田龍鋼 高玉杰 高立敏 袁曉嬌

(天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點實驗室,天津，300457)

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·透明劑·

自制紙張透明劑的應(yīng)用性能研究

田龍鋼 高玉杰 高立敏 袁曉嬌

(天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點實驗室,天津，300457)

采用復(fù)配法制備了紙張透明劑,并對透明劑的性質(zhì)及其應(yīng)用性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。透明劑的性能可以在常溫和較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定,不會出現(xiàn)溶液分層或渾濁等現(xiàn)象。采用優(yōu)選出的透明劑處理紙張后,紙張透明度可達(dá)到70%以上，相比原紙，透明度提高30個百分點以上,但同時紙張強度性能有所下降。透明劑可在常溫下快速滲透,最佳浸漬時間為5 s。掃描電鏡分析表明,透明劑可有效存留于紙張內(nèi)部,填充纖維間的空隙,黏附在纖維表面。

透明劑；透明度；透明紙；物理強度

(*E-mail: tianlg@126.com)

由于透明或半透明紙的光學(xué)特殊性,目前生產(chǎn)主要靠的是選擇合適的纖維原料,采用提高漿料打漿度、超級壓光等方式提高紙張緊度的方法來達(dá)到,在一定程度上縮小了纖維原料的使用范圍[1-2]；同時高打漿度打漿造成了設(shè)備電耗的增加,限制了透明紙或半透明紙的產(chǎn)量提升和品種發(fā)展[3]。利用紙張透明劑通過浸漬等方式生產(chǎn)透明紙或半透明紙,在紙張透明度和強度等方面滿足質(zhì)量指標(biāo),更有利于降低生產(chǎn)成本,改善生產(chǎn)操作,且有利于增加紙張品種。目前,透明劑這一新型造紙化學(xué)品正逐步進(jìn)入造紙工業(yè)領(lǐng)域[4-5]。

目前,我國紙張透明劑的研究與使用還剛剛起步,所生產(chǎn)的透明或半透明紙品種較少,產(chǎn)品質(zhì)量與國外的同類產(chǎn)品相比差距較大[6-7]。因此,為盡快改變我國透明或半透明紙生產(chǎn)的落后狀況,必須加強對紙張透明劑的研究開發(fā)[8]。本實驗采復(fù)配法制備了與纖維素纖維折光系數(shù)相近的透明劑,通過浸漬的方法將紙張內(nèi)部空隙填充,使紙張趨于均一光學(xué)介質(zhì),從而提高紙張透明度。

1 材料與方法

1.1 實驗原料

漂白針葉木漿,聚酯改性聚二甲基硅氧烷BYK-310,清漆,石蠟,滲透劑JFC,乳化劑OP-10,異丙醇等。

1.2 實驗儀器與設(shè)備

HB43自動快速水分測定儀,美國Mettler-Toledo公司；ZQS2-23 Vally打漿機,陜西科技大學(xué)機械廠；ZDJ-100打漿度測定儀,國營宜賓造紙廠；KRK SE0808098濕紙張壓榨機、NO.7047.S標(biāo)準(zhǔn)紙張成型器,英國MAVIS公司；970154漿料疏解器、SE062抗張強度測定儀、SE009撕裂強度測定儀、969920耐破強度測定儀,瑞典Lorentzen&Wettre公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 透明劑的制備

采用復(fù)配法制備透明劑。選用折光率與植物纖維相近的透明劑主料,按一定比例加入乳化劑0P-10、滲透劑JFC、速干劑、固化劑等助劑充分?jǐn)嚢?混合均勻后加入溶劑將其稀釋,觀察并測定其固含量、黏度和折光率等指標(biāo)。

1.3.2 透明劑的分析

透明劑固含量的測定：稱取4～5 g透明劑乳液置于稱量瓶中,在105℃的烘箱中烘干24 h直至恒質(zhì)量,計算固含量,測量5份取平均值。

黏度的測定：在25℃時,采用BROCKFIELDLVDV-Ⅱ+黏度儀，1號轉(zhuǎn)子,在轉(zhuǎn)速為120 r/min的條件下,測量乳液的黏度。

折光率的測定：本實驗需測定的折光率應(yīng)為透明劑成膜后的折光率,即將透明劑烘干成膜后剪取合適形狀大小,貼于折射儀的測試平臺,然后檢測得到折光率[5]。

1.3.3 透明劑的應(yīng)用分析

抄紙：漂白針葉木漿打漿至39oSR,抄造定量40～60 g/m2手抄片，作為原紙，考察透明劑的應(yīng)用效果。

浸漬：將一定量的透明劑置于專用器皿中,原紙放入透明劑溶液中一定深度進(jìn)行浸漬,一定時間后取出,用鋼絲刮棒除去紙張表面多余的透明劑,在鼓式干燥器上干燥。分別考察透明劑浸漬時間、浸漬溫度和透明劑固含量對其應(yīng)用效果的影響。

原紙和浸漬后的紙張經(jīng)恒溫恒濕處理后,按國家標(biāo)準(zhǔn)方法檢測有關(guān)指標(biāo),分析透明劑應(yīng)用性能并確定其最佳使用條件。

2 結(jié)果與討論

紙張中除含有的木素和其他物質(zhì)會降低透明度外,主要組分之間折光系數(shù)的差異是影響紙張透明性能的直接因素。表1為紙張常見組成成分的折光系數(shù)。

從表1可見，紙張中纖維素纖維折光系數(shù)是1.530,與空氣折光系數(shù)差別較大,光線照射到紙張上時發(fā)生折射,導(dǎo)致紙張透明度較低。因此紙張透明度的高低,與紙張中氣泡空隙的多少有直接關(guān)系。本實驗通過用與纖維素纖維折光系數(shù)相近的透明劑盡量填充紙張中的氣泡空隙來提高紙張的透明度。

表1 紙張常見組成成分的折光系數(shù)

2.1 固含量對透明劑應(yīng)用性能的影響

2.1.1 對透明劑黏度的影響

透明劑黏度將會影響其在浸漬紙張時向紙張內(nèi)部的浸漬速度。因此,采用黏度計測定了不同固含量的透明劑的黏度值,分析不同固含量的透明劑的黏度值變化,結(jié)果如圖1所示。

圖1 透明劑固含量對黏度的影響

圖1表明,隨著透明劑固含量的增加,透明劑溶液的黏度隨之增大。固含量從10%變化到20%時,上升趨勢平緩；固含量從30%變化到50%時,上升幅度較大。綜合來看,可以認(rèn)為透明劑固含量在一定范圍內(nèi)變化時其黏度有所上升,在總體上黏度水平不高。在實際應(yīng)用時,可以在保證較好浸透性能的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高透明劑的固含量,使透明劑中的主劑更多地保留在紙張內(nèi)部,以利于改善紙張透明度。

2.1.2 對紙張性能的影響

實驗制備了不同固含量的透明劑,在相同的條件下(室溫25℃；相同浸漬液位；浸漬時間30 s)浸漬處理紙張,考察透明不同劑固含量對浸漬后的紙張透明度及強度等性能的影響,如表2所示。

表2的結(jié)果表明,在一定范圍內(nèi),隨著透明劑固含量的提高,透明劑對紙張的有效浸漬量也有所增加,同時紙張的透明度相應(yīng)地得到改善,但紙張的相關(guān)物理強度指標(biāo)也有所降低。透明劑中的主劑承擔(dān)使紙張介質(zhì)均一的任務(wù),隨著透明劑固含量的增大,進(jìn)入紙張空隙中的有效組分增多,使得有效浸漬量增加,孔隙填充率提高,介質(zhì)更加均一,所以紙張透明度提高值有所增大。

表2 透明劑固含量對紙張性能的影響

此外,自制的透明劑即使在固含量較高(如30%)時,其黏度也仍保持在較低的水平(參考圖1),所以,從實驗結(jié)果來看,透明劑固含量在30%以下時,黏度的變化不會過多地影響透明劑對紙張的浸透性。值得注意的是,在固含量高于20%以后，紙張透明度上升趨勢平緩,當(dāng)固含量高于30%以后,紙張透明度又有所降低,這是因為透明劑固含量越高,黏度也越大,流動性和浸透性都變差,甚至?xí)诩垙埍砻婀袒赡?導(dǎo)致進(jìn)入紙張的透明劑的有效量減少,紙張透明度降低。因此該浸漬紙張的透明劑固含量以30%為宜。

2.2 浸漬時間對透明劑應(yīng)用性能的影響

透明劑對紙張的浸漬時間決定了其在紙張內(nèi)的有效留著率并進(jìn)而影響紙張的透明度、強度等性能。在其他條件相同的情況下,較長的浸漬時間,液體進(jìn)入纖維孔隙的量應(yīng)該就越多,但是紙張纖維網(wǎng)絡(luò)孔隙的量也是有限的,當(dāng)浸漬時間足夠長,液體填充纖維孔隙會達(dá)到或接近飽和,所以再繼續(xù)延長浸漬時間,也不會增加透明劑的浸漬量。實驗在透明劑固含量為30%,浸漬溫度為室溫時,考察了浸漬時間對紙張透明度、強度等性能的影響。

2.2.1 對紙張透明度的影響

圖2所示為浸漬時間對紙張透明度的影響。從圖2可以看出,當(dāng)浸漬時間為5 s時,紙張透明度此時達(dá)到了70.6%,紙張透明度比原紙?zhí)岣?4.2個百分點。隨著浸漬時間的延長,浸漬時間為60 s時，紙張透明度比原紙?zhí)岣?6.8個百分點,略高于浸漬5 s時的提高值。因此,此時通過繼續(xù)提高浸漬時間來提高紙張透明度已沒有意義。可以認(rèn)為透明劑具有快速滲透的特點。浸漬時,透明劑可快速進(jìn)入紙張內(nèi)部,填充到纖維的孔隙中,在較短時間內(nèi)使紙張內(nèi)的透明劑迅速達(dá)到或接近飽和,從而有利于實際生產(chǎn)應(yīng)用。

2.2.2 對紙張強度性能的影響

圖3、圖4及圖5分別為浸漬時間對紙張耐破度、抗張強度及撕裂度的影響曲線。

圖3～圖5的結(jié)果表明,透明劑處理紙張后,在較大幅度提高紙張透明度的同時,對紙張的強度性能有一定的不利影響。浸漬時間對紙張耐破指數(shù)和抗張指數(shù)的影響趨勢一致,浸漬時間為5 s左右時,即在自制透明劑處理紙張的初期,耐破指數(shù)和抗張指數(shù)的下降幅度較大,而后繼續(xù)延長浸漬時間,兩個物理指標(biāo)基本上無明顯變化。同樣,撕裂指數(shù)在浸漬前期降低較多,而后略有提高,超過20 s之后基本上變化不大。

透明劑對紙張強度的影響主要體現(xiàn)在浸漬初期,即液體進(jìn)入紙張時,在較短時間內(nèi)即對紙張透明度和纖維之間的結(jié)合力有較大程度的影響,再繼續(xù)延長浸漬時間則對紙張強度的影響程度變??；同時,要增加透明劑對纖維之間空隙的填充并最大限度地提高紙張透明度,適當(dāng)延長透明劑處理時間對提高紙張透明度是有利的。但是綜合考慮紙張物理強度的變化,以及延長浸漬時間對生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本、紙機操作等的不利影響等,確定實際生產(chǎn)中最佳浸漬時間為5 s。

圖2 浸漬時間對紙張透明度的影響

圖3 浸漬時間對紙張耐破指數(shù)的影響

圖4 浸漬時間對紙張抗張指數(shù)的影響

圖5 浸漬時間對紙張撕裂指數(shù)的影響

2.3 浸漬溫度對透明劑應(yīng)用性能的影響

固定透明劑固含量為30%,浸漬時間為5 s,在25～65℃范圍內(nèi)改變浸漬溫度,研究了浸漬溫度對透明劑浸漬紙張后紙張透明度、強度等性能的影響。

2.3.1 對透明度的影響

表3和圖6分別為浸漬溫度對其滲透性和紙張透明度的影響。

表3 浸漬溫度對透明劑浸透性能的影響

圖6 浸漬溫度對紙張透明度的影響

由表3和圖6可以看出,在一定范圍內(nèi),隨著浸漬溫度的提高,透明劑浸漬紙張后的有效浸漬量和透明度總體上變化不大。隨著浸漬溫度的提高,紙張透明度提高值變化趨勢并不明顯,在45℃時,透明度達(dá)到70.9%,透明度比原紙?zhí)岣咧?4.5個百分點,繼續(xù)提高浸漬溫度,透明度提高值反而略有下降。

理論上,隨著溫度的升高,透明劑分子運動劇烈,黏度減小,更有利于透明劑較充分地填充紙張空隙,從而提高浸漬量和紙張透明度。但是,實驗中發(fā)現(xiàn),隨浸漬溫度的提高,反而會影響透明劑的浸漬性能。透明劑較易受熱揮發(fā),使之變得黏稠而不易流動,阻礙了透明劑有效成分向紙張內(nèi)部的滲透,導(dǎo)致進(jìn)入紙張空隙的透明劑有效成分減少。因此溫度過高,有效浸漬量和透明度提高不明顯或有所降低。

2.3.2 對紙張強度性能的影響

圖7～圖9分別為浸漬溫度對紙張耐破指數(shù)、抗張指數(shù)及撕裂指數(shù)的影響曲線。

圖7 浸漬溫度對紙張耐破指數(shù)的影響

圖8 浸漬溫度對紙張抗張指數(shù)的影響

圖9 浸漬溫度對紙張撕裂指數(shù)的影響

從圖7～圖9可以看到,浸漬溫度對紙張耐破指數(shù)、抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)的影響趨勢基本相同,即當(dāng)透明劑的浸漬溫度從25℃提高到65℃時,紙張的耐破指數(shù)、抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)均呈下降趨勢。因此,透明劑的浸漬溫度不宜過高。

綜合紙張透明度和強度性能等因素,認(rèn)為可以在35～45℃范圍內(nèi)對紙張進(jìn)行透明劑浸漬處理較為適宜。

2.4 掃描電鏡觀察透明劑滲透情況

掃描電鏡采用極細(xì)的電子束在樣品表面掃描,將產(chǎn)生的二次電子用特制的探測器收集,形成電信號運送到顯像管,在熒光屏上顯示物體[9]。通過掃描電鏡可以觀察纖維表面形態(tài)。

紙樣經(jīng)切片、固定、鍍金后,在掃描電子顯微鏡上觀察,圖10和圖11為原紙、透明紙(經(jīng)透明劑處理后)的掃描電鏡照片。

圖10 原紙的掃描電鏡照片

圖11 透明紙的掃描電鏡照片

用掃描電鏡對紙樣照相,通過對放大500倍和1000倍的觀察發(fā)現(xiàn),原紙(圖10)纖維表面界限明顯,纖維間孔隙較多而且較大。從圖11中可以發(fā)現(xiàn),纖維表面明顯黏附著油質(zhì)發(fā)亮的物質(zhì),纖維直徑大于原紙纖維直徑,纖維間的孔隙變小且更加模糊,纖維趨向于均勻介質(zhì)。纖維表面和纖維間能夠清晰地看見透明劑存在,說明透明劑在原紙中有較好的留著。如此亦能說明透明劑提高紙張透明度的原因是透明劑黏附在植物纖維上,填充原紙的孔隙或使較大孔隙變小,排走了孔隙中的部分空氣,使其介質(zhì)均一度提高,所以使浸漬透明劑后的原紙透明度提高。

3 結(jié) 論

采用自制紙張透明劑浸漬處理紙張,紙張的透明度可以達(dá)到70%以上,比原紙?zhí)岣?0個百分點以上。適當(dāng)提高透明劑固含量有助于紙張透明度的提高,浸漬紙張的透明劑固含量以30%為最佳。透明劑具有快速滲透的效果,最佳浸漬時間為5 s；浸漬溫度在35～45℃范圍內(nèi)可有效浸漬紙張,紙張透明度可以達(dá)到較好效果。掃描電鏡分析表明,透明劑可有效地存留于紙張內(nèi)部,填充纖維間的孔隙,黏附在纖維表面,使紙張光學(xué)介質(zhì)更加均一。

透明劑浸漬紙張一定程度上會降低紙張的強度性能。隨著浸漬時間的延長,紙張強度降低會更加明顯,但較短時間的浸漬可以滿足某種特種紙張透明度和強度要求。

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(責(zé)任編輯：馬 忻)

Preparation and Application of Pape Transparent Agent

TIAN Long-gang*GAO Yu-jie GAO Li-min YUAN Xiao-jiao

(Tianjin Key Lab of Pulp & Paper, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin, 300457)

In this paper, the GWT transparent agent was prepared with complex formulation and the properties and applications of the transparent agent were studied in detail. The GWT transparent agent was a pale yellow emulsion with solids content 30% wt, refractive index 1.51 and viscosity 18.8mPa·s at 25℃. The GWT transparent agent could keep a stable property without layering and feculent in a long time under room temperature. The transparency of the paper treated with GWT transparent agent increased by 32.95% compared to the base paper, namely from 38.66% to 71.61%. At the same time, the mechanical strengthes of the paper were decreased. The transparent agent can be permeated into the paper rapidly under room temperature, the optimal permeating time was 5 seconds. The scanning electron microscopy analysis showed that, the transparent agent had a good retention rate in base paper with its adhesive ability to the fiber surface, and also the transparent agent could fill in the interspace beteeen the fibers.

transparent agent; transparency; transparent paper; physical strength

田龍鋼先生，在讀碩士研究生；主要研究方向：紙用透明劑的研究與開發(fā)。

2014- 12- 07(修改稿)

TS727+.2

A

0254- 508X(2015)05- 0023- 05