自制紙張透明劑的應(yīng)用性能研究

田龍鋼 高玉杰 高立敏 袁曉嬌

(天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津，300457)

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·透明劑·

自制紙張透明劑的應(yīng)用性能研究

田龍鋼 高玉杰 高立敏 袁曉嬌

(天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津，300457)

采用復(fù)配法制備了紙張透明劑,并對(duì)透明劑的性質(zhì)及其應(yīng)用性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。透明劑的性能可以在常溫和較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定,不會(huì)出現(xiàn)溶液分層或渾濁等現(xiàn)象。采用優(yōu)選出的透明劑處理紙張后,紙張透明度可達(dá)到70%以上，相比原紙，透明度提高30個(gè)百分點(diǎn)以上,但同時(shí)紙張強(qiáng)度性能有所下降。透明劑可在常溫下快速滲透,最佳浸漬時(shí)間為5 s。掃描電鏡分析表明,透明劑可有效存留于紙張內(nèi)部,填充纖維間的空隙,黏附在纖維表面。

透明劑；透明度；透明紙；物理強(qiáng)度

(*E-mail: tianlg@126.com)

由于透明或半透明紙的光學(xué)特殊性,目前生產(chǎn)主要靠的是選擇合適的纖維原料,采用提高漿料打漿度、超級(jí)壓光等方式提高紙張緊度的方法來(lái)達(dá)到,在一定程度上縮小了纖維原料的使用范圍[1-2]；同時(shí)高打漿度打漿造成了設(shè)備電耗的增加,限制了透明紙或半透明紙的產(chǎn)量提升和品種發(fā)展[3]。利用紙張透明劑通過(guò)浸漬等方式生產(chǎn)透明紙或半透明紙,在紙張透明度和強(qiáng)度等方面滿足質(zhì)量指標(biāo),更有利于降低生產(chǎn)成本,改善生產(chǎn)操作,且有利于增加紙張品種。目前,透明劑這一新型造紙化學(xué)品正逐步進(jìn)入造紙工業(yè)領(lǐng)域[4-5]。

目前,我國(guó)紙張透明劑的研究與使用還剛剛起步,所生產(chǎn)的透明或半透明紙品種較少,產(chǎn)品質(zhì)量與國(guó)外的同類產(chǎn)品相比差距較大[6-7]。因此,為盡快改變我國(guó)透明或半透明紙生產(chǎn)的落后狀況,必須加強(qiáng)對(duì)紙張透明劑的研究開(kāi)發(fā)[8]。本實(shí)驗(yàn)采復(fù)配法制備了與纖維素纖維折光系數(shù)相近的透明劑,通過(guò)浸漬的方法將紙張內(nèi)部空隙填充,使紙張趨于均一光學(xué)介質(zhì),從而提高紙張透明度。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

漂白針葉木漿,聚酯改性聚二甲基硅氧烷BYK-310,清漆,石蠟,滲透劑JFC,乳化劑OP-10,異丙醇等。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

HB43自動(dòng)快速水分測(cè)定儀,美國(guó)Mettler-Toledo公司；ZQS2-23 Vally打漿機(jī),陜西科技大學(xué)機(jī)械廠；ZDJ-100打漿度測(cè)定儀,國(guó)營(yíng)宜賓造紙廠；KRK SE0808098濕紙張壓榨機(jī)、NO.7047.S標(biāo)準(zhǔn)紙張成型器,英國(guó)MAVIS公司；970154漿料疏解器、SE062抗張強(qiáng)度測(cè)定儀、SE009撕裂強(qiáng)度測(cè)定儀、969920耐破強(qiáng)度測(cè)定儀,瑞典Lorentzen&Wettre公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 透明劑的制備

采用復(fù)配法制備透明劑。選用折光率與植物纖維相近的透明劑主料,按一定比例加入乳化劑0P-10、滲透劑JFC、速干劑、固化劑等助劑充分?jǐn)嚢?混合均勻后加入溶劑將其稀釋,觀察并測(cè)定其固含量、黏度和折光率等指標(biāo)。

1.3.2 透明劑的分析

透明劑固含量的測(cè)定：稱取4～5 g透明劑乳液置于稱量瓶中,在105℃的烘箱中烘干24 h直至恒質(zhì)量,計(jì)算固含量,測(cè)量5份取平均值。

黏度的測(cè)定：在25℃時(shí),采用BROCKFIELDLVDV-Ⅱ+黏度儀，1號(hào)轉(zhuǎn)子,在轉(zhuǎn)速為120 r/min的條件下,測(cè)量乳液的黏度。

折光率的測(cè)定：本實(shí)驗(yàn)需測(cè)定的折光率應(yīng)為透明劑成膜后的折光率,即將透明劑烘干成膜后剪取合適形狀大小,貼于折射儀的測(cè)試平臺(tái),然后檢測(cè)得到折光率[5]。

1.3.3 透明劑的應(yīng)用分析

抄紙：漂白針葉木漿打漿至39oSR,抄造定量40～60 g/m2手抄片，作為原紙，考察透明劑的應(yīng)用效果。

浸漬：將一定量的透明劑置于專用器皿中,原紙放入透明劑溶液中一定深度進(jìn)行浸漬,一定時(shí)間后取出,用鋼絲刮棒除去紙張表面多余的透明劑,在鼓式干燥器上干燥。分別考察透明劑浸漬時(shí)間、浸漬溫度和透明劑固含量對(duì)其應(yīng)用效果的影響。

原紙和浸漬后的紙張經(jīng)恒溫恒濕處理后,按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法檢測(cè)有關(guān)指標(biāo),分析透明劑應(yīng)用性能并確定其最佳使用條件。

2 結(jié)果與討論

紙張中除含有的木素和其他物質(zhì)會(huì)降低透明度外,主要組分之間折光系數(shù)的差異是影響紙張透明性能的直接因素。表1為紙張常見(jiàn)組成成分的折光系數(shù)。

從表1可見(jiàn)，紙張中纖維素纖維折光系數(shù)是1.530,與空氣折光系數(shù)差別較大,光線照射到紙張上時(shí)發(fā)生折射,導(dǎo)致紙張透明度較低。因此紙張透明度的高低,與紙張中氣泡空隙的多少有直接關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)用與纖維素纖維折光系數(shù)相近的透明劑盡量填充紙張中的氣泡空隙來(lái)提高紙張的透明度。

表1 紙張常見(jiàn)組成成分的折光系數(shù)

2.1 固含量對(duì)透明劑應(yīng)用性能的影響

2.1.1 對(duì)透明劑黏度的影響

透明劑黏度將會(huì)影響其在浸漬紙張時(shí)向紙張內(nèi)部的浸漬速度。因此,采用黏度計(jì)測(cè)定了不同固含量的透明劑的黏度值,分析不同固含量的透明劑的黏度值變化,結(jié)果如圖1所示。

圖1 透明劑固含量對(duì)黏度的影響

圖1表明,隨著透明劑固含量的增加,透明劑溶液的黏度隨之增大。固含量從10%變化到20%時(shí),上升趨勢(shì)平緩；固含量從30%變化到50%時(shí),上升幅度較大。綜合來(lái)看,可以認(rèn)為透明劑固含量在一定范圍內(nèi)變化時(shí)其黏度有所上升,在總體上黏度水平不高。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),可以在保證較好浸透性能的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高透明劑的固含量,使透明劑中的主劑更多地保留在紙張內(nèi)部,以利于改善紙張透明度。

2.1.2 對(duì)紙張性能的影響

實(shí)驗(yàn)制備了不同固含量的透明劑,在相同的條件下(室溫25℃；相同浸漬液位；浸漬時(shí)間30 s)浸漬處理紙張,考察透明不同劑固含量對(duì)浸漬后的紙張透明度及強(qiáng)度等性能的影響,如表2所示。

表2的結(jié)果表明,在一定范圍內(nèi),隨著透明劑固含量的提高,透明劑對(duì)紙張的有效浸漬量也有所增加,同時(shí)紙張的透明度相應(yīng)地得到改善,但紙張的相關(guān)物理強(qiáng)度指標(biāo)也有所降低。透明劑中的主劑承擔(dān)使紙張介質(zhì)均一的任務(wù),隨著透明劑固含量的增大,進(jìn)入紙張空隙中的有效組分增多,使得有效浸漬量增加,孔隙填充率提高,介質(zhì)更加均一,所以紙張透明度提高值有所增大。

表2 透明劑固含量對(duì)紙張性能的影響

此外,自制的透明劑即使在固含量較高(如30%)時(shí),其黏度也仍保持在較低的水平(參考圖1),所以,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,透明劑固含量在30%以下時(shí),黏度的變化不會(huì)過(guò)多地影響透明劑對(duì)紙張的浸透性。值得注意的是,在固含量高于20%以后，紙張透明度上升趨勢(shì)平緩,當(dāng)固含量高于30%以后,紙張透明度又有所降低,這是因?yàn)橥该鲃┕毯吭礁?黏度也越大,流動(dòng)性和浸透性都變差,甚至?xí)诩垙埍砻婀袒赡?導(dǎo)致進(jìn)入紙張的透明劑的有效量減少,紙張透明度降低。因此該浸漬紙張的透明劑固含量以30%為宜。

2.2 浸漬時(shí)間對(duì)透明劑應(yīng)用性能的影響

透明劑對(duì)紙張的浸漬時(shí)間決定了其在紙張內(nèi)的有效留著率并進(jìn)而影響紙張的透明度、強(qiáng)度等性能。在其他條件相同的情況下,較長(zhǎng)的浸漬時(shí)間,液體進(jìn)入纖維孔隙的量應(yīng)該就越多,但是紙張纖維網(wǎng)絡(luò)孔隙的量也是有限的,當(dāng)浸漬時(shí)間足夠長(zhǎng),液體填充纖維孔隙會(huì)達(dá)到或接近飽和,所以再繼續(xù)延長(zhǎng)浸漬時(shí)間,也不會(huì)增加透明劑的浸漬量。實(shí)驗(yàn)在透明劑固含量為30%,浸漬溫度為室溫時(shí),考察了浸漬時(shí)間對(duì)紙張透明度、強(qiáng)度等性能的影響。

2.2.1 對(duì)紙張透明度的影響

圖2所示為浸漬時(shí)間對(duì)紙張透明度的影響。從圖2可以看出,當(dāng)浸漬時(shí)間為5 s時(shí),紙張透明度此時(shí)達(dá)到了70.6%,紙張透明度比原紙?zhí)岣?4.2個(gè)百分點(diǎn)。隨著浸漬時(shí)間的延長(zhǎng),浸漬時(shí)間為60 s時(shí)，紙張透明度比原紙?zhí)岣?6.8個(gè)百分點(diǎn),略高于浸漬5 s時(shí)的提高值。因此,此時(shí)通過(guò)繼續(xù)提高浸漬時(shí)間來(lái)提高紙張透明度已沒(méi)有意義?？梢哉J(rèn)為透明劑具有快速滲透的特點(diǎn)。浸漬時(shí),透明劑可快速進(jìn)入紙張內(nèi)部,填充到纖維的孔隙中,在較短時(shí)間內(nèi)使紙張內(nèi)的透明劑迅速達(dá)到或接近飽和,從而有利于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。

2.2.2 對(duì)紙張強(qiáng)度性能的影響

圖3、圖4及圖5分別為浸漬時(shí)間對(duì)紙張耐破度、抗張強(qiáng)度及撕裂度的影響曲線。

圖3～圖5的結(jié)果表明,透明劑處理紙張后,在較大幅度提高紙張透明度的同時(shí),對(duì)紙張的強(qiáng)度性能有一定的不利影響。浸漬時(shí)間對(duì)紙張耐破指數(shù)和抗張指數(shù)的影響趨勢(shì)一致,浸漬時(shí)間為5 s左右時(shí),即在自制透明劑處理紙張的初期,耐破指數(shù)和抗張指數(shù)的下降幅度較大,而后繼續(xù)延長(zhǎng)浸漬時(shí)間,兩個(gè)物理指標(biāo)基本上無(wú)明顯變化。同樣,撕裂指數(shù)在浸漬前期降低較多,而后略有提高,超過(guò)20 s之后基本上變化不大。

透明劑對(duì)紙張強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在浸漬初期,即液體進(jìn)入紙張時(shí),在較短時(shí)間內(nèi)即對(duì)紙張透明度和纖維之間的結(jié)合力有較大程度的影響,再繼續(xù)延長(zhǎng)浸漬時(shí)間則對(duì)紙張強(qiáng)度的影響程度變?。煌瑫r(shí),要增加透明劑對(duì)纖維之間空隙的填充并最大限度地提高紙張透明度,適當(dāng)延長(zhǎng)透明劑處理時(shí)間對(duì)提高紙張透明度是有利的。但是綜合考慮紙張物理強(qiáng)度的變化,以及延長(zhǎng)浸漬時(shí)間對(duì)生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本、紙機(jī)操作等的不利影響等,確定實(shí)際生產(chǎn)中最佳浸漬時(shí)間為5 s。

圖2 浸漬時(shí)間對(duì)紙張透明度的影響

圖3 浸漬時(shí)間對(duì)紙張耐破指數(shù)的影響

圖4 浸漬時(shí)間對(duì)紙張抗張指數(shù)的影響

圖5 浸漬時(shí)間對(duì)紙張撕裂指數(shù)的影響

2.3 浸漬溫度對(duì)透明劑應(yīng)用性能的影響

固定透明劑固含量為30%,浸漬時(shí)間為5 s,在25～65℃范圍內(nèi)改變浸漬溫度,研究了浸漬溫度對(duì)透明劑浸漬紙張后紙張透明度、強(qiáng)度等性能的影響。

2.3.1 對(duì)透明度的影響

表3和圖6分別為浸漬溫度對(duì)其滲透性和紙張透明度的影響。

表3 浸漬溫度對(duì)透明劑浸透性能的影響

圖6 浸漬溫度對(duì)紙張透明度的影響

由表3和圖6可以看出,在一定范圍內(nèi),隨著浸漬溫度的提高,透明劑浸漬紙張后的有效浸漬量和透明度總體上變化不大。隨著浸漬溫度的提高,紙張透明度提高值變化趨勢(shì)并不明顯,在45℃時(shí),透明度達(dá)到70.9%,透明度比原紙?zhí)岣咧?4.5個(gè)百分點(diǎn),繼續(xù)提高浸漬溫度,透明度提高值反而略有下降。

理論上,隨著溫度的升高,透明劑分子運(yùn)動(dòng)劇烈,黏度減小,更有利于透明劑較充分地填充紙張空隙,從而提高浸漬量和紙張透明度。但是,實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),隨浸漬溫度的提高,反而會(huì)影響透明劑的浸漬性能。透明劑較易受熱揮發(fā),使之變得黏稠而不易流動(dòng),阻礙了透明劑有效成分向紙張內(nèi)部的滲透,導(dǎo)致進(jìn)入紙張空隙的透明劑有效成分減少。因此溫度過(guò)高,有效浸漬量和透明度提高不明顯或有所降低。

2.3.2 對(duì)紙張強(qiáng)度性能的影響

圖7～圖9分別為浸漬溫度對(duì)紙張耐破指數(shù)、抗張指數(shù)及撕裂指數(shù)的影響曲線。

圖7 浸漬溫度對(duì)紙張耐破指數(shù)的影響

圖8 浸漬溫度對(duì)紙張抗張指數(shù)的影響

圖9 浸漬溫度對(duì)紙張撕裂指數(shù)的影響

從圖7～圖9可以看到,浸漬溫度對(duì)紙張耐破指數(shù)、抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)的影響趨勢(shì)基本相同,即當(dāng)透明劑的浸漬溫度從25℃提高到65℃時(shí),紙張的耐破指數(shù)、抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)均呈下降趨勢(shì)。因此,透明劑的浸漬溫度不宜過(guò)高。

綜合紙張透明度和強(qiáng)度性能等因素,認(rèn)為可以在35～45℃范圍內(nèi)對(duì)紙張進(jìn)行透明劑浸漬處理較為適宜。

2.4 掃描電鏡觀察透明劑滲透情況

掃描電鏡采用極細(xì)的電子束在樣品表面掃描,將產(chǎn)生的二次電子用特制的探測(cè)器收集,形成電信號(hào)運(yùn)送到顯像管,在熒光屏上顯示物體[9]。通過(guò)掃描電鏡可以觀察纖維表面形態(tài)。

紙樣經(jīng)切片、固定、鍍金后,在掃描電子顯微鏡上觀察,圖10和圖11為原紙、透明紙(經(jīng)透明劑處理后)的掃描電鏡照片。

圖10 原紙的掃描電鏡照片

圖11 透明紙的掃描電鏡照片

用掃描電鏡對(duì)紙樣照相,通過(guò)對(duì)放大500倍和1000倍的觀察發(fā)現(xiàn),原紙(圖10)纖維表面界限明顯,纖維間孔隙較多而且較大。從圖11中可以發(fā)現(xiàn),纖維表面明顯黏附著油質(zhì)發(fā)亮的物質(zhì),纖維直徑大于原紙纖維直徑,纖維間的孔隙變小且更加模糊,纖維趨向于均勻介質(zhì)。纖維表面和纖維間能夠清晰地看見(jiàn)透明劑存在,說(shuō)明透明劑在原紙中有較好的留著。如此亦能說(shuō)明透明劑提高紙張透明度的原因是透明劑黏附在植物纖維上,填充原紙的孔隙或使較大孔隙變小,排走了孔隙中的部分空氣,使其介質(zhì)均一度提高,所以使浸漬透明劑后的原紙透明度提高。

3 結(jié) 論

采用自制紙張透明劑浸漬處理紙張,紙張的透明度可以達(dá)到70%以上,比原紙?zhí)岣?0個(gè)百分點(diǎn)以上。適當(dāng)提高透明劑固含量有助于紙張透明度的提高,浸漬紙張的透明劑固含量以30%為最佳。透明劑具有快速滲透的效果,最佳浸漬時(shí)間為5 s；浸漬溫度在35～45℃范圍內(nèi)可有效浸漬紙張,紙張透明度可以達(dá)到較好效果。掃描電鏡分析表明,透明劑可有效地存留于紙張內(nèi)部,填充纖維間的孔隙,黏附在纖維表面,使紙張光學(xué)介質(zhì)更加均一。

透明劑浸漬紙張一定程度上會(huì)降低紙張的強(qiáng)度性能。隨著浸漬時(shí)間的延長(zhǎng),紙張強(qiáng)度降低會(huì)更加明顯,但較短時(shí)間的浸漬可以滿足某種特種紙張透明度和強(qiáng)度要求。

[1] LI Hong, LI Xin-ping. Several Factors of Affectting the Transparency of the Paper[J]. Shanghai Paper Making, 2007, 38(3)： 19. 李 洪, 李新平. 影響紙張透明度的幾種因素[J]. 上海造紙, 2007, 38(3)： 19.

[2] LI Kui-wei. Research of Paper Transparent Agent[D].Tianjing: Journal of Tianjin University of Science & Technology, 2009. 李魁偉. 紙張透明劑的研究[D]. 天津： 天津科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2009.

[3] GAO Yu-jie, REN Ji-chun, SONG Li-guo, et al. Synthesis of Paper Transparent Agent[J].Tianjin Paper Making, 1997(4)：2. 高玉杰, 任繼春, 宋立國(guó)， 等. 紙張透明劑的合成[J]. 天津造紙, 1997(4)： 2.

[4] SHI Shu-lan, HE Fu-wang, et al. Pulp and Paper Analysis and Detection[M]. Beijing: China Light Industry Press, 2009. 石淑蘭, 何福望. 制漿造紙分析與檢測(cè)[M]. 北京： 中國(guó)輕工業(yè)出版社, 2009.

[5] CHEN Zhen-fen. On the Impact of the Paper Opacity Factor[J]. Southwest Pulp and Paper, 2006, 35(3)： 53. 陳振芬. 淺談?dòng)绊懠垙埐煌该鞫鹊囊蛩豙J]. 西南造紙, 2006, 35(3)： 53.

[6] Kenneth Moller, Thoma S Gevert. Arne Holmstrom Examination of a low density polyethylene(LDPE) film alter 15 years of service as an air and water vapour barrier[J]. Polymer Dragradation and stability, 2001, 73(1)： 69.

[7] Vander Meulen E S, Nol L, Cammerat L H. Effects of Irrigation and Plastic Mulch on Soil Properties on Semiarid Abandoned Fields[J]. Soil Science Society of American, 2006(70)： 930.

[8] GAO Yu-jie, XIE Lai-su. Development and Application of the Paper Mulch[J]. China Pulp & Paper, 2002, 21(3)： 28. 高玉杰, 謝來(lái)蘇. 紙基農(nóng)用地膜的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[J]. 中國(guó)造紙, 2002, 21(3)： 28.

(責(zé)任編輯：馬 忻)

Preparation and Application of Pape Transparent Agent

TIAN Long-gang*GAO Yu-jie GAO Li-min YUAN Xiao-jiao

(Tianjin Key Lab of Pulp & Paper, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin, 300457)

In this paper, the GWT transparent agent was prepared with complex formulation and the properties and applications of the transparent agent were studied in detail. The GWT transparent agent was a pale yellow emulsion with solids content 30% wt, refractive index 1.51 and viscosity 18.8mPa·s at 25℃. The GWT transparent agent could keep a stable property without layering and feculent in a long time under room temperature. The transparency of the paper treated with GWT transparent agent increased by 32.95% compared to the base paper, namely from 38.66% to 71.61%. At the same time, the mechanical strengthes of the paper were decreased. The transparent agent can be permeated into the paper rapidly under room temperature, the optimal permeating time was 5 seconds. The scanning electron microscopy analysis showed that, the transparent agent had a good retention rate in base paper with its adhesive ability to the fiber surface, and also the transparent agent could fill in the interspace beteeen the fibers.

transparent agent; transparency; transparent paper; physical strength

田龍鋼先生，在讀碩士研究生；主要研究方向：紙用透明劑的研究與開(kāi)發(fā)。

2014- 12- 07(修改稿)

TS727+.2

A

0254- 508X(2015)05- 0023- 05