玻纖玻棉及其漿料系統(tǒng)分散性能研究

徐永建， 宋夏鴿， 左磊剛， 柴發(fā)萍

(陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室， 陜西 西安 710021)

0 引言

玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，主要成分是二氧化硅(SiO2)，三氧化二鋁(Al2O3)和氧化鎂(MgO)等[1].錢世準[2-5]詳細總結(jié)了玻璃纖維在特殊材料領(lǐng)域中的應(yīng)用，包括玻璃纖維及其制品用于過濾、裝飾、涂料、膠黏、保溫隔音、建筑材料、絕緣材料、填密與摩擦材料、醫(yī)療與衛(wèi)生材料等，并列舉了不同國家對于玻璃纖維制品的開發(fā)與利用.由于玻璃纖維在水中的分散比較差[6]，若要通過濕法造紙技術(shù)進一步擴大玻璃纖維基薄頁功能材料的開發(fā)及應(yīng)用，就要在抄片前對其進行一系列的分散處理，從而使其成為比較理想的玻璃纖維懸浮液.

Zeta電位法是目前應(yīng)用最廣泛的造紙濕部電荷測量技術(shù)[7].固相表面因本身電離或有選擇地吸附溶液中的離子而帶電時,會在界面周圍吸附著異電離子,形成雙電層結(jié)構(gòu).當(dāng)離子熱運動時,異電離子隨距離的遠近有一定濃度分布.溶液中的離子是溶劑化的,一部分是緊密層,另一部分是擴散層，當(dāng)固體與液體相對滑動時，滑動面在緊密層與擴散層交界面上存在電位差,即Zeta電位[8].測量Zeta電位的方法有微電泳法、流動電位法和AC流動電位法等.

本文使用德國制造的SZP-06型流動電位Zeta電位儀對玻纖漿料懸浮液Zeta電位進行測量，系統(tǒng)地研究了影響玻璃纖維懸浮液穩(wěn)定性的各種因素，如玻纖或玻棉濃度、玻纖配比、pH值和粘結(jié)劑添加量等.通過對漿料沉降指數(shù)和Zeta電位的考察，以期獲得較佳的玻纖漿料工藝參數(shù).

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗所用玻璃纖維、玻璃棉、70 ℃水溶性纖維均由杭州某公司提供.玻璃纖維(水分為8%)規(guī)格為6 mm×φ9μm，玻棉規(guī)格為19 °SR.

1.2 實驗儀器

NO.SE003型標準纖維疏解機(瑞典L&W公司)，MP200A型電子天平(感量0.01 g)(上海精密科學(xué)儀器有限公司)，BS210S型分析天平(上海精密科學(xué)儀器有限公司)，SZP-06型Zeta電位測定儀(德國BTG公司)，DZS-708型多參數(shù)分析儀(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司).

1.3 實驗方案及方法

要確保玻璃纖維和玻璃棉在水中具有較好的分散狀態(tài)，一般可以采取下列措施[9]：(1)降低懸浮液的pH值到2.5～3.0；(2)適當(dāng)降低漿料的濃度；(3)改善玻璃纖維表面潤濕狀況；(4)調(diào)整白水循環(huán)系統(tǒng).本實驗擬通過改變玻纖或玻棉濃度、玻纖配比、pH值和粘結(jié)劑添加量等使其較好地分散在水中.

1.3.1 濃度對玻纖或玻棉分散性的影響

將玻纖或玻棉配成濃度分別為0.01%、0.03%、0.05%的2 000 mL漿料懸浮液，在標準疏解機中疏解5 000 r，然后轉(zhuǎn)入2 000 mL燒杯中，靜置觀察其沉降2 min、4 min、6 min、8 min、10 min后的沉降體積，選擇較佳的沉降時間，計算其沉降指數(shù).

1.3.2 玻纖玻棉配比對漿料分散性能的影響

在濃度分別為0.01%、0.03%、0.05%，玻纖配比分別為50%、53%、55%條件下，將玻纖玻棉配成2 000 mL漿料懸浮液，在標準疏解機上疏解5 000 r，然后轉(zhuǎn)入2 000 mL燒杯中，靜置觀察其沉降2 min、4 min、6 min、8 min、10 min后的沉降體積，依據(jù)1.3.1選好的較佳沉降時間計算其沉降指數(shù)，然后將溶液攪拌均勻,取500 mL測其Zeta電位，評價分散性能.

1.3.3 pH值對玻纖玻棉分散性的影響

在玻纖配比為53%，濃度分別為0.01%、0.03%、0.05%條件下，將玻纖玻棉配成2 000 mL漿料懸浮液，在標準疏解機上疏解5 000 r，然后轉(zhuǎn)入2 000 mL燒杯中，調(diào)節(jié)漿料pH值分別為3、2.5、2，靜置觀察其沉降2 min、4 min、6 min、8 min、10 min后的沉降體積，后續(xù)操作同1.3.2.

1.3.4 粘結(jié)劑添加量對漿料分散性能的影響

在玻纖配比為53%，濃度為0.03%和0.05%條件下，將玻纖玻棉配成2 000 mL漿料懸浮液，在標準疏解機上疏解5 000 r，然后轉(zhuǎn)入2 000 mL燒杯中，調(diào)節(jié)漿料pH值到2.5，靜置觀察其沉降2 min、4 min、6 min、8 min、10 min后的沉降體積，后續(xù)操作同1.3.2.

1.4 指標檢測

(1)沉降指數(shù)：將分散后的玻璃纖維、玻璃棉或配抄漿料置于2 000 mL燒杯中靜置，計量原料沉降一定時間后的體積與絕干原料的比,作為評價系統(tǒng)分散性能的指標.

(2)Zeta電位：將料配好后量取500 mL，調(diào)溫到25±1 ℃，攪拌均勻，用SZP-06型Zeta電位儀測定漿料的Zeta電位.

2 結(jié)果與討論

2.1 濃度對玻纖或玻棉分散性能的影響

實驗研究了濃度對玻璃纖維分散性能的影響，其結(jié)果如圖1和圖2所示.

由圖1可知，不同濃度下漿料在0～4 min之間直線的斜率最大，也就是說漿料沉降得最快，沉降體積變化最大，而4 min之后沉降體積慢慢變得平緩，時間對沉降體積的影響越來越小，故選擇沉降4 min后的體積作為后續(xù)沉降指數(shù)計算的依據(jù).

當(dāng)消除濃度對分散懸浮液沉降性能的影響后，用沉降指數(shù)來評價系統(tǒng)的分散性時，由圖2可知，沉降指數(shù)隨濃度的增加而下降.即隨濃度的增加，懸浮液中纖維間空間位阻增加，必然會有絮聚現(xiàn)象出現(xiàn)，分散性下降，與其實際情況相符.纖維在水中分散得越好，纖維分散成單根的比例就越大，它們相互交織成良好的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，沉降得就越慢，沉降體積就越大，沉降指數(shù)也越大，分散性能就越好.綜上可知，濃度越低，玻璃纖維的分散效果越好.

圖1 玻纖沉降時間與沉降體積的關(guān)系

圖2 玻纖濃度與沉降指數(shù)的關(guān)系

實驗研究了濃度對玻璃棉分散性能的影響，其結(jié)果如圖3和圖4所示.

由圖3可知，玻棉的沉降情況基本與玻纖相同，在0～4 min之間直線斜率最大，漿料沉降得最快，沉降體積最大，這也驗證了選擇沉降4 min時的體積作為計算沉降指數(shù)依據(jù)的可行性.但玻棉在沉降時，濃度越大，沉降的越緩慢，這與玻纖不一致.由圖4可知，玻璃棉的分散性能與玻璃纖維的基本相同，都是隨濃度的增加，沉降指數(shù)下降，分散性能下降.

圖3 玻棉沉降時間與沉降體積的關(guān)系

圖4 玻棉濃度與沉降指數(shù)的關(guān)系

2.2 玻纖玻棉配比對漿料分散性能的影響

實驗研究了玻纖配比對漿料分散性能的影響，其實驗結(jié)果如圖5和圖6所示.

由圖5可知，在漿料系統(tǒng)濃度為0.01%時，玻纖懸浮液的沉降指數(shù)隨著配比的增大而降低，這可能是因為濃度過小，玻纖本身較重，它的加入對系統(tǒng)沉降性能的影響較大;而在濃度為0.03%和0.05%時，懸浮液的沉降指數(shù)都隨玻纖比例的增大，先升高再降低，即隨玻纖比例的增加，分散效果先變好再變差.同時圖5中也顯示了玻纖配比相同時，隨著漿料濃度的增加，懸浮液沉降指數(shù)下降，即分散效果變差，這與前面玻纖玻棉的分析結(jié)果一致.

當(dāng)玻纖配比為53%時，漿料沉降指數(shù)最大，懸浮液中單根纖維最多，纖維分散效果最好.這是因為玻璃棉比玻璃纖維更加細軟，隨著玻璃棉的加入，纖維之間的繞曲纏結(jié)會更加嚴重，懸浮液分散性會下降，但由于纖維之間電荷作用，可能會有一個平衡點，即兩者混合后分散性能最大的點.圖6也充分地證明了這一點，在玻纖配比為53%時，懸浮液的Zeta電位最負，此時系統(tǒng)的穩(wěn)定性最好.

圖5 不同濃度下玻纖比例對沉降指數(shù)的影響

圖6 不同濃度下玻纖比例對Zeta電位的影響

2.3 pH值對玻纖玻棉分散性的影響

實驗研究了pH值對漿料分散性能的影響，其實驗結(jié)果如圖7和圖8所示.

由圖7可知，隨pH值的增大，玻纖沉降指數(shù)先增大后又減小，即玻纖分散效果先變好后又逐漸變差.當(dāng)pH值為2.5時，玻纖懸浮液沉降指數(shù)最大，纖維分散效果最好.

圖8也說明隨著pH值的減小，即H+離子的加入，纖維本身的負電荷被中和，纖維表面的ξ電位降低，Zeta電位的絕對值減小，纖維之間不易絮聚.由圖形曲線延長可知，懸浮液等電點在pH值小于2處，而調(diào)節(jié)漿料pH值由3到2.5所用的酸量比調(diào)pH值由2.5到2所用的酸量小很多，且有研究表明[10]，漿料的Zeta電位不易控制在等電點處，應(yīng)控制在微負值處.綜上所述，故認為在pH=2.5時，玻纖懸浮液的分散效果最好.

圖7 不同濃度下pH值對沉降指數(shù)的影響(玻纖配比為53%)

圖8 不同濃度下pH值對Zeta電位的影響(玻纖配比為53%)

2.4 粘結(jié)劑添加量對玻纖懸浮液分散性的影響

實驗研究了粘結(jié)劑添加量對漿料分散性能的影響，其實驗結(jié)果如圖9和圖10所示.

由圖9可知，在不同濃度漿料懸浮液情況下，沉降指數(shù)隨著膠粘劑添加量的增加，呈先上升后下降的趨勢，且變化比較平穩(wěn)，即漿料的分散效果先變好再慢慢變差，但相對變化不是很大，當(dāng)粘結(jié)劑添加量為7%時，沉降指數(shù)最大.

這是因為PVOH的羥基有親水性，可以作為分散劑而改變纖維表面的潤濕狀況，增加其親水性，減少纖維間相互粘結(jié)的機會，進而可以大大改善玻璃纖維的分散狀況；同時，隨著PVOH的添加，增加了水溶液的黏度，并在水中形成大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加空間位阻，使?jié){料中纖維具有較好的懸浮性而不致過快地沉降；此外，分散劑具有的黏附性，作用類似潤滑劑，會吸附在纖維表面，形成一層滑而不黏的水合膜，從而達到阻止纖維絮聚結(jié)團的效果.

由圖10可知，隨著粘結(jié)劑添加量的進一步增加，Zeta電位的絕對值先減小再增大，當(dāng)粘結(jié)劑添加量為9%時，漿料系統(tǒng)的Zeta電位最接近等電點，漿料中的正負電荷達到平衡，這樣會降低漿料系統(tǒng)對細小粒子的吸附力，使已吸附的細小纖維再分散的特性喪失.而有研究表明[10]，漿料的Zeta電位不易控制在等電點處，應(yīng)維持在微負值時較好.因此,認為粘結(jié)劑添加量為7%時，漿料分散效果最好.

圖9 不同濃度下PVOH添加量對沉降指數(shù)的影響(玻纖配比為53%，pH=2.5)

圖10 不同濃度下PVOH添加量對Zeta電位的影響(玻纖配比為53%,pH=2.5)

3 結(jié)論

(1)玻纖漿料懸浮液分散時的濃度越低，分散效果越好，但濃度過低，會給后續(xù)干燥脫水帶來困難.因此,在不影響最后成紙勻度的情況下，濃度應(yīng)控制在一個合適的范圍內(nèi)，實驗認為控制在0.01%～0.03%比較合適.

(2)玻璃棉比玻璃纖維更加細軟，隨著玻璃棉的加入，纖維之間的繞曲纏結(jié)會更加嚴重，懸浮液的分散性會下降.但由于纖維之間的電荷作用，懸浮液系統(tǒng)會有一個平衡點，即兩者混合后分散性能最大的點.

通過對玻纖玻棉不同配比下懸浮液沉降指數(shù)和Zeta電位的考察，得到玻纖比例為53%是兩者混合后分散性能最大的點.

(3)隨著pH值的減小，即H+離子的加入，玻璃纖維本身的負電荷被中和，纖維表面的ξ電位降低，Zeta電位的絕對值減小，纖維之間不易絮聚.當(dāng)pH值為2.5時，玻纖懸浮液沉降指數(shù)最大，懸浮液中單根纖維最多，纖維分散效果最好.

(4)當(dāng)粘結(jié)劑添加量為7%時，沉降指數(shù)最大，且此時懸浮液系統(tǒng)的Zeta電位處在微負值處.

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