用量對(duì)瓦楞原紙耐折度的影響。從圖6中可以看出，隨著硅灰石用量的增大，瓦楞原紙縱向耐折度呈快速上升趨勢(shì)，當(dāng)硅灰石用量為10%時(shí)達(dá)到較大值，由原來(lái)的10次提高到35次，提高了250%，之后隨硅灰石用量的增大又快速下降，但始終強(qiáng)于未加硅灰石瓦楞原紙的縱向耐折度;隨著硅灰石用量的增大，橫向耐折度緩慢增大，當(dāng)硅灰石用量達(dá)到10%時(shí)達(dá)到較大值，由原來(lái)的4次提高到11次，提高了175%，之后隨硅灰石用量的增大也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖6 硅灰石用量對(duì)瓦楞原紙耐折度的影響

與抗張強(qiáng)度相比，紙張的耐折度更大程度上取決于纖維自身的長(zhǎng)度，加入硅灰石之后，紙張的耐折度提高顯著。這是因?yàn)楣杌沂旌显诘矸勰ぶ性诩垙埍砻嫘纬闪艘粋€(gè)支撐層，這是瓦楞原紙耐折度提高的主要原因。而當(dāng)硅灰石量達(dá)到10%以上時(shí)，硅灰石中一部分細(xì)小組分影響了淀粉膜與纖維之間的物理交織，同時(shí)破壞了纖維之間的氫鍵，所以瓦楞原紙的耐折度有一定程度的降低。

3.5 硅灰石用量對(duì)瓦楞原紙抗水性能的影響

圖7是硅灰石用量對(duì)瓦楞原紙抗水性能的影響。Cobb值越小，說(shuō)明其抗水性能越好。從圖7中可以看出，隨著硅灰石用量的增加，瓦楞原紙的抗水性能不斷下降，因?yàn)楣杌沂欢ǔ潭壬掀茐牧说矸奂暗矸厶娲鷦┰诩垙埍砻嫘纬傻氖┠z膜，而且硅灰石用量越多，紙張的抗水性能越差。

圖7 硅灰石用量對(duì)瓦楞原紙抗水性能的影響

4 結(jié)論

用硅灰石部分替代表面施膠淀粉并與部分淀粉替代劑復(fù)配制備施膠液，對(duì)瓦楞原紙進(jìn)行表面施膠，分析硅灰石對(duì)瓦楞原紙性能的影響。

4.1 當(dāng)硅灰石用量10%、表面施膠淀粉75%、固定淀粉替代劑15%(均對(duì)總表面施膠劑)時(shí)，施膠量6 g/m2條件下，相對(duì)于不添加硅灰石的紙樣，瓦楞原紙縱向環(huán)壓強(qiáng)度提高了55.7%、橫向環(huán)壓強(qiáng)度提高了41.2%;縱向抗張強(qiáng)度提高了27.1%、橫向抗張強(qiáng)度提高了42.5%;縱向耐折度提高了250%，橫向耐折度提高了175%。

4.2 淀粉及淀粉替代劑的加入使瓦楞原紙具有一定的抗水性能，但其抗水性能會(huì)隨著硅灰石用量的增加而減小。

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