造紙助劑用于紙漿模塑制品表觀性能的改善

汪 欣， 張新昌*，2

(1．江南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇無錫214122;2．江南大學(xué)江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫214122)

隨著現(xiàn)代工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，紙漿模塑制品已成為公認(rèn)的綠色包裝材料。其緩沖性能優(yōu)越，原料來源廣泛，成本低廉，包裝整體性好，且具有優(yōu)良的環(huán)保特性，因此具有廣闊的市場和發(fā)展前景［1-3］。隨著紙漿模塑制品的推廣應(yīng)用，消費者對其生產(chǎn)提出了越來越高的要求，希望紙漿模塑制品表面光潔平整無雜質(zhì)、具有良好的視覺效果和繽紛的色彩等［4-5］。因此，研究解決紙模制品生產(chǎn)中困擾已久的表觀不足問題對提高國民經(jīng)濟的水平、促進(jìn)國民經(jīng)濟發(fā)展具有現(xiàn)實意義。

本研究擬借助常用于造紙漿內(nèi)施膠的助劑AKD、CS和CPAM對紙漿懸浮液作用，通過控制各助劑的添加量研究其對紙漿模塑制品表觀平滑度和勻度的影響，以期獲得改善紙模表觀性能的最優(yōu)助劑配方并用于指導(dǎo)實際生產(chǎn)。

1 實驗與方法

1．1 試驗原材料

制漿原料，國產(chǎn)廢舊單面瓦楞紙板;AKD乳液，陽離子型高分子化合物，固含量 (15±0．5)%，青州金昊化工有限公司;HSCS-02季銨型陽離子玉米淀粉，聊城市高科化工有限公司;陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)，分子質(zhì)量2 000萬，固含量≥90%，河南鞏義市東佳凈水材料有限公司。

1．2 試驗儀器

試驗儀器如表1所示。

表1 實驗儀器及設(shè)備Tab．1 Experimental apparatuses and equipments

1．3 試驗材料制備方法

平板狀紙漿模塑制品制備工藝流程:浸泡廢紙→碎漿→洗漿→配漿→添加助劑→攪拌均勻→成型→脫?！稍铩巍銣睾銤裉幚怼?/p>

將國產(chǎn)廢舊單面瓦楞紙板撕裂成約25 mm×25 mm的碎片，在水中浸泡約12 h進(jìn)行碎漿、過濾和清洗，并添加適量的蒸餾水配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的紙漿懸浮液，分別加入不同質(zhì)量且預(yù)先制備好的CS糊化液、CPAM或AKD乳化液;在300 r/min的速率下攪拌均勻，加入紙漿模塑成型機的儲漿池，固定好指定小型模具，進(jìn)行紙漿模塑試樣成型并脫模。在85℃條件下干燥2 h至試樣含水率約為30% ～35%［6］后取出，在XLB 400×400平板硫化機上經(jīng)整形得到試驗試樣。按照《GB/T 10739—2002紙、紙板和紙漿試樣處理和試驗的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件》對試樣進(jìn)行恒溫恒濕處理后［7］，按要求取樣并進(jìn)行性能測定。

CS糊化液的制備過程:稱取一定量的CS粉末，加入適量的蒸餾水配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的淀粉溶液，放置90℃恒溫水浴鍋中以300 r/min進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，恒溫水?0 min左右，加入一定量的蒸餾水將糊化液稀釋到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，60℃ 保溫備用。

1．4 試樣性能測試方法

平滑度是紙和紙板的表面性質(zhì)之一，它是評價紙和紙板表面凹凸程度的技術(shù)指標(biāo)，是表示紙和紙板表面平整、光滑的物理量［8］。紙制品的表觀平滑度指紙制品表面在自由狀態(tài)下的平滑度［9］。平滑度的概念也同樣適用于評價紙漿模塑制品的表面性能。作為工業(yè)包裝用品的紙漿模塑，若擁有較好的平滑度，則能給消費者在視覺上以舒服、高檔、有質(zhì)感等美的感受。

勻度是指紙制品表面的均勻性。紙張的勻度定義為紙張在一定面積上質(zhì)量或定量的真實分布情況。如果分布是均勻一致的，則稱紙張勻度好;如果分布是參差不齊，則稱紙張勻度是差的。紙制品的勻度是評價其質(zhì)量的一個很重要指標(biāo)，勻度不但影響制品外觀，同時也影響到制品的物理性能和光學(xué)性能。好的勻度是紙制品取得優(yōu)美外觀和良好強度的必要條件［10］。

1．4．1 表面平滑度測試 對于同一接觸表面而言，比較兩個不同紙模制品的平滑度即相當(dāng)于比較這兩個制品分別與該特定接觸表面間的摩擦系數(shù)，其中摩擦系數(shù)低的則代表其表觀平滑度更好。本研究中，將通過測定不同紙漿模塑試樣針對某一特定紙面的摩擦系數(shù)來表征該試樣的平滑度。

采用 MXD-01型摩擦系數(shù)儀器，按照《GB10006—88塑料薄膜和薄片摩擦系數(shù)的測定方法》［11］，將平板狀紙模制品裁成63 mm ×63 mm的尺寸，測試其摩擦系數(shù)，每組取3個試樣進(jìn)行測量，然后取平均值。

1．4．2 勻度指數(shù)測試方法 目前評價勻度最簡單最直觀的方法為目測法，即將要檢查的紙樣迎光目測，觀察紙樣透光的情況，通過明暗對比，分辨出絮凝的纖維塊的厚薄大小及相互間的距離，并和企業(yè)自定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)紙樣對比來評判是否合格。但這種方法沒有數(shù)據(jù)，很難準(zhǔn)確進(jìn)行評定。

結(jié)合本研究現(xiàn)有的試驗條件，測定紙模制品表觀勻度時采用的具體方法為:從所制得的紙模試樣的中間部位，裁切出56 mm×56 mm的方塊，并劃成4×4，即邊長為14 mm的小方格，用高精度的分析天平測定每個小方格的質(zhì)量，獲得16個定量數(shù)據(jù)，再求取平均定量G和標(biāo)準(zhǔn)偏差S，并通過上述公式來計算勻度指數(shù)，每組試驗做3個試樣進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2．1 AKD用量對紙模制品表觀性能的影響

在制備好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的紙漿懸浮液中分別添加不同質(zhì)量的AKD乳液，使其固體用量(相對于絕干漿的用量)分別為:0．1%，0．2%，0．3%，0．4%，0．5%，制成試樣后分別測定其表觀性能。AKD用量對紙模制品表觀性能的影響如圖1所示。

圖1 AKD添加量對紙模制品表觀性能的影響Fig．1 Effect of the AKD amount on apparent performance of molded pulp products

從圖1可知，在制備紙漿模塑試樣的漿料中加入AKD可以有效改善其表觀平滑度，其較好的用量為0．2% ～0．3%，且加入AKD后試樣的表面勻度也有所改變，在0．1% 時效果最佳;當(dāng)AKD用量相對于絕干漿質(zhì)量比超過0．4% 后，與AKD反應(yīng)的纖維已達(dá)到飽和狀態(tài)，無法進(jìn)一步提高制品的成型勻度。綜合考慮確定AKD的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．15% ～0．25%。

經(jīng)進(jìn)一步測定，當(dāng)AKD添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．25%時，其表觀平滑度為0．363，勻度指數(shù)為2．278。結(jié)合本試驗及文獻(xiàn)閱讀結(jié)果［13-16］，確定在后續(xù)考察其他助劑與AKD共同作用以改善紙模制品表觀性能的效果時，采用的AKD添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．25%(針對絕干漿的質(zhì)量比，下同)。

2．2 CS用量對紙模制品表觀性能的影響

向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的紙漿懸浮液中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的CS糊化液(相對于絕干漿的用量)1%，2%，3%，4%，5%，并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0．25%的AKD乳液，攪拌均勻后制成試樣并測定其表觀性能。CS用量對紙模制品表觀性能的影響如圖2所示。

圖2 CS添加量對AKD改善紙模制品表觀性能的影響Fig．2 Effect of CS amount on AKD improving apparent performance of molded pulp

從圖2可看出，與空白試樣(僅添加AKD)相比，當(dāng)CS相對于絕干漿的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1% 到4%的范圍內(nèi)變化時，試樣的摩擦系數(shù)有不同程度的降低，即在該過程中試樣的表面平滑度增加了;而CS的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)到達(dá)5%時，試樣的摩擦系數(shù)略高于空白樣，即此時CS的加入已不利于提高紙模制品表觀平滑度。隨著CS添加量的增加，試樣的勻度指數(shù)先增加后降低，即勻度先提高后下降。其中，當(dāng)CS添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%到4%范圍內(nèi)時所測勻度指數(shù)均低于空白試樣，即在此范圍內(nèi)CS與AKD共同作用，能有效降低制品的成型勻度;但當(dāng)CS添加量超過4%后，制品勻度則逐步降低，甚至高于空白試樣。

這是由于加入CS后，漿料中的陰離子垃圾等負(fù)電荷首先與其結(jié)合，從而給細(xì)小纖維提供了更多和AKD結(jié)合的機會，使得細(xì)小纖維的留著增加，附著在長纖維表面，從而成型的紙模制品表面更光滑，勻度更高;而當(dāng)CS添加過多時會使得纖維發(fā)生絮聚，降低制品成型勻度和表面平滑度，且過多的糊狀陽離子淀粉可能會造成塞網(wǎng)。

綜合考慮添加CS對AKD改善紙模制品表觀平滑度及勻度的促進(jìn)作用，CS的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)以在2% ～3% 范圍內(nèi)(針對絕干漿的質(zhì)量比)為宜。

2．3 CPAM用量對紙模制品表觀性能的影響

向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的紙漿懸浮液中分別加入CPAM 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．02%，0．04%，0．06%，0．08%，0．10%，并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0．25% 的AKD乳液，水浴加熱并攪拌均勻后制成試樣并測定其表觀性能。CPAM用量對紙模制品表觀性能的影響如圖3所示。

圖3 CPAM添加量對紙模制品表觀性能的影響Fig．3 Effect of CPAM amount on AKD improving apparent performance of molded pulp products

由圖3可知，當(dāng)CPAM用量在0．06%以下時，試樣摩擦系數(shù)隨其添加量增加呈下降趨勢，且當(dāng)用量為0．06% 時達(dá)到最小，相比空白樣降低了約18．2%，表明此時試樣的表觀平滑度得到了較大改善，且比添加CS時改善效果更明顯;而當(dāng)用量超過0．06%后，摩擦系數(shù)又逐漸增大;當(dāng)添加量為0．10% 時，其摩擦系數(shù)已高于空白試樣，表明此時添加的CPAM降低了制品表觀平滑度。

同時，隨著CPAM的加入，試樣表面勻度先提高，后降低。這是因為CPAM和CS一樣，都是陽離子型助劑，加入漿料中后與漿料中的陰離子物質(zhì)反應(yīng)，提高了細(xì)小纖維與AKD結(jié)合的機會，使更多細(xì)小纖維留著在漿料中，改善了紙模成型時的均勻性，因而其表面更光滑。但當(dāng)CPAM過量時則會使纖維產(chǎn)生絮聚現(xiàn)象，使?jié){料濾水性能下降［18］，影響制品成型的均勻性，降低制品的表面性能。而CPAM與CS的改善效果不同可能是由于兩者的分子量及陽離子度不同造成的。

綜合考慮添加CS對制品表觀平滑度和勻度的影響，同時本著建設(shè)資源節(jié)約型社會的要求，確定CPAM添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍以0．04% ～0．05%為宜。

2．4 3個因素對平板紙模試樣表觀平滑度和勻度的綜合影響

在上述單因素試驗中，CS和CPAM都是作為陽離子助劑，先加入漿料中以中和一部分陰離子垃圾，使AKD能更高效地與細(xì)小纖維結(jié)合，以提高其留著和增強纖維間的結(jié)合力。故可進(jìn)一步考慮采用兩種助劑共同與AKD作用來改善紙漿模塑制品的表面性能，且正交復(fù)配試驗經(jīng)常能達(dá)到“1+1大于2”的效果。

在此基礎(chǔ)上，以CS、CPAM和AKD的添加量為影響因素，進(jìn)行L9(34)的正交試驗來分析各助劑的用量對平板紙模制品表觀性能的影響。通過綜合考慮各因素的影響作用，確定出因素水平如表2所示，試驗結(jié)果如表3所示。

表2 正交試驗因素水平Tab．2 Orthogonal factor level table

表3 正交試驗結(jié)果Tab．3 Orthogonal experiment results

對制品表觀平滑度和勻度指數(shù)分別進(jìn)行極差分析，其結(jié)果如表4，5所示。

表4 表觀平滑度極差分析表Tab．4 Range analysis of apparent smoothness

表5 勻度指數(shù)極差分析表Tab．5 Range analysis of apparent smoothness

從表4可以看出，各因素對表觀平滑度影響的主次順序為:AKD用量 ＞CPAM用量 ＞CS用量，其中可能較好的方案為C2B1A2。從表5的極差分析可以看出，各因素對勻度指數(shù)影響的主次順序為:AKD用量 ＞CS用量 ＞CPAM用量，其中可能較好的方案為C2B2A1。

綜合分析3個因素對平板紙模試樣表觀平滑度和勻度的影響可知，在選擇較好的配方時應(yīng)以AKD用量為主，CPAM和CS用量則可在綜合比較試驗效果的基礎(chǔ)上，本著節(jié)約成本、降低消耗的原則來確定，分別選擇A1和B1水平。綜合上述分析，優(yōu)方案為A1B1C2，即CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1．5%，CPAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．03%，AKD質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．25%。由于該方案不包含上述正交表中已進(jìn)行的試驗方案中，因此按照這個組合配方制作6個試樣并分別測定、計算其表面平滑度和勻度指數(shù)，結(jié)果顯示其摩擦系數(shù)為0．332，勻度指數(shù)為 2．087，相比于未添加任何助劑所制得的試樣分別提高了24%和19%，表面性能得到較大改善。

3 結(jié)語

在生產(chǎn)紙漿模塑制品的漿料中添加造紙用助劑AKD、CS和CPAM能有效改善制品的表觀平滑度和勻度，其最佳配方為:CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)(針對絕干漿的質(zhì)量比)為1．5%，CPAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．03%，AKD質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．25%。按照該配方制得的紙漿模塑制品具有優(yōu)良的表觀性能，其表面平滑度相比于空白試樣提高了24%，表面勻度提高了19%。具有良好表觀性能的紙漿模塑包裝制品能給消費者帶來良好的視覺感受和美的消費體驗，從而極大地提高其作為包裝制品的附加價值，擴大其應(yīng)用領(lǐng)域，這必將推動紙漿模塑工業(yè)的更進(jìn)一步發(fā)展。

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