劉士亮 李廣勝

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州，510640)

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·新型表面施膠劑·

一種新型陽(yáng)離子復(fù)合表面施膠劑的研制及應(yīng)用

劉士亮 李廣勝

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州，510640)

研制了一種新型陽(yáng)離子復(fù)合(AKD-石蠟)表面施膠劑，考察了該施膠劑對(duì)瓦楞原紙的施膠效果。結(jié)果表明，自制新型陽(yáng)離子復(fù)合表面施膠劑制備工藝簡(jiǎn)單；相同施膠量下與陽(yáng)離子SAE施膠劑相比,新型陽(yáng)離子復(fù)合表面施膠劑施膠紙的縱向環(huán)壓指數(shù)、耐破指數(shù)和耐折度分別提高14%、8%和25%；當(dāng)施膠量為2 kg/t紙時(shí)，與陽(yáng)離子SAE施膠劑相比，表面施膠成本降低4元/t紙。

新型陽(yáng)離子復(fù)合表面施膠劑；紙張強(qiáng)度；防潮性能

眾所周知,為了滿足紙張的使用性能,有必要對(duì)紙張進(jìn)行施膠處理[1-2]。與國(guó)外造紙行業(yè)相比,我國(guó)的造紙施膠技術(shù)發(fā)展緩慢,很多造紙企業(yè)仍然采用國(guó)外幾十年前所采用的施膠技術(shù)和方法,隨著近年來造紙行業(yè)快速融入國(guó)際化和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇,國(guó)內(nèi)外的科研部門研發(fā)了一些表面施膠技術(shù)及表面施膠劑,如SAE(陽(yáng)離子苯乙烯丙烯酸酯)、AKD(烷基烯酮二聚體)等各類型表面施膠劑[3-12],但這些表面施膠還存在以下問題。

(1)表面施膠主要是酸性施膠,紙張容易返黃和發(fā)脆,對(duì)后續(xù)處理帶來不少困難。

(2)表面施膠的下機(jī)檢測(cè)指標(biāo)合格，但存放一段時(shí)間后容易返潮。

(3)AKD類表面施膠劑熟化時(shí)間較長(zhǎng),易返潮造成強(qiáng)度指標(biāo)衰減等,成本相對(duì)于苯丙類施膠劑沒有明顯優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)這些問題,筆者對(duì)國(guó)內(nèi)近年來發(fā)展迅速的AKD中性施膠技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化和改良,研究合成一種新型陽(yáng)離子復(fù)合表面施膠劑,以達(dá)到簡(jiǎn)化表面施膠劑制備工藝、縮短熟化時(shí)間、提高紙張強(qiáng)度等目的。

1 新型陽(yáng)離子復(fù)合表面施膠劑的制備及檢測(cè)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

HM-633A陽(yáng)離子淀粉,工業(yè)級(jí),東莞市匯美淀粉科技有限公司；NX-10羧甲基纖維素(CMC),工業(yè)級(jí),江陰市恒達(dá)化工有限公司；烷基烯酮二聚體(AKD),工業(yè)級(jí),蘇州天馬精細(xì)化學(xué)品股份有限公司；昆侖牌58#石蠟,工業(yè)級(jí)；一級(jí)松香,工業(yè)級(jí)；HG01陽(yáng)離子乳化劑；表面活性劑,江蘇四新界面劑科技有限公司；穩(wěn)定劑；陽(yáng)離子SAE表面施膠劑,東莞某造紙材料廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

DF-101S集熱式恒溫水浴鍋,鞏義市予華儀器有限公司；JJ200電子天平,常熟市雙杰測(cè)試儀器廠；pH計(jì)；NDJ-8S數(shù)顯黏度計(jì),上海平軒科學(xué)儀器有限公司；101-1電熱恒溫干燥箱,廣州市康恒儀器有限公司；Mastersizer2000激光粒度分析儀,ZEN3600電位儀。

1.3 新型陽(yáng)離子復(fù)合表面施膠劑的制備方法

筆者在傳統(tǒng)AKD中性施膠乳液制備設(shè)備的基礎(chǔ)上[12],對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化和改良,發(fā)明了專用的生產(chǎn)反應(yīng)器，見圖1。

圖1 新型陽(yáng)離子復(fù)合表面施膠劑生產(chǎn)反應(yīng)器

具體操作步驟如下：

(1)將50份去離子水+1份陽(yáng)離子淀粉+1份CMC攪拌至溶解。

(2)加熱升溫至95℃左右糊化通透,此時(shí)為灰色。

(3)加1份一級(jí)松香待完全溶解后(微黃色),緩慢加入4份陽(yáng)離子乳化劑,勻速攪拌,90℃保溫反應(yīng)30～60 min(周邊會(huì)有少量氣泡)。

(4)加4份AKD,此時(shí)加大轉(zhuǎn)速,控制膨脹氣泡,完全溶解后(溶解時(shí)間很短),馬上加2份石蠟、0.5份表面活性劑,石蠟溶解(溶解時(shí)間很短)后,停止加熱,80～90℃保溫10 min,降溫到60～70℃左右加入穩(wěn)定劑,勻速攪拌。

(5)用凍水迅速冷卻,常溫25℃左右出料,得到自制新型陽(yáng)離子復(fù)合表面施膠劑(以下簡(jiǎn)稱復(fù)合表面施膠劑)。

(6)表觀檢測(cè)。將復(fù)合表面施膠劑用清水試驗(yàn),滴一點(diǎn)復(fù)合表面施膠劑在清水表面,其應(yīng)呈現(xiàn)分散快、水面成一層均一薄膜，分絲狀；下沉很慢,霧狀懸浮在水中；膠體呈微黃乳白色。

1.4 復(fù)合表面施膠劑特征檢測(cè)方法

(1)固含量：將復(fù)合表面施膠劑在105℃的烘箱中烘干2 h后取出,在干燥器中冷卻至室溫,稱取固含量進(jìn)行計(jì)算。

(2)pH值：采用pH計(jì)進(jìn)行檢測(cè)。

(3)黏度：在室溫下使用1#轉(zhuǎn)子,在60 r/min的條件下檢測(cè)。

(4)平均粒徑：采用激光顆粒度分析儀進(jìn)行檢測(cè)。

(5)Zate 電位：采用電位儀檢測(cè)。

1.5 復(fù)合表面施膠劑特征指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

復(fù)合表面施膠劑特征指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 復(fù)合表面施膠劑性能指標(biāo)

形態(tài)固含量/%pH值黏度/mPa·s平均粒徑/μm穩(wěn)定性乳白色液體157-930-10050.1761個(gè)月

2 復(fù)合表面施膠劑的應(yīng)用

將復(fù)合表面施膠劑對(duì)瓦楞原紙進(jìn)行表面施膠應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，考察其對(duì)紙張性能的影響，并與陽(yáng)離子SAE施膠劑的施膠效果進(jìn)行對(duì)比。

本實(shí)驗(yàn)表面施膠方法為：將表面施膠液置于75℃恒溫水浴鍋內(nèi)保溫,施膠速度為5×6 mm/s,對(duì)瓦楞原紙的正面進(jìn)行表面施膠,施膠后放至鼓風(fēng)干燥箱干燥,干燥箱溫度為80℃；紙張干燥后，在重物下平壓12 h,平衡水分后,稱量質(zhì)量,計(jì)算施膠量。反面的施膠操作同正面,平衡水分后,測(cè)試紙張性能。

2.1 成膜對(duì)比

通過掃描電鏡對(duì)未施膠瓦楞原紙、復(fù)合表面施膠劑和陽(yáng)離子SAE表面施膠后的瓦楞原紙進(jìn)行觀察,對(duì)比電鏡照片,比較成膜性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 未表面施膠瓦楞原紙(×600)

圖2 復(fù)合表面施膠劑施膠后瓦楞原紙(×600)

圖3 陽(yáng)離子SAE施膠后瓦楞原紙(×600)

由圖1～圖3可知，與未表面施膠的紙張表面相比,無(wú)論是陽(yáng)離子SAE施膠劑還是復(fù)合表面施膠劑,施膠后的成膜性都比較好,構(gòu)成紙張的纖維間隙被表面施膠劑良好的填充,纖維間結(jié)合的更加緊密,從而賦予紙張良好的表觀性能。

2.2 復(fù)合表面施膠劑施膠對(duì)紙張性能的影響

表2為復(fù)合表面施膠劑對(duì)紙張PPS粗糙度及防水性能的影響。由表2可知,與未施膠瓦楞原紙相比,復(fù)合表面施膠劑施膠后瓦楞原紙的抗水性明顯提高,紙張緊度及PPS粗糙度沒有明顯的變化。與陽(yáng)離子SAE施膠的瓦楞原紙相比，復(fù)合表面施膠劑施膠紙的Cobb值降低,說明施膠紙的防水性能有所改善。

表3為復(fù)合表面施膠劑對(duì)紙張強(qiáng)度性能的影響。由表3可知，與未表面施膠瓦楞原紙相比，復(fù)合表面施膠劑對(duì)紙張強(qiáng)度的提高非常顯著，如縱向環(huán)壓指數(shù)由2.1 N·m/g提高到4.0 N·m/g,耐折度由11次提高到15次,挺度由37.2 mN·m提高到48.2 mN·m,從這個(gè)角度來看,它不僅是一種較好的表面施膠劑,也是一種性能優(yōu)良的紙張?jiān)鰪?qiáng)劑；另外，在相同施膠量下，與陽(yáng)離子SAE表面施膠結(jié)果相比，復(fù)合表面施膠劑具有更好的紙張?jiān)鰪?qiáng)效果,縱向環(huán)壓指數(shù)、耐破指數(shù)和耐折度分別提高14%、8%和25%。

2.3 復(fù)合表面施膠劑施膠后紙張防潮性能的檢測(cè)

評(píng)價(jià)一種表面施膠劑的效果優(yōu)劣,其防潮性能也是重點(diǎn)考慮的一個(gè)要素,特別是對(duì)南方地區(qū)的包裝用紙,只有具備較好的防潮功能,才更適合實(shí)際生產(chǎn)和下游用戶的需要。復(fù)合表面施膠劑表面施膠后紙張的防潮性能檢測(cè)結(jié)果見表4。

由表4紙張吸潮后結(jié)果可以看出,經(jīng)復(fù)合表面施膠劑施膠后紙張回潮率為32.6%。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

當(dāng)施膠劑用量大約為2 kg/t紙時(shí),使用復(fù)合表面施膠劑(固含量15%)按6000元/t計(jì)算,則施膠成本12元/t紙。而現(xiàn)在市場(chǎng)上常用的陽(yáng)離子SAE表面施膠劑(固含量30%),市場(chǎng)價(jià)一般為8000元/t,則施膠成本16元/t,因此,使用復(fù)合表面施膠劑可降低生產(chǎn)成本4元/t,這對(duì)于生產(chǎn)量大的紙廠來說,經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

表2 復(fù)合表面施膠劑對(duì)紙張粗糙度及防水性能的影響

瓦楞原紙定量/g·m-2厚度/μm緊度/g·cm-3PPS粗糙度/μmCobb60值/g·m-2未表面施膠87.0158.60.558.5476.54復(fù)合表面施膠劑施膠94.1159.30.599.2320.85陽(yáng)離子SAE施膠94.2160.00.589.2726.53

表3 復(fù)合表面施膠劑對(duì)紙張強(qiáng)度性能的影響

瓦楞原紙定量/g·m-2縱向環(huán)壓指數(shù)/N·m·g-1耐破指數(shù)/kPa·m2·g-1耐折度/次縱向抗張指數(shù)/N·m·g-1撕裂指數(shù)/mN·m2·g-1挺度/mN·m未表面施膠87.02.11.181135.176.0337.2復(fù)合表面施膠劑施膠94.14.01.431539.006.0948.2陽(yáng)離子SAE施膠94.23.51.371239.206.0848.5

表4 復(fù)合表面施膠劑施膠后紙張防潮性能檢測(cè)結(jié)果

平衡前平衡后吸潮后實(shí)測(cè)定量/g·m-2橫向環(huán)壓指數(shù)/N·m·g-1均值橫向環(huán)壓指數(shù)/N·m·g-1均值橫向環(huán)壓指數(shù)/N·m·g-1均值回潮率/%1318.31328.51339.01319.01328.31289.01338.81359.48.88.89.79.49.29.29.48.89.29.26.36.56.46.16.36.05.66.66.232.61

注 此方法為生產(chǎn)企業(yè)的檢測(cè)方法,實(shí)驗(yàn)用紙為130 g/m2瓦楞原紙。檢測(cè)環(huán)境：溫度22℃,濕度50%；平衡條件：紙樣在溫度23℃、濕度50%的恒溫恒濕箱中放置4 h；吸潮條件：紙樣在溫度25℃、濕度90%恒溫恒濕箱中放置2 h。

3 結(jié) 論

3.1 與市場(chǎng)常用的表面施膠劑相比，自制的新型陽(yáng)離子復(fù)合表面施膠劑制備工藝簡(jiǎn)單、高效。

3.2 與陽(yáng)離子SAE表面施膠劑相比,新型陽(yáng)離子復(fù)合表面施膠劑施膠紙張的縱向環(huán)壓指數(shù)、耐破指數(shù)、耐折度分別提高14%、8%和25%。

3.3 新型陽(yáng)離子復(fù)合表面施膠劑紙張回潮率為32.6%。

3.4 當(dāng)施膠劑用量約為2 kg/t紙時(shí)，與陽(yáng)離子SAE表面施膠劑相比,新型陽(yáng)離子復(fù)合表面施膠劑施膠生產(chǎn)成本降低4元/t紙。

[1] Yang Xiang-ping.Research Development of Surface Sizing Agent in Paper Industry[J].China Pulp & Paper Industry,2009,30(22):59.

楊向平.造紙工業(yè)表面施膠劑的研究進(jìn)展[J].中華紙業(yè),2009,30(22):59.

[2] Guo Sheng-nan,Zou Qi-chao.Research and Application in Surface Sizing Agent of Papermaking[J].Chinese Journal of Colloid Polymer,2012,30(2):87.

郭勝男,鄒其超.造紙用表面施膠劑的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].膠體與聚合物,2012,30(2):87.

[3] YI Yu-lin,DING Guo-ji,ZHU Yong-qiang,et al.Synthesis and Application of Surface Sizing Agent Based on Reactive Emulsifier[J].China Pulp & Paper,2008,27(4):27.

易玉林,丁國(guó)際,朱勇強(qiáng),等.反應(yīng)型乳化劑表面施膠劑的制備及應(yīng)用[J].中國(guó)造紙,2008,27(4):27.

[4] Betremieux,Usseaux,Stoph,et a1.Hydrophobic cationic dispersion stabilized by low molecular weight maleimide copolymers for paper sizing:US,6830657[P].2004-11-04.

[5] Kohler A,Martin G,Weigl C,et al.Surface finishing of paper or board,and agent for this purpose:US,20040149408A1[P].2004-08-05.

[6] Lipponen J,Gron J,Bruun S E.Surface sizing with starch solutions at solids contents up to 30%[J].Professional Papermaking,2003(1)：55.

[7] Chen Fu-shan,Wang Shang-ling,Wang Song-lin,et al.AKD Emulsified with Polyethylene in Ine and Its Sizing Performance[J].China Pulp & Paper,2010,29(2):6.

陳夫山,王尚玲,王松林,等.聚乙烯亞胺乳化型AKD乳液的制備及施膠性能的研究[J].中國(guó)造紙,2010,29(2):6.

[8] Liu Xiang-hui,Hu Hui-ren.The Preparation and Application of SAE surface sizing agent[J].Tianjin Papermaking,2009,31(4):8.

劉向輝,胡惠仁.SAE聚合物表面施膠劑的制備及應(yīng)用[J].天津造紙,2009,31(4):8.

[9] WANG Run-chen,LI Xiao-rui,FEI Gui-qiang,et al.Study on Surface Sizing and Strengthing Function of a Cationic Active Polymer/AKD Hybrid Emulsion[J].China Pulp & Paper,2010,29(1):27.

王潤(rùn)辰,李小瑞,費(fèi)貴強(qiáng),等.陽(yáng)離子活性聚合物/AKD乳液的施膠和增強(qiáng)作用[J].中國(guó)造紙,2010,29(1):27.

[10] XING Ren-wei,PENG Cui-cui,CHEN Fu-shan.The Control of AKD Surface Sizing Agent Production Technology[J].China Pulp & Paper,2010,29(4):59

邢仁衛(wèi),彭翠翠,陳夫山.表面施膠型AKD乳液的生產(chǎn)工藝控制[J].中國(guó)造紙,2010,29(4):59.

[11] Reiner Exner.Synthesis and application of polymer sizing agents[J].Paper Technology,2002(7):45.

[12] LIU Shi-liang,CAO Guo-ping,LI Guang-sheng.One-step Process for AKD Neutral Sizing Emulsion Preparation[J],China Pulp & Paper,2011,30(4):74.

(責(zé)任編輯：常 青)

Preparation and Application of the New Cationic Composite Surface Sizing Agent

LIU Shi-liang*LI Guang-sheng

(StateKeyLabofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince,510640)(*E-mail:liushiliang1974@126.com)

A new type of cationic composite surface sizing agent which was developed on the basis of traditional AKD neutral size was introduced.Comparing with common cationic SAE sizing agent,the preparation of new composite cationic surface sizing agent was simple,on the paper MD ring crush index,burst index and folding strength increased by 14%,8% and 25%.When sizing amount was 2 kg/t paper,surface sizing cost reduced 4 yuan/ton.

cationic composite surface sizing; paper strength; moisture-proof

劉士亮先生，博士；主要研究方向：造紙高新技術(shù)、新型高效磨漿技術(shù)及設(shè)備、填料改性技術(shù)的研發(fā)。

2014-09-01(修改稿)

TS727+.2

A

0254-508X(2015)02-0025-04