原位合成硅酸鎂鋁制備低溫型隔熱紙

莫繼承 于 鋼 陳 宇 閆曉婷 張 穎

(1．東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150040;2．天津科技大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，天津，300222)

原位合成硅酸鎂鋁制備低溫型隔熱紙

莫繼承1于 鋼1陳 宇1閆曉婷2張 穎2

(1．東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150040;2．天津科技大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，天津，300222)

以硅酸鈉、硫酸鋁和硫酸鎂為原料，在闊葉木漿纖維的細(xì)胞腔和細(xì)胞壁中原位合成硅酸鎂鋁，并用該復(fù)合纖維抄造低溫型保溫隔熱紙。實(shí)驗(yàn)確定了在纖維細(xì)胞內(nèi)原位合成硅酸鎂鋁制備復(fù)合纖維的最佳工藝條件：硅酸鈉用量4．72 g/g絕干漿、硫酸鋁用量7．43 g/g絕干漿、硫酸鎂用量10．51 g/g絕干漿、反應(yīng)時(shí)間30 min、反應(yīng)溫度70℃。該條件下制備的復(fù)合纖維抄造隔熱紙，紙張的導(dǎo)熱系數(shù)為0．051 W/(m·K)，比直接用闊葉木漿抄造的空白樣下降了38．55%，白度提高了32%，強(qiáng)度略有下降。用掃描電子顯微鏡-能譜 (SEM-EDAX)對合成硅酸鎂鋁產(chǎn)物及隔熱紙的結(jié)構(gòu)、性能進(jìn)行分析表明，硅酸鎂鋁在纖維細(xì)胞內(nèi)有沉積。

原位合成;硅酸鎂鋁;隔熱紙

采用良好的保溫隔熱材料有利于降低產(chǎn)品能耗和生產(chǎn)成本，增加設(shè)備使用壽命等，具有可觀的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益［1］。硅酸鎂鋁是一種質(zhì)軟、滑爽、無毒無味的白色粉末，不溶于水，在水中可膨脹成較原來體積大許多倍的分散體系，且能保持較長時(shí)間的穩(wěn)定，也是一種最為常用的優(yōu)良保溫隔熱材料，它的導(dǎo)熱系數(shù)只有0．045 W/(m·K)(60℃)，低于微孔硅酸鈣、復(fù)合硅酸鹽、巖棉等優(yōu)質(zhì)保溫隔熱材料［2-3］。低溫型保溫隔熱紙是指在較低的使用溫度 (＜100℃)下、一定時(shí)間內(nèi)保留物質(zhì)的熱量不散發(fā)的特種紙。之前，筆者所在課題組已經(jīng)對單種無機(jī)隔熱材料在植物纖維中的沉積情況以及所制備隔熱紙的隔熱性能進(jìn)行了研究［4-5］。

本實(shí)驗(yàn)以硅酸鈉、硫酸鋁和硫酸鎂為原料，通過原位合成在紙漿纖維的細(xì)胞腔和細(xì)胞壁中合成復(fù)合保溫隔熱材料——硅酸鎂鋁，用這種纖維制備在低溫下使用的保溫隔熱紙，實(shí)驗(yàn)確定了合成的最佳工藝條件，并對硅酸鎂鋁在纖維上的沉積情況及成紙的結(jié)構(gòu)和保溫隔熱性能進(jìn)行表征。硅酸鈉、硫酸鋁和硫酸鎂反應(yīng)生成硅酸鎂鋁沉淀的反應(yīng)方程式如下：

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及藥品

漂白闊葉木漿板，牡丹江恒豐紙業(yè)有限公司提供;Na2SiO3·6H2O、Al2(SO4)3·18H2O、MgSO4·7H2O，分析純，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司提供;陽離子聚丙烯酰胺 (CPAM)，相對分子質(zhì)量為500萬，天津市江天化工有限公司提供;實(shí)驗(yàn)室用水均為去離子水。

1.2 儀器與設(shè)備

HH系列恒溫水浴，江蘇金壇中大儀器廠;S-212型恒速攪拌器，上海申勝技術(shù)有限公司;ZQJ1-B-Ⅱ型紙樣成形器，陜西科技大學(xué)機(jī)械廠;YQ-Z-48A型白度顏色測定儀，杭州輕通儀器開發(fā)公司;ZDNP-1型電子式紙張耐破度儀，長春市月明小型試驗(yàn)機(jī)有限公司;ZL-300A紙與紙板抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)，長春市紙張?jiān)囼?yàn)廠;ZSE-1000紙張撕裂度測定儀，長春市小型試驗(yàn)機(jī)廠;DRX-Ⅱ-PB型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，湘潭華豐儀器制造有限公司;QUANTA 200型掃描電鏡及EDAX能譜儀，美國FEI公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 打漿

將疏解后的闊葉木漿在1．6%的濃度下在打漿機(jī)中進(jìn)行打漿，將紙漿打至57°SR的打漿度。放置48 h后，測定水分，備用。

1.3.2 復(fù)合纖維的制備

先將水浴調(diào)至預(yù)定的恒定溫度，將硅酸鈉配制成150 mL溶液，然后稱取所需的漿量，裝入三口瓶中，在預(yù)定的攪拌速度下使硅酸鈉溶液充分進(jìn)入到纖維細(xì)胞腔內(nèi)后，用濾網(wǎng)將漿料濾出，然后將洗后纖維重新放入三口瓶內(nèi)，加入硫酸鋁和硫酸鎂溶液 (150 mL)充分?jǐn)嚢柚练磻?yīng)結(jié)束。反應(yīng)結(jié)束后用清水洗滌，備用。

1.3.3 保溫隔熱紙的制備

加入用量為1．2%的CPAM(相對絕干漿)，在ZQJ1-B-Ⅱ型紙樣成形器上抄造手抄片，定量為80 g/m2，烘干備用。同時(shí)取相同量的漂白闊葉木漿抄造空白樣，以進(jìn)行對照。

1.3.4 分析與檢測

紙張灰分、白度、抗張強(qiáng)度、撕裂度、耐破度分別按相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測［6］，用DRX-Ⅱ-PB型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測定各試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。

紙張經(jīng)處理后用掃描電子顯微鏡-能譜 (SEMEDAX)分析硅酸鎂鋁在纖維上的沉積和分布情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按硅酸鎂鋁合成影響因子和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，在硅酸鈉用量9．89 g/g絕干漿條件下設(shè)計(jì)三因素四水平正交實(shí)驗(yàn) (見表1)，以紙張的灰分為衡量標(biāo)準(zhǔn)，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可見，原位合成硅酸鎂鋁的最佳方案為A3、B2、C3，由此可確定最佳工藝條件為：反應(yīng)溫度70℃，反應(yīng)時(shí)間30 min，硫酸鋁用量7．43 g/g絕干漿，硫酸鎂用量10．51 g/g絕干漿。

2.2 隔熱紙的物理性能檢測

2.2.1 Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型隔熱紙的制備

在反應(yīng)溫度70℃，反應(yīng)時(shí)間30 min，硫酸鋁用量7．43 g/g絕干漿，硫酸鎂用量10．51 g/g絕干漿條件下，分別抄造Ⅰ型 (硅酸鈉用量4．72 g/g絕干漿)、Ⅱ型 (硅酸鈉用量9．89 g/g絕干漿)、Ⅲ型(硅酸鈉用量18．42 g/g絕干漿)隔熱紙，然后進(jìn)行檢測。

2.2.2 紙張物理性能檢測

空白樣與3種隔熱紙強(qiáng)度性能及白度指標(biāo)如表3所示。由表3可知，隨著硅酸鈉用量的增加，隔熱紙的白度也隨之升高，這是由于硅酸鎂鋁的白度較高所致，這從另一方面也證明纖維中存在硅酸鎂鋁，可以認(rèn)為硅酸鎂鋁主要存在于纖維細(xì)胞中或附著在纖維表面。表3還顯示出隔熱紙的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)都隨著硅酸鈉用量的增加而下降，這是由于在沖洗過程中部分細(xì)小纖維的流失，減少了纖維的結(jié)合面積和沖洗后長纖維分絲帚化處仍黏附的硅酸鎂鋁粒子，影響了纖維之間的結(jié)合。但是Ⅰ型隔熱紙的強(qiáng)度與空白樣相差較小，此時(shí)隔熱紙的白度比空白樣提高了32%。

表3 空白樣與隔熱紙的強(qiáng)度及白度性能對比

2.2.3 紙張導(dǎo)熱系數(shù)檢測

硅酸鎂鋁、隔熱紙與空白樣導(dǎo)熱系數(shù)如圖1所示。由圖1可知，隔熱紙的導(dǎo)熱系數(shù)介于硅酸鎂鋁與空白樣之間，這也說明隔熱紙中有硅酸鎂鋁存在。由于硅酸鎂鋁在Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型隔熱紙中的沉積率相差較小 (Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型隔熱紙硅酸鎂鋁沉積率分別為22．7%、26．4%、29．3%)，從而導(dǎo)致3種隔熱紙的導(dǎo)熱系數(shù)相差較小。由圖1還可知，Ⅰ型隔熱紙的隔熱系數(shù)最小，較空白樣相比，隔熱系數(shù)下降了38．6%，在此條件下，隔熱紙的隔熱性能最佳。

圖1 硅酸鎂鋁、隔熱紙和空白樣的導(dǎo)熱系數(shù)

2.3 隔熱紙的SEM觀察和SEM-EDAX分析

圖2和圖3是空白樣與隔熱紙表面的SEM照片，比較圖2和圖3，發(fā)現(xiàn)空白樣表面只有交織的纖維，纖維外壁較光滑，而隔熱紙表面除纖維外，還有明顯的白色物質(zhì)即反應(yīng)生成的硅酸鎂鋁。圖4和圖5則反映了空白樣和隔熱紙的纖維外表面及細(xì)胞腔中是否有硅酸鎂鋁沉積的情況，從圖5可明顯的看到纖維外表面和細(xì)胞腔內(nèi)壁表面中較圖4的空白樣纖維多了白色的沉積物，即硅酸鎂鋁。

圖6為反應(yīng)溫度70℃，反應(yīng)時(shí)間30 min，硅酸鈉用量4．72 g/g絕干漿，硫酸鋁用量7．43 g/g絕干漿，硫酸鎂用量10．51 g/g絕干漿條件下制得的隔熱纖維細(xì)胞腔內(nèi)壁能譜分析定位圖，圖6中方框內(nèi)部分的能譜分析結(jié)果見圖7和表4。由圖7可見，隔熱紙纖維細(xì)胞腔能譜圖中含有硅、氧、鎂、鋁元素的峰以及表4中纖維內(nèi)壁元素分析的結(jié)果，都表明硅酸鎂鋁在細(xì)胞腔內(nèi)壁上有沉積。

表4 隔熱纖維細(xì)胞內(nèi)壁元素分析

3 結(jié)論

3.1 以硅酸鈉、硫酸鋁和硫酸鎂為原料，在闊葉木漿纖維的細(xì)胞腔和細(xì)胞壁中原位合成硅酸鎂鋁，并用該復(fù)合纖維抄造低溫型保溫隔熱紙。原位合成硅酸鎂鋁制備復(fù)合纖維抄造隔熱紙的最佳工藝條件為：硅酸鈉用量4．72 g/g絕干漿，硫酸鋁用量7．43 g/g絕干漿，硫酸鎂用量10．51 g/g絕干漿，反應(yīng)溫度70℃，反應(yīng)時(shí)間30 min。在該條件下制備的硅酸鎂鋁隔熱紙的導(dǎo)熱系數(shù)為0．051 W/(m·K)，與直接用闊葉木漿抄造的空白樣相比，導(dǎo)熱系數(shù)下降了38．55%，白度提高了32%，強(qiáng)度略有下降。

3.2 通過對隔熱紙表面和隔熱紙纖維橫切面的SEM觀察和掃描能譜分析，發(fā)現(xiàn)紙漿纖維細(xì)胞內(nèi)有硅酸鎂鋁沉積。

［1］ 章橋新，確付強(qiáng)．新型高溫復(fù)合隔熱紙的制備與性能研究［J］．中國造紙，2008，27(7)：22．

［2］ 許惠英．鹽鹵水制備硅酸鎂鋁［J］．杭州化工，2001，31(2)：26．

［3］ 石致遠(yuǎn)．石棉硅酸鎂鋁絕熱材料的應(yīng)用［J］．石油化工設(shè)備技術(shù)，1994，15(1)：60．

［4］ 劉 焱，于 鋼．原位沉積硅酸鋁制備隔熱紙［J］．中國造紙，2010，29(5)：25．

［5］ 莫繼承，于 鋼，劉 焱，等．原位合成硅酸鈣制備保溫隔熱紙［J］．中國造紙，2011，30(6)：17．

［6］ 石淑蘭，何福望．制漿造紙分析與檢測［M］．北京：中國輕工業(yè)出版社，2003．

Manufacture of Low Temperature Type Heat Insulation Paper Based on In-situ Synthesis of Magnesium Aluminum Silicate

MO Ji-cheng1YU Gang1，*CHEN Yu1YAN Xiao-ting2ZHANG Ying2
(1．Materials Science and Engineering College，Northeast Forestry University，Harbin，Heilongjiang Province，150040;2．College of Material Science＆ Chemical Engineering，Tianjin University of Science＆ Technology，Tianjin，300222)

The feasibility and process conditions of heat insulation paper manufacture based on in-situ synthesis of magnesium aluminum silicate in the hard wood pulp fibers were investigated．The results indicated that the better process conditions for manufacture of magnesium aluminum silicate heat insulation paper as the follows：the concentration of sodium silicate was 0．5 mol/L，the volume ratio of alumina sulfate(23 mol/L)and magnesium sulfate(1 mol/L)solution was 4∶6，the reaction time and temperature was 30 min and 70℃ respectively．Compared with the base paper，coefficient of heat conductivity of the paper reduced by 38．55%，and the brightness increased by 32%，however，the strength was lower than base paper．The synthetic material，microstructure and properties of the heat insulation paper were observed by SEM-EDAX．The results showed that the manufacture condition was easy to fulfill;the magnesium aluminum silicate was deposited on the fibers surface and in the fiber cells．

in-situ synthesis;magnesium aluminum silicate;heat insulation paper

TS7611．2

A

0254-508X(2012)02-0011-04

莫繼承先生，在讀碩士研究生;主要研究方向：特種紙與加工紙。

2011-10-17(修改稿)

東北林業(yè)大學(xué)研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目 (gram09)。

(*E-mail：yugang．925@163．com)

(責(zé)任編輯：郭彩云)