淀粉-無機鹽體系表面施膠對瓦楞原紙應(yīng)用性能的影響

陳夫山 鄭 剛 宋曉明

(青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東青島，266042)

產(chǎn)品包裝的目的是將產(chǎn)品完好地從生產(chǎn)者手中送到消費者手中，這就要求包裝紙板在貯存和運輸中具有足夠的機械強度，不變形，不破裂，能夠承受各種外力的沖擊、推壓作用，以保護(hù)內(nèi)部的包裝物［1］。包裝紙板是用于商品包裝的紙板，其中包括箱紙板、牛皮箱紙板、瓦楞紙板和白紙板等，其中以瓦楞紙板用量最大，約占紙板總量的85% ～90%［2］。

由于瓦楞紙板廣泛用于包裝材料，因此瓦楞原紙的環(huán)壓強度和耐破度是非常重要的物理指標(biāo)，而表面施膠是提高瓦楞原紙環(huán)壓強度及耐破度的一種重要方式［3］。

目前瓦楞原紙表面施膠劑多為淀粉類、聚丙烯酰胺類、共聚乳液類及多元復(fù)配類［4-11］，又以淀粉類瓦楞原紙表面施膠劑使用的最為廣泛，但現(xiàn)在造紙行業(yè)整體不景氣，經(jīng)濟效益不好，如何用更加低廉的原料來取代淀粉而又不損傷紙張的強度性能成為目前重要的研究方向。

本實驗利用無機鹽替代部分淀粉對瓦楞原紙表面施膠，以降低淀粉用量，在一定程度上降低成本，提高瓦楞原紙的環(huán)壓強度及耐破度，并利用接枝淀粉型表面施膠劑改善成紙的防潮性能。

1 實 驗

1.1 實驗原料

玉米淀粉，工業(yè)品，晨鳴變性淀粉廠;硫酸鎂，分析純，天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠;硝酸鎂，分析純，天津博迪化工股份有限公司;氯化鎂，分析純，天津博迪化工股份有限公司;過硫酸銨，分析純，萊陽經(jīng)濟開發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠;接枝淀粉型表面施膠劑，實驗室自制，固含量30%;瓦楞原紙 (未表面施膠)，定量120 g/m2，橫向環(huán)壓指數(shù)3.25 N·m/g，縱向環(huán)壓指數(shù)4.31 N·m/g，耐破指數(shù)4.69 kPa·m2/g。

1.2 實驗儀器

DCP-NPY1200 電腦紙張耐破度儀，四川長江造紙儀器有限責(zé)任公司;ZBK-100 紙張表面吸收重量測定儀、ZYD-3F3 圓形取樣器、TTM-500A 環(huán)壓強度試驗取樣刀、ZZD-25B 智能壓縮儀，長春永興儀器有限責(zé)任公司;ST-1-260 型自動涂布機，陜西科技大學(xué)機電學(xué)院實訓(xùn)研發(fā)中心;NDJ-5S 旋轉(zhuǎn)黏度計，上海安德儀器設(shè)備有限公司;XL30E 型環(huán)境掃描電子顯微鏡，美國FEI 公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 表面施膠液配制

將硝酸鎂、氯化鎂、硫酸鎂分別與淀粉按m(淀粉)∶m(無機鹽)為10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4 的質(zhì)量比配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的水溶液，并添加0.4%的過硫酸銨(對淀粉質(zhì)量)，將復(fù)配試樣分別加入三口燒瓶中，開啟攪拌攪拌均勻并慢慢升溫，待溫度升至90℃時，停止升溫，然后在此溫度下糊化30 min，60℃保溫備用。

1.3.2 表面施膠

在自動涂布機上，使用2#涂布棒，以一定速度將施膠液均勻涂在瓦楞原紙上，控制涂布量約為6 g/m2。施膠后紙樣在鼓風(fēng)干燥箱中干燥10 min，然后將紙樣進(jìn)行恒溫恒濕平衡處理。

1.3.3 性能測定及表征

待施膠紙樣經(jīng)恒溫恒濕平衡處理24 h 后，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢測紙張各項物理性能指標(biāo)［12］;參考GB/T1540—2002，利用紙張表面吸收重量測定儀測定紙張Cobb 值;參考GB/T 2679.8—1995，利用環(huán)壓強度壓縮儀測定紙張的環(huán)壓強度;參考GB/T 1539—1989［12］，利用電腦紙張耐破度儀測定紙張的耐破強度;利用XL30E 型環(huán)境掃描電子顯微鏡對紙張進(jìn)行電鏡檢測分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 淀粉-無機鹽體系的黏度

為了研究淀粉-無機鹽體系的黏度及變化趨勢，使用旋轉(zhuǎn)黏度計對淀粉-無機鹽體系的黏度進(jìn)行了測定，結(jié)果見圖1。

圖1 淀粉-無機鹽體系黏度變化趨勢

從圖1 可以看出，淀粉-無機鹽體系的黏度隨著無機鹽用量的增加不斷下降，這是因為體系中淀粉用量降低，而且添加的過硫酸銨也對淀粉起到一定的降解作用，使體系的黏度始終保持著較低的水平，當(dāng)無機鹽用量占20% 時，淀粉-無機鹽體系的黏度只有10 mPa·s 左右，為表面施膠創(chuàng)造了理想條件，使生產(chǎn)效率更高。

2.2 使用淀粉-無機鹽體系表面施膠對瓦楞原紙強度的影響

瓦楞原紙作為瓦楞紙板及紙箱的原料，其強度決定了成品的使用性能，尤其是環(huán)壓強度及耐破度。使用不同淀粉-無機鹽體系對瓦楞原紙進(jìn)行表面施膠處理，分析體系對瓦楞原紙環(huán)壓強度、耐破度的影響。

2.2.1 對瓦楞原紙環(huán)壓強度的影響

圖2 淀粉-無機鹽體系表面施膠對瓦楞原紙橫向環(huán)壓指數(shù)的影響

圖2 為淀粉-無機鹽體系表面施膠對瓦楞原紙環(huán)壓強度的影響。從圖2 可以看出，隨著無機鹽用量的增加，施膠后瓦楞原紙橫向環(huán)壓指數(shù)呈現(xiàn)一定的上升趨勢，當(dāng)無機鹽用量達(dá)到20%時上升趨勢趨緩。當(dāng)無機鹽用量為20%時，相對于瓦楞原紙，添加硝酸鎂、氯化鎂、硫酸鎂的施膠紙橫向環(huán)壓指數(shù)分別增長了76.3%、80.0%、82.5%。

圖3 為使用淀粉-無機鹽體系表面施膠對瓦楞原紙縱向環(huán)壓指數(shù)的影響。從圖3 可以看出，隨著無機鹽用量的增加，施膠瓦楞原紙縱向環(huán)壓指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，當(dāng)無機鹽用量達(dá)到20%時與橫向環(huán)壓指數(shù)一樣上升趨勢趨緩。當(dāng)無機鹽用量為20%時，相對于瓦楞原紙，添加硝酸鎂、氯化鎂、硫酸鎂的施膠紙縱向環(huán)壓指數(shù)分別增長了74.7%、72.6%、80.9%。

圖3 淀粉-無機鹽體系表面施膠對瓦楞原紙縱向環(huán)壓指數(shù)的影響

從圖2、圖3 綜合分析可得出，施膠液加入無機鹽之后，紙張的環(huán)壓性能有一定程度的提高。硝酸鎂、氯化鎂、硫酸鎂易溶于水，與淀粉一起糊化后進(jìn)行表面施膠，也更易隨著淀粉糊化液滲透到紙張內(nèi)部，分散得更加均勻，在經(jīng)過烘干之后在紙張內(nèi)部形成小的結(jié)晶體，結(jié)晶體本身的硬度比較大，整體上提高了紙張的環(huán)壓強度。而當(dāng)無機鹽用量達(dá)到30%后，無機鹽對環(huán)壓強度的提高就沒有那么明顯，因為過多的無機鹽影響了纖維之間的交織，纖維之間的部分氫鍵被破壞，對瓦楞原紙環(huán)壓強度的提升不利。

2.2.2 對瓦楞原紙耐破度的影響

圖4 為淀粉-無機鹽復(fù)配體系表面施膠對瓦楞原紙耐破指數(shù)的影響。從圖4 可以看出，隨著無機鹽用量的增加，施膠紙耐破指數(shù)先微弱上升，然后快速下降。因為無機鹽有一定的硬度，當(dāng)?shù)矸?無機鹽表面施膠后，硝酸鎂、氯化鎂、硫酸鎂分散在纖維里面，能在一定程度上彌補替代的淀粉對瓦楞原紙耐破度的補強，但淀粉是瓦楞原紙耐破度增強的主要原因，它與纖維之間形成氫鍵，而當(dāng)無機鹽用量達(dá)到30%后，硝酸鎂、氯化鎂、硫酸鎂在一定程度上影響了淀粉與纖維之間的的連接、纖維與纖維的交織作用，對瓦楞原紙的耐破性能不利，所以耐破指數(shù)有一個快速下降的過程。在無機鹽用量為20%時，耐破度的增強效果最好，相對于瓦楞原紙，添加了硝酸鎂、氯化鎂、硫酸鎂的耐破指數(shù)分別增長了13.1%、14.3%、15.6%。

圖4 淀粉-無機鹽體系表面施膠對瓦楞原紙耐破指數(shù)的影響

2.3 接枝淀粉表面施膠劑的添加對瓦楞原紙防潮性能的影響

為了滿足瓦楞紙箱及紙板使用環(huán)境的需要，瓦楞原紙的防潮性能非常重要。為了改進(jìn)瓦楞原紙的防潮性能，在淀粉-無機鹽體系中將糊化好的淀粉與接枝淀粉型表面施膠劑以50∶3 (質(zhì)量比)的比例復(fù)配，然后進(jìn)行表面施膠，并對紙張的防潮性進(jìn)行了測試。

圖5 淀粉-無機鹽體系添加接枝淀粉型表面施膠劑前后施膠紙的Cobb 值

圖5 為淀粉-無機鹽體系添加接枝淀粉表面施膠劑前后施膠紙Cobb 值的變化。從圖5 可以觀察到，在沒有添加無機鹽之前，淀粉表面施膠紙的Cobb 值高達(dá)139 g/m2，而且隨著無機鹽的添加，Cobb 值呈現(xiàn)了小幅的上升趨勢，當(dāng)無機鹽用量在40% 時，Cobb 值最高達(dá)到了163 g/m2。這是由于淀粉有一定的吸水能力，而加入無機鹽之后，無機鹽在一定程度上破壞了淀粉在紙張表面形成的淀粉膜，造成了Cobb值的升高。加入接枝淀粉型表面施膠劑后，Cobb 值下降至30 g/m2左右，因為接枝淀粉中含有苯乙烯等疏水性基團，在纖維表面形成致密的防水膜，大大提高了瓦楞原紙的防潮性能。根據(jù)GB/T13023—2008，箱紙板的吸水性要求小于35 g/m2，而加入接枝淀粉型表面施膠劑之后，施膠紙的Cobb 值只有30 g/m2左右，所以施膠后紙樣的防潮性能滿足使用要求。接枝淀粉型表面施膠劑的加入不僅不會影響無機鹽對瓦楞原紙的環(huán)壓強度、耐破強度性能的提升，它還會對瓦楞原紙強度性能有一定的增強作用，因為接枝淀粉型表面施膠劑的加入會增加淀粉與纖維、淀粉與淀粉之間的氫鍵的結(jié)合，而且接枝淀粉型施膠劑有一定黏性，它還能減少無機鹽在紙張表面的掉毛掉粉現(xiàn)象。

2.4 表面施膠后紙樣的SEM 分析

從圖6 ～圖10 可以看出，紙張經(jīng)淀粉-無機鹽表面施膠后，無機鹽的小結(jié)晶顆粒通過淀粉黏附在纖維上和纖維之間。結(jié)合前面的結(jié)果，表明這些無機鹽顆粒相互作用，從而極大地提升了施膠后紙張的環(huán)壓強度，也在一定程度上提升了紙張的耐破度，但當(dāng)無機鹽用量達(dá)到30%、40%時，在一定程度上破壞了纖維的交織及氫鍵結(jié)合，對紙張的物理強度性能不利。

3 瓦楞原紙表面施膠成本核算

表2 為瓦楞原紙表面施膠的成本核算。從表2 可知，去除人工及機械、能耗費用，采用淀粉-無機鹽體系對瓦楞原紙表面施膠的成本大約為133 ～144 元/t 紙之間，紙廠可以根據(jù)原有的工藝進(jìn)行調(diào)整，相信對于紙廠降低成本來說具有重要意義。

表2 瓦楞原紙表面施膠的成本核算

4 結(jié) 論

4.1 采用淀粉-無機鹽(硝酸鎂、氯化鎂和硫酸鎂)體系對瓦楞原紙進(jìn)行表面施膠，相對于其他類表面施膠劑其施膠成本降低，而且生產(chǎn)工藝更簡單，生產(chǎn)效率更高。

4.2 采用淀粉-無機鹽體系表面施膠，當(dāng)施膠量為6 g/m2、無機鹽用量為施膠劑的20%時，相對于瓦楞原紙，添加硝酸鎂、氯化鎂、硫酸鎂施膠紙的橫向環(huán)壓指數(shù)分別增長了76.3%、80%、82.5%，縱向環(huán)壓指數(shù)分別增長了74.7%、72.6%、80.9%，耐破指數(shù)分別增長了13.1%、14.3%、15.6%。

4.3 淀粉-無機鹽體系作為表面施膠劑，施膠后成紙的防潮性能欠佳，在添加接枝淀粉型表面施膠劑之后，施膠紙防潮性能大大提高，施膠紙的Cobb 值從163 g/m2降至30 g/m2左右，滿足了成紙防潮性能的要求。

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