一種新型陽離子復(fù)合表面施膠劑的研制及應(yīng)用

劉士亮 李廣勝

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室,廣東廣州，510640)

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·新型表面施膠劑·

一種新型陽離子復(fù)合表面施膠劑的研制及應(yīng)用

劉士亮 李廣勝

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室,廣東廣州，510640)

研制了一種新型陽離子復(fù)合(AKD-石蠟)表面施膠劑，考察了該施膠劑對瓦楞原紙的施膠效果。結(jié)果表明，自制新型陽離子復(fù)合表面施膠劑制備工藝簡單；相同施膠量下與陽離子SAE施膠劑相比,新型陽離子復(fù)合表面施膠劑施膠紙的縱向環(huán)壓指數(shù)、耐破指數(shù)和耐折度分別提高14%、8%和25%；當(dāng)施膠量為2 kg/t紙時，與陽離子SAE施膠劑相比，表面施膠成本降低4元/t紙。

新型陽離子復(fù)合表面施膠劑；紙張強(qiáng)度；防潮性能

眾所周知,為了滿足紙張的使用性能,有必要對紙張進(jìn)行施膠處理[1-2]。與國外造紙行業(yè)相比,我國的造紙施膠技術(shù)發(fā)展緩慢,很多造紙企業(yè)仍然采用國外幾十年前所采用的施膠技術(shù)和方法,隨著近年來造紙行業(yè)快速融入國際化和市場競爭的加劇,國內(nèi)外的科研部門研發(fā)了一些表面施膠技術(shù)及表面施膠劑,如SAE(陽離子苯乙烯丙烯酸酯)、AKD(烷基烯酮二聚體)等各類型表面施膠劑[3-12],但這些表面施膠還存在以下問題。

(1)表面施膠主要是酸性施膠,紙張容易返黃和發(fā)脆,對后續(xù)處理帶來不少困難。

(2)表面施膠的下機(jī)檢測指標(biāo)合格，但存放一段時間后容易返潮。

(3)AKD類表面施膠劑熟化時間較長,易返潮造成強(qiáng)度指標(biāo)衰減等,成本相對于苯丙類施膠劑沒有明顯優(yōu)勢。

針對這些問題,筆者對國內(nèi)近年來發(fā)展迅速的AKD中性施膠技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化和改良,研究合成一種新型陽離子復(fù)合表面施膠劑,以達(dá)到簡化表面施膠劑制備工藝、縮短熟化時間、提高紙張強(qiáng)度等目的。

1 新型陽離子復(fù)合表面施膠劑的制備及檢測方法

1.1 實(shí)驗原料

HM-633A陽離子淀粉,工業(yè)級,東莞市匯美淀粉科技有限公司；NX-10羧甲基纖維素(CMC),工業(yè)級,江陰市恒達(dá)化工有限公司；烷基烯酮二聚體(AKD),工業(yè)級,蘇州天馬精細(xì)化學(xué)品股份有限公司；昆侖牌58#石蠟,工業(yè)級；一級松香,工業(yè)級；HG01陽離子乳化劑；表面活性劑,江蘇四新界面劑科技有限公司；穩(wěn)定劑；陽離子SAE表面施膠劑,東莞某造紙材料廠。

1.2 實(shí)驗儀器

DF-101S集熱式恒溫水浴鍋,鞏義市予華儀器有限公司；JJ200電子天平,常熟市雙杰測試儀器廠；pH計；NDJ-8S數(shù)顯黏度計,上海平軒科學(xué)儀器有限公司；101-1電熱恒溫干燥箱,廣州市康恒儀器有限公司；Mastersizer2000激光粒度分析儀,ZEN3600電位儀。

1.3 新型陽離子復(fù)合表面施膠劑的制備方法

筆者在傳統(tǒng)AKD中性施膠乳液制備設(shè)備的基礎(chǔ)上[12],對其進(jìn)行了優(yōu)化和改良,發(fā)明了專用的生產(chǎn)反應(yīng)器，見圖1。

圖1 新型陽離子復(fù)合表面施膠劑生產(chǎn)反應(yīng)器

具體操作步驟如下：

(1)將50份去離子水+1份陽離子淀粉+1份CMC攪拌至溶解。

(2)加熱升溫至95℃左右糊化通透,此時為灰色。

(3)加1份一級松香待完全溶解后(微黃色),緩慢加入4份陽離子乳化劑,勻速攪拌,90℃保溫反應(yīng)30～60 min(周邊會有少量氣泡)。

(4)加4份AKD,此時加大轉(zhuǎn)速,控制膨脹氣泡,完全溶解后(溶解時間很短),馬上加2份石蠟、0.5份表面活性劑,石蠟溶解(溶解時間很短)后,停止加熱,80～90℃保溫10 min,降溫到60～70℃左右加入穩(wěn)定劑,勻速攪拌。

(5)用凍水迅速冷卻,常溫25℃左右出料,得到自制新型陽離子復(fù)合表面施膠劑(以下簡稱復(fù)合表面施膠劑)。

(6)表觀檢測。將復(fù)合表面施膠劑用清水試驗,滴一點(diǎn)復(fù)合表面施膠劑在清水表面,其應(yīng)呈現(xiàn)分散快、水面成一層均一薄膜，分絲狀；下沉很慢,霧狀懸浮在水中；膠體呈微黃乳白色。

1.4 復(fù)合表面施膠劑特征檢測方法

(1)固含量：將復(fù)合表面施膠劑在105℃的烘箱中烘干2 h后取出,在干燥器中冷卻至室溫,稱取固含量進(jìn)行計算。

(2)pH值：采用pH計進(jìn)行檢測。

(3)黏度：在室溫下使用1#轉(zhuǎn)子,在60 r/min的條件下檢測。

(4)平均粒徑：采用激光顆粒度分析儀進(jìn)行檢測。

(5)Zate 電位：采用電位儀檢測。

1.5 復(fù)合表面施膠劑特征指標(biāo)檢測結(jié)果

復(fù)合表面施膠劑特征指標(biāo)檢測結(jié)果如表1所示。

表1 復(fù)合表面施膠劑性能指標(biāo)

形態(tài)固含量/%pH值黏度/mPa·s平均粒徑/μm穩(wěn)定性乳白色液體157-930-10050.1761個月

2 復(fù)合表面施膠劑的應(yīng)用

將復(fù)合表面施膠劑對瓦楞原紙進(jìn)行表面施膠應(yīng)用實(shí)驗，考察其對紙張性能的影響，并與陽離子SAE施膠劑的施膠效果進(jìn)行對比。

本實(shí)驗表面施膠方法為：將表面施膠液置于75℃恒溫水浴鍋內(nèi)保溫,施膠速度為5×6 mm/s,對瓦楞原紙的正面進(jìn)行表面施膠,施膠后放至鼓風(fēng)干燥箱干燥,干燥箱溫度為80℃；紙張干燥后，在重物下平壓12 h,平衡水分后,稱量質(zhì)量,計算施膠量。反面的施膠操作同正面,平衡水分后,測試紙張性能。

2.1 成膜對比

通過掃描電鏡對未施膠瓦楞原紙、復(fù)合表面施膠劑和陽離子SAE表面施膠后的瓦楞原紙進(jìn)行觀察,對比電鏡照片,比較成膜性能,實(shí)驗結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 未表面施膠瓦楞原紙(×600)

圖2 復(fù)合表面施膠劑施膠后瓦楞原紙(×600)

圖3 陽離子SAE施膠后瓦楞原紙(×600)

由圖1～圖3可知，與未表面施膠的紙張表面相比,無論是陽離子SAE施膠劑還是復(fù)合表面施膠劑,施膠后的成膜性都比較好,構(gòu)成紙張的纖維間隙被表面施膠劑良好的填充,纖維間結(jié)合的更加緊密,從而賦予紙張良好的表觀性能。

2.2 復(fù)合表面施膠劑施膠對紙張性能的影響

表2為復(fù)合表面施膠劑對紙張PPS粗糙度及防水性能的影響。由表2可知,與未施膠瓦楞原紙相比,復(fù)合表面施膠劑施膠后瓦楞原紙的抗水性明顯提高,紙張緊度及PPS粗糙度沒有明顯的變化。與陽離子SAE施膠的瓦楞原紙相比，復(fù)合表面施膠劑施膠紙的Cobb值降低,說明施膠紙的防水性能有所改善。

表3為復(fù)合表面施膠劑對紙張強(qiáng)度性能的影響。由表3可知，與未表面施膠瓦楞原紙相比，復(fù)合表面施膠劑對紙張強(qiáng)度的提高非常顯著，如縱向環(huán)壓指數(shù)由2.1 N·m/g提高到4.0 N·m/g,耐折度由11次提高到15次,挺度由37.2 mN·m提高到48.2 mN·m,從這個角度來看,它不僅是一種較好的表面施膠劑,也是一種性能優(yōu)良的紙張增強(qiáng)劑；另外，在相同施膠量下，與陽離子SAE表面施膠結(jié)果相比，復(fù)合表面施膠劑具有更好的紙張增強(qiáng)效果,縱向環(huán)壓指數(shù)、耐破指數(shù)和耐折度分別提高14%、8%和25%。

2.3 復(fù)合表面施膠劑施膠后紙張防潮性能的檢測

評價一種表面施膠劑的效果優(yōu)劣,其防潮性能也是重點(diǎn)考慮的一個要素,特別是對南方地區(qū)的包裝用紙,只有具備較好的防潮功能,才更適合實(shí)際生產(chǎn)和下游用戶的需要。復(fù)合表面施膠劑表面施膠后紙張的防潮性能檢測結(jié)果見表4。

由表4紙張吸潮后結(jié)果可以看出,經(jīng)復(fù)合表面施膠劑施膠后紙張回潮率為32.6%。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

當(dāng)施膠劑用量大約為2 kg/t紙時,使用復(fù)合表面施膠劑(固含量15%)按6000元/t計算,則施膠成本12元/t紙。而現(xiàn)在市場上常用的陽離子SAE表面施膠劑(固含量30%),市場價一般為8000元/t,則施膠成本16元/t,因此,使用復(fù)合表面施膠劑可降低生產(chǎn)成本4元/t,這對于生產(chǎn)量大的紙廠來說,經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

表2 復(fù)合表面施膠劑對紙張粗糙度及防水性能的影響

瓦楞原紙定量/g·m-2厚度/μm緊度/g·cm-3PPS粗糙度/μmCobb60值/g·m-2未表面施膠87.0158.60.558.5476.54復(fù)合表面施膠劑施膠94.1159.30.599.2320.85陽離子SAE施膠94.2160.00.589.2726.53

表3 復(fù)合表面施膠劑對紙張強(qiáng)度性能的影響

瓦楞原紙定量/g·m-2縱向環(huán)壓指數(shù)/N·m·g-1耐破指數(shù)/kPa·m2·g-1耐折度/次縱向抗張指數(shù)/N·m·g-1撕裂指數(shù)/mN·m2·g-1挺度/mN·m未表面施膠87.02.11.181135.176.0337.2復(fù)合表面施膠劑施膠94.14.01.431539.006.0948.2陽離子SAE施膠94.23.51.371239.206.0848.5

表4 復(fù)合表面施膠劑施膠后紙張防潮性能檢測結(jié)果

平衡前平衡后吸潮后實(shí)測定量/g·m-2橫向環(huán)壓指數(shù)/N·m·g-1均值橫向環(huán)壓指數(shù)/N·m·g-1均值橫向環(huán)壓指數(shù)/N·m·g-1均值回潮率/%1318.31328.51339.01319.01328.31289.01338.81359.48.88.89.79.49.29.29.48.89.29.26.36.56.46.16.36.05.66.66.232.61

注 此方法為生產(chǎn)企業(yè)的檢測方法,實(shí)驗用紙為130 g/m2瓦楞原紙。檢測環(huán)境：溫度22℃,濕度50%；平衡條件：紙樣在溫度23℃、濕度50%的恒溫恒濕箱中放置4 h；吸潮條件：紙樣在溫度25℃、濕度90%恒溫恒濕箱中放置2 h。

3 結(jié) 論

3.1 與市場常用的表面施膠劑相比，自制的新型陽離子復(fù)合表面施膠劑制備工藝簡單、高效。

3.2 與陽離子SAE表面施膠劑相比,新型陽離子復(fù)合表面施膠劑施膠紙張的縱向環(huán)壓指數(shù)、耐破指數(shù)、耐折度分別提高14%、8%和25%。

3.3 新型陽離子復(fù)合表面施膠劑紙張回潮率為32.6%。

3.4 當(dāng)施膠劑用量約為2 kg/t紙時，與陽離子SAE表面施膠劑相比,新型陽離子復(fù)合表面施膠劑施膠生產(chǎn)成本降低4元/t紙。

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(責(zé)任編輯：常 青)

Preparation and Application of the New Cationic Composite Surface Sizing Agent

LIU Shi-liang*LI Guang-sheng

(StateKeyLabofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince,510640)(*E-mail:liushiliang1974@126.com)

A new type of cationic composite surface sizing agent which was developed on the basis of traditional AKD neutral size was introduced.Comparing with common cationic SAE sizing agent,the preparation of new composite cationic surface sizing agent was simple,on the paper MD ring crush index,burst index and folding strength increased by 14%,8% and 25%.When sizing amount was 2 kg/t paper,surface sizing cost reduced 4 yuan/ton.

cationic composite surface sizing; paper strength; moisture-proof

劉士亮先生，博士；主要研究方向：造紙高新技術(shù)、新型高效磨漿技術(shù)及設(shè)備、填料改性技術(shù)的研發(fā)。

2014-09-01(修改稿)

TS727+.2

A

0254-508X(2015)02-0025-04