透明劑的浸漬與漿內(nèi)添加對紙頁透明度及強度的影響

孫世杰，高玉杰，馬曉博，王 偉

(天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學材料科學與化學工程學院，天津 300457)

透明或半透明紙正以更廣闊的用途進入社會生活中．要得到透明度高的紙，一般需要更高的打漿度來達到要求，造成能耗增大．采用紙頁透明劑生產(chǎn)透明紙用來代替高打漿度法生產(chǎn)透明紙，可以降低能耗，節(jié)約生產(chǎn)成本[1-2]．作為一種造紙助劑，對紙頁透明劑的研究越來越引起人們的重視，開發(fā)效果好、成本低的紙頁透明劑，將具有重大的理論和實際意義．

本文分別從透明劑的浸漬和漿內(nèi)添加對紙頁透明度及強度的影響2個方面進行研究，考察了自制丙烯酸酯類透明劑應用條件對紙頁透明性質及強度性能的影響并取得透明劑的最佳使用條件．

1 材料與方法

1.1 原料

針葉木漂白硫酸鹽漿、闊葉木漂白硫酸鹽漿、自制丙烯酸酯類透明劑[3-4]．

1.2 實驗方法

1.2.1 原紙抄造

漂白針葉木漿板或闊葉木漿板經(jīng)浸泡、打散，用970154型纖維疏解機疏解后，濃縮至漿濃為10%，在PFI磨中打至要求的打漿度；將針葉木硫酸鹽漿和闊葉木硫酸鹽漿按7∶3的質量比(相對于絕干漿)混合均勻，調節(jié)pH＝7.5；加入相關助劑．在Rapid-K6then型紙頁成形器上抄制 35,g/m2手抄片，用作浸涂原紙備用．

1.2.2 浸漬

將原紙平放在盛滿透明劑乳液的玻璃皿中，浸漬一定時間后取出，刮除紙面多余的透明劑，然后在鼓式干燥器中干燥后測定紙頁透明度及強度．

1.2.3 漿內(nèi)添加

將針葉木硫酸鹽漿和闊葉木硫酸鹽漿按照 7∶3的質量比(相對于絕干漿)混合均勻，加入一定用量的透明劑乳液及相關助劑，混合均勻后在抄片器上抄制35,g/m2手抄片，測定紙頁透明度及強度．

2 結果與討論

2.1 透明劑浸漬處理條件的確定

2.1.1 透明劑乳液固含量對紙頁透明度的影響

按一定的配方制備特定的丙烯酸酯類透明劑樣品．透明劑經(jīng)合成后，固含量約為 40%．為尋找對紙頁處理的最佳乳液濃度，將透明劑乳液調配成不同的固含量，在固定其他條件(溫度 40,℃，相同液位高度，浸漬時間60,s)下浸漬紙頁，考察乳液固含量對紙頁透明度及定量的影響，結果見圖1、表1．

圖1 不同固含量對紙頁透明度的影響Fig.1 Effect of different solid content on the transparency of paper

表1 不同固含量透明劑浸漬處理前后紙頁的定量Tab.1 Paper basis weight changes after dipping treatment with transparent agent of different solid content

實驗結果表明，在一定范圍內(nèi)，隨著透明劑乳液固含量的提高，浸漬后紙頁透明度也隨之提高．在透明劑乳液固含量高于 20%以后，透明度上升趨勢變緩，當透明劑乳液固含量高于 35%以后，紙頁透明度又會降低．這是因為固含量太高，透明劑乳液黏度升高，進入紙頁的透明劑的量減少，導致紙頁透明度有所降低，此點可從表 1的定量變化得到證明．浸漬紙頁的透明劑乳液固含量以35%為宜，在此固含量下透明劑樣品可取得較高的透明度．

2.1.2 浸漬時間對紙頁透明度的影響

透明劑對紙頁的浸漬時間將會影響紙頁的最終透明度．在 40,℃、透明劑乳液固含量為 35%情況下處理紙頁，考察浸漬時間對紙頁透明度的影響，實驗結果如圖2所示．

圖2 不同浸漬時間對紙頁透明度的影響Fig.2 Effect of dipping time on the transparency of paper

由圖 2可知，較適宜的浸漬時間為 30,s，此時可取得較高的紙頁透明度，繼續(xù)延長浸漬時間，紙頁透明度沒有提高．在適宜的浸漬溫度下，透明劑以較快速度浸入到紙頁內(nèi)部，充填紙頁中的孔隙，形成光學性質更均一的介質層[5]，使紙頁的透明度得以提高．然而，當透明劑浸透到紙頁中的孔隙基本達到飽和時，再繼續(xù)延長浸漬時間，紙頁所吸附的透明劑量沒有太大的變化．

2.1.3 浸漬溫度對紙頁透明度的影響

紙頁在透明劑乳液固含量為35%情況下，采用不同的浸漬溫度處理紙樣 30,s，紙頁透明度隨浸漬溫度的變化情況如圖3所示．

圖3 不同浸漬溫度對紙頁透明度的影響Fig.3 Effect of dipping temperature on the transparency of paper

結果表明：在 40,℃之前，隨著浸漬溫度的提高，浸漬后紙頁的透明度不斷提高；在溫度為 40,℃左右時，紙頁透明度達到極大值；隨后繼續(xù)提高溫度，紙頁透明度有所降低．當浸漬溫度超過 50,℃或更高時，實驗發(fā)現(xiàn)在浸漬用的乳液表面有少許固化現(xiàn)象，固化形成一層透明的膜或透明的塊狀物，會使得浸到紙中的透明劑乳液中的有效物含量相對降低，乳液中的有效成分的減少會影響到浸漬后紙頁的透明度．所以確定本透明劑處理紙頁較適宜的浸漬溫度為 40,℃．

2.1.4 干燥條件對紙頁透明度的影響

用固含量35%的丙烯酸酯類透明劑處理原紙，在浸漬時間30,s、浸漬溫度40,℃的條件下，考察干燥條件對紙頁透明度的影響．干燥條件設為 A(50,℃，30,min)、B(70,℃ ，20,min)、C(90,℃ ，10,min)、D(110,℃，5,min)．干燥條件對紙頁透明度的影響如圖4所示．實驗結果表明，當干燥溫度為90,℃、干燥時間為10,min時，干燥后紙頁透明度最高．實驗中發(fā)現(xiàn)干燥溫度較低、時間較長時，透明劑有向紙頁表面遷移現(xiàn)象，紙頁表面有一定的黏性，不利于紙頁的使用和儲存；而干燥溫度過高，透明劑固化速度快，致使透明度較低，同時紙頁較脆．

圖4 干燥條件對紙頁透明度的影響Fig.4 Effect of drying conditions on the transparency of paper

2.2 透明劑浸漬處理對紙頁強度性質的影響

用固含量35%的丙烯酸酯類透明劑處理原紙，浸漬溫度40,℃，浸漬時間為30,s，紙樣干燥溫度和時間分別為 90,℃和 10,min，考察丙烯酸酯類透明劑對紙頁強度性質的影響，結果見表2．

表2 透明劑浸漬處理對紙頁強度性質的影響Tab.2 Effect of transparent agent on the strength of paper

紙頁經(jīng)透明劑處理后，其干抗張指數(shù)有所降低．一方面是由于浸漬紙頁時，透明劑附著在纖維網(wǎng)絡中，經(jīng)干燥固化后其本身強度大大低于纖維結構強度；另一方面，雖然經(jīng)浸漬后紙頁的絕對干抗張力有所提高或仍維持在相當?shù)乃?，但是，因為?jīng)浸漬后紙頁的總體定量有所增大，造成了紙頁干抗張指數(shù)的降低．需要指出的是，由于實驗條件的限制，使得透明劑的涂布量相對偏大，一部分透明劑存留在紙頁表面，既降低了紙頁強度又增加了透明劑的消耗，若采用適宜的浸涂設備，會進一步改善透明劑的使用效果.

經(jīng)透明劑處理后，紙頁的濕強度明顯增大．浸漬紙頁時，透明劑浸入到紙頁內(nèi)部，同纖維結合在一起，并填充了纖維之間的孔隙，有利于降低紙頁吸水的毛細管作用；此外，紙頁表面附著的透明劑膜對水進入紙頁內(nèi)部有一定的阻礙作用．在這些因素的共同作用下，使水對紙頁內(nèi)部纖維結構的破壞作用減小，從而提高了紙頁被潤濕后的機械強度．

2.3 漿內(nèi)添加透明劑的效果

2.3.1 透明劑乳液固含量及用量對紙頁透明度的影響

漿內(nèi)添加時透明劑乳液固含量及用量對紙頁透明度有很大影響，透明劑乳液固含量及用量小，透明劑在紙頁中留著率低，達不到填充紙頁空隙的目的；隨著透明劑乳液固含量及用量的增加，纖維間的空隙被填充，透明度升高．但透明劑乳液固含量及用量過大，在抄造過程中會影響濾水，使纖維分布不均勻，而且透明劑出現(xiàn)少許絮聚，紙頁的勻度稍差，則紙頁透明度有所下降．實驗中固定乳液固含量為 35%，固定干燥時間及干燥溫度分別為10,min和90,℃，考察了不同透明劑絕干用量(相對于絕干漿)對紙頁透明度的影響，結果如圖5所示．實驗結果表明，透明劑絕干用量為4%時可取得較高的紙頁透明度．

圖5 透明劑用量對紙頁透明度的影響Fig.5 Effect of the dosage of transparent agent on the transparency of paper

同時，將不同固含量的丙烯酸酯透明劑加入配比好的紙漿中(用量為 4%)，固定干燥時間及干燥溫度分別為10,min和90,℃，固含量對紙頁透明度的影響如圖6所示．

圖6 透明劑固含量對紙頁透明度的影響Fig.6 Effect of the latex’s consistency on the transparency of paper

實驗結果表明，在一定范圍內(nèi)，紙頁透明度隨透明劑乳液固含量的增加而增加，當增加到 30%以后，透明度升高趨勢不太明顯，當透明劑乳液固含量達到40%以后，紙頁透明度又出現(xiàn)較明顯的下降．固含量較低時，在紙頁抄造過程中，透明劑在紙頁中的量不足，纖維之間還存在較多的空隙，透明度提高不明顯．透明劑固含量較大時，使紙頁在抄造時濾水困難，造成纖維分布不均，影響透明度的提高．綜合分析，采用本透明劑進行漿內(nèi)添加時，其固含量以 35%較適宜，絕干用量為4%(相對絕干漿)．2.3.2 干燥溫度對紙頁透明度的影響

干燥溫度影響透明劑的固化效率并且影響其與纖維的結合，從而在一定程度上影響紙頁的最終透明度．在配比好的漿內(nèi)添加用量為 4%(相對絕干漿)、固含量為 35%的透明劑，固定干燥時間均為 10,min，考察不同干燥溫度對紙頁透明度的影響，結果如圖 7所示．

圖7 干燥溫度對紙頁透明度的影響Fig.7 Effect of the drying temperature on the transparency of paper

在相同的干燥時間內(nèi)，不同干燥溫度對紙頁透明度產(chǎn)生一定的影響．對于丙烯酸酯類透明劑，漿內(nèi)添加時，干燥溫度為 80,℃時可使紙頁達到較高透明度，過高或過低的干燥溫度均會對紙頁透明度產(chǎn)生不利的影響．

2.3.3 干燥時間對紙頁透明度的影響

干燥時間將影響透明劑乳液在紙頁中的固化，乳液固化的快慢又會影響透明劑與纖維之間的分布與結合，從而影響紙頁內(nèi)部的均一性．實驗中將固含量為 35%丙烯酸酯類透明劑加入配比好的漿中(用量為4%)，固定干燥溫度為 80,℃，考察干燥時間對紙頁透明度的影響，如圖8所示．

圖8 干燥時間對紙頁透明度的影響Fig.8 Effect of the drying time on the transparency of paper

在干燥溫度一定時，隨著干燥時間的延長，透明劑乳液逐漸固化，紙頁透明度也逐漸提高，當干燥到一定時間后，透明劑已完全固化，再延長干燥時間，紙頁透明度不會有明顯上升．從圖 8可以看出，該透明劑在 15,min時已經(jīng)固化完全，并取得較高的紙頁透明度．當然，針對實際生產(chǎn)來說，透明劑的干燥固化時間應當越短越好．今后的工作將針對這一指標，進一步改進配方，完善制備工藝，提高透明劑的應用性能．

2.4 漿內(nèi)添加透明劑對紙頁強度性質的影響

采用透明劑對紙頁進行浸漬處理時，由于原紙性質、透明劑黏度、浸透速度等諸多方面因素的影響，不可避免地會使一定比例的透明劑存留在紙頁表面而沒有真正進入到紙頁內(nèi)部，從而減少了其對紙頁透明性的貢獻．而漿內(nèi)添加透明劑可以使透明劑更均勻地分布于紙頁內(nèi)部而使紙頁的透明性質得到改善，但在實際抄造過程中會有較大的透明劑網(wǎng)下流失．漿內(nèi)添加不同用量的透明劑對紙頁強度的影響見表 3．實驗結果表明，漿內(nèi)添加透明劑后抄成的紙頁，隨著透明劑用量的提高，紙頁的干抗張指數(shù)、濕抗張指數(shù)、耐破指數(shù)等均隨透明劑添加量的增加而有所增大，撕裂指數(shù)有一定的降低．透明劑本身具有較好的柔韌性和一定的強度，此外，這種樹脂類透明劑具有一定的憎水性，使水分不容易進入紙頁，從而可有效提高紙頁的濕強度．實驗結果表明，漿內(nèi)添加透明劑時，由于透明劑的加入可使纖維之間結合強度有一定程度的增大，有利于提高紙頁的抗張強度及耐破強度等．漿內(nèi)添加透明劑后對紙頁撕裂強度的不利影響，今后將進一步進行改善．

表3 漿內(nèi)添加透明劑對紙頁強度的影響Tab.3 Effect of transparent agent on the strength of paper

3 結 論

(1)采用丙烯酸酯類透明劑處理紙頁，浸漬處理的最佳條件為：透明劑乳液固含量 35%，浸漬時間30,s，浸漬溫度 40,℃，干燥溫度 90,℃，干燥時間10,min．該條件下處理后紙頁透明度為 60%左右．原紙經(jīng)透明劑浸漬處理后，紙頁的濕強度、耐破強度有一定的改善，但干抗張強度和撕裂強度有一定的降低．

(2)丙烯酸酯類透明劑漿內(nèi)添加的最佳條件為：透明劑乳液固含量35%，透明劑絕干用量4%(相對絕干漿)，透明劑干燥溫度 80,℃，干燥時間 15,min．該條件下得到的紙頁透明度為 70%左右．紙頁的濕強度、干抗張強度、耐破強度等有一定程度的提高，撕裂強度有一定的降低．

(3)采用透明劑浸漬處理或漿內(nèi)添加的方法均可有效地提高紙頁透明度，但改善效果與透明劑質量、原紙性質、處理條件等密切相關．在紙頁定量相當?shù)那闆r下，雖然漿內(nèi)添加透明劑可以取得較高的紙頁透明度，但添加量較大，流失多，成本高．本論文仍傾向于發(fā)展浸漬處理法，通過進一步改進透明劑配方，改善透明劑質量，完善工藝，當會有所突破．

［1］ 甘孟瑜，談尊燕. 聚氨酯-丙烯酸酯復合乳液的合成條件研究[J]. 上海涂料，2006，44(1)：9–11.

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