磁性粒子粒徑和填充度對磁性紙性能的影響

楊 欣 龍 柱

(1.金東紙業(yè) (江蘇)股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江，212132;2.江南大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 無錫，214122;3.江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫，214122)

磁性紙就是在漿料里添加磁性材料或在原紙上涂一層磁性材料而制得的具有磁性能的功能紙。除了具備其他磁性記錄介質(zhì)的功能外，還具有隱蔽性，可直接在紙張上面印刷。廣泛應(yīng)用在防偽行業(yè)、信息記錄、醫(yī)療保健和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，如在磁性紙張上印刷圖文后制作高級證券紙、高級電腦磁性識別防偽標(biāo)簽紙;在磁性紙上印刷戶外廣告，可以直接粘附在鐵器物質(zhì)表面上，無需膠黏劑，可以節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境;由于一些細(xì)菌在磁性場作用下不易生長，磁性紙也可以用于食物防腐保鮮，如Trebor包裝公司推出的蔬菜磁性保鮮包裝紙，就是充氣包裝技術(shù)與先進(jìn)的磁性紙包裝技術(shù)的結(jié)合使用[1-3］。

磁性紙在美國和日本的研究較早，有關(guān)磁性紙的填充方面的研究逐漸成熟，我國的江南大學(xué)、華南理工大學(xué)、天津科技大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)對此也有所研究。常用的磁性粒子有Fe2O3、Fe3O4、CrO2和鋇氧鐵磁體等。在磁性中填充的磁性粒子常用Fe3O4。

細(xì)胞腔填充磁性紙是在紙漿纖維細(xì)胞腔內(nèi)填充磁性粒子，形成濕紙幅后充磁，再干燥成磁性紙，可廣泛應(yīng)用在防偽行業(yè)、信息記錄、電磁波屏蔽、醫(yī)療保健等領(lǐng)域[1-5］。目前在美國和日本已經(jīng)使用紅麻漿來研究這類磁性紙的實驗室工藝，由于纖維細(xì)胞腔的內(nèi)徑比較小，如何提高纖維細(xì)胞腔的填充度一直是研究的熱點之一。只有提高填充在細(xì)胞腔內(nèi)的磁性粒子的密度，才能更深層次地開拓磁性紙的使用價值。國內(nèi)外研究者[6-12］分別在不同紙漿纖維中填充磁性粒子，取得了一定的效果。

針葉木漿纖維的強(qiáng)度較其他種類造紙纖維的強(qiáng)度高，孔徑大[12］，是細(xì)胞腔法制磁性紙材料的首選。本實驗旨在探討磁性粒子的粒徑和填充度對磁性紙性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗材料和儀器

進(jìn)口針葉木漿，打漿至游離度 (CSF)710 mL;Fe3O4，分析純，粒徑≤5 μm，純度≥98%，外購;硫酸鋁，分析純;聚乙烯亞胺 (PEI)，相對分子質(zhì)量60000，Sigma公司。

S312-250H高速攪拌器，上海申生科技有限公司;ZQJ1-B-Ⅱ紙樣抄取器，陜西科技大學(xué)機(jī)械廠制造;Quanta-200電子顯微鏡，荷蘭 Fei公司生產(chǎn)。

紙張抗張強(qiáng)度、耐破度和耐折度均按國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測定。

1.2 磁性粒子填充實驗方法

將磁性粒子Fe3O4分散在Al2(SO4)3水溶液中，經(jīng)過攪拌制備成填料懸浮液，另取針葉木漿分散于另一相同濃度 Al2(SO4)3水溶液中，在轉(zhuǎn)速為2500 r/min的實驗室攪拌器下解離30 min后，向其中加入已經(jīng)制備好的Fe3O4懸浮液并高速攪拌一定時間，磁性粒子Fe3O4進(jìn)入纖維細(xì)胞腔，并有一部分附著在纖維表面。然后，向漿液中添加PEI，在低攪拌速度 (600 r/min)下處理漿料數(shù)小時。處理后，在纖維篩分儀 (325目篩網(wǎng))流水劇烈沖洗填充后的紙漿纖維表面，以便沖洗掉纖維表面多余的Fe3O4填料，然后用紙樣抄取器抄片。

1.3 填充度測量

紙樣在105℃下干燥12 h，然后在900℃高溫下灼燒4 h，測定灰分含量，用灰分含量表征細(xì)胞腔的填充度。

1.4 磁性能分析

磁特性通過EV5振蕩樣品磁強(qiáng)計(VSM，ADE Corp)進(jìn)行檢測。放置在支架上的紙樣垂直振動，紙樣的磁性偶極子在一對線圈里感應(yīng)出一個AC信號[13］。

2 結(jié)果與討論

2.1 填充不同粒徑磁性粒子磁性紙的磁性能

飽和磁強(qiáng)度Ms是將磁性粒子達(dá)到最大的磁飽和強(qiáng)度時外磁場需要施加的磁場強(qiáng)度;剩余磁飽和強(qiáng)度Mr為外界磁場撤銷后，磁性紙所保留的磁場強(qiáng)度;矯頑力Hc是將磁性紙的磁性消除需要施加的反向磁場的強(qiáng)度。

填充不同粒徑的磁性粒子與磁性紙的填充度和磁性能的關(guān)系如表1所示。

表1 不同粒徑的磁性粒子與磁性紙?zhí)畛涠群痛判阅艿年P(guān)系

從表1可以看出，磁性粒子的粒徑對磁性紙的磁性能影響非常大，1#磁性粒子的粒徑最小，其磁性紙的填充度、飽和磁強(qiáng)度Ms和剩余磁飽和強(qiáng)度Mr都最大，說明磁性粒子的粒徑越小，越有利于填充，到達(dá)纖維細(xì)胞腔內(nèi)的磁性粒子數(shù)量越多，填充度也越高;3#磁性粒子的粒徑最大，填充到纖維細(xì)胞腔中的量最少，但是矯頑力Hc最大，是由于矯頑力與填充的磁性粒子的種類、粒徑有關(guān);2#的剩磁比最大，即外界磁場消失后，它所保留的磁性最強(qiáng)。因此，需要根據(jù)磁性材料的用途，來選擇合適的粒子粒徑。

2.2 不同填充度磁性紙的磁性能

通過改變不同的工藝條件，使磁性紙內(nèi)的相同粒徑磁性粒子的填充度 (灰分含量)分別達(dá)到10%、11%、12%、13%、16%、17%。不同填充度的磁性紙的磁性能見表2。

從表2可以看出，采用相同粒徑的磁性粒子，磁性紙磁飽和強(qiáng)度Ms和剩余磁飽和強(qiáng)度Mr隨填充度的增加而增加，填充度從10%增加到17%，磁飽和強(qiáng)度Ms和剩余磁飽和強(qiáng)度Mr分別從7.92 emu/g和1.10 emu/g增加到10.97 emu/g和1.57 emu/g，說明這兩種磁性強(qiáng)度指標(biāo)和填充在纖維細(xì)胞腔內(nèi)的密集程度有關(guān);矯頑力Hc的大小基本上不受填充度的影響，保持在148 oe左右 (同種磁性粒子相同粒徑的矯頑力相同)。

表2 相同粒徑不同填充度磁性紙的磁性能

圖1 填充前的紙張

圖2 填充后的紙張

圖3 填充度對紙張強(qiáng)度的影響

2.3 填充度對磁性紙物理強(qiáng)度的影響

圖1和圖2分別是填充磁性粒子前后紙張截面的電鏡照片。從圖2可以看出，填充后仍有部分磁性粒子黏附在纖維表面，降低了纖維間的氫鍵結(jié)合，造成紙張抗張指數(shù)、耐破指數(shù)和耐折度不同程度的下降。

圖3所示為填充度對紙張強(qiáng)度的影響。從圖3可以看出，與原紙的物理強(qiáng)度相比，填充磁性粒子后的紙樣抗張指數(shù)緩慢下降，耐破指數(shù)降低的幅度不大，耐折度有一定程度的下降，這是由于沖洗階段流失的細(xì)小纖維以及長纖維分絲帚化處殘留的磁性粒子造成物理強(qiáng)度下降的綜合表現(xiàn)。

3 結(jié)論

實驗研究了磁性粒子粒徑和填充度對磁性紙性能的影響。

3.1 小粒徑的磁性粒子更容易填充到纖維細(xì)胞腔中，而磁性紙的矯頑力與磁性粒子的粒徑有關(guān)，粒徑越小，矯頑力也相應(yīng)減小。

3.2 對于填充同種類的磁性粒子，磁性紙的磁飽和強(qiáng)度和剩余磁飽和強(qiáng)度與填充度有關(guān)。

3.3 填充磁性粒子后的磁性紙物理強(qiáng)度低于原紙，尤其是耐折度降低程度最大。

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