機(jī)制游龍紙纖維絲束制備方法的研究

陳 杰 童樹華 孟 育 周桂生 徐玉清

(浙江金昌特種紙股份有限公司,浙江衢州,324400)

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·游龍紙纖維絲束·

機(jī)制游龍紙纖維絲束制備方法的研究

陳 杰 童樹華 孟 育 周桂生 徐玉清

(浙江金昌特種紙股份有限公司,浙江衢州,324400)

實(shí)驗(yàn)以黏膠纖維為原料，以陰離子聚丙烯酰胺(APAM)、聚氧化乙烯(PEO)和陽(yáng)離子物質(zhì)A為助劑，制備機(jī)制游龍紙的纖維絲束(“游龍絲”)，研究了3種助劑對(duì)黏膠纖維制備“游龍絲”過程的影響。當(dāng)APAM用量為黏膠纖維的0.6%時(shí),“游龍絲”結(jié)構(gòu)緊密；當(dāng)PEO用量為0.2%時(shí),“游龍絲”分散效果最好；陽(yáng)離子物質(zhì)A可使“游龍絲”結(jié)構(gòu)緊密,其用量為2%時(shí),“游龍絲”形態(tài)明顯,結(jié)構(gòu)緊密,“游龍絲”在溶液中分散均勻。

“游龍絲”；黏膠纖維；APAM；PEO

游龍紙是一種新興的高檔特種紙,主要特點(diǎn)為表面具有清晰的纖維絲束紋路,提高了紙張的觀賞性；根據(jù)該纖維絲束的形態(tài)，本公司將其稱為“游龍絲”,如圖1所示。游龍紙的紋理清晰、色彩明亮、細(xì)韌柔軟,主要用于傳統(tǒng)手工藝品制作、高檔書畫紙、高檔禮盒包裝、裝飾裝潢等,還用于仿古建筑的窗戶、門、屏風(fēng)上,是一種高檔的包裝、裝飾材料,具有廣闊的市場(chǎng)前景[1]。

日本、韓國(guó)以及我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)通過不斷的研究,采用黏膠纖維制備“游龍絲”,獲得的“游龍絲”色澤明亮鮮艷、形態(tài)美觀,且通過復(fù)合技術(shù)將“游龍絲”與紙張復(fù)合,成功開發(fā)出機(jī)制游龍紙,如圖2所示。

黏膠纖維主要成分為纖維素，通過天然植物纖維加工而成，是制備“游龍絲”的原料?！坝锡埥z”要求纖維絲束結(jié)構(gòu)緊密、無分絲帚化現(xiàn)象、且在水中分布均勻,不易分散。“游龍絲”的色澤鮮艷明亮、形態(tài)自然,并且纖維的長(zhǎng)短、粗細(xì)、顏色等參數(shù)可以在生產(chǎn)或后加工過程中進(jìn)行調(diào)節(jié)[1]。

本實(shí)驗(yàn)以黏膠纖維為原料,陰離子聚丙烯酰胺(APAM)、聚氧化乙烯(PEO)和陽(yáng)離子性物質(zhì)A為助劑,制備“游龍絲”。黏膠纖維在水中易相互纏繞、絮聚成團(tuán),且纖維間結(jié)構(gòu)疏松。APAM具有提高溶液黏度、促進(jìn)纖維絮凝的作用。PEO是一種中性分散劑,具有潤(rùn)滑作用,防止較大纖維絲束的產(chǎn)生。陽(yáng)離子物質(zhì)A吸附細(xì)小纖維與“游龍絲”結(jié)合,促進(jìn)“游龍絲”的結(jié)構(gòu)緊密和形態(tài)穩(wěn)定。在制備游龍紙時(shí),在水力的沖擊作用下,“游龍絲”不會(huì)分散或起毛。

本實(shí)驗(yàn)主要研究不同助劑的用量對(duì)制備 “游龍絲” 的影響,為“游龍絲”的制備和游龍紙的開發(fā)提供關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料

圖1 傳統(tǒng)游龍紙表面“游龍絲”結(jié)構(gòu)

圖2 日本、韓國(guó)開發(fā)的機(jī)制游龍紙產(chǎn)品

黏膠纖維：由木漿纖維分離提純纖維素、溶解、噴絲制成,纖維長(zhǎng)度20～30 mm,纖度3.5～4.0D,上?？蓸符惞咎峁?；陰離子聚丙烯酰胺(APAM)：相對(duì)分子質(zhì)量800萬～1000萬,日本三井公司提供；聚氧化乙烯(PEO)：相對(duì)分子質(zhì)量400萬,日本住友化工公司提供；陽(yáng)離子性物質(zhì)A。

1.2 儀器

槽式疏解分絲裝置：結(jié)構(gòu)見參考文獻(xiàn)[2],由浙江金昌特種紙股份有限公司開發(fā)。紙機(jī)：長(zhǎng)網(wǎng)上絲機(jī)與圓網(wǎng)紙機(jī),浙江金昌特種紙股份有限公司提供。照相機(jī)：普通照相機(jī)。

1.3 “游龍絲”和游龍紙的制備

“游龍絲”制備：①將一定量的APAM加入槽式疏解分絲裝置[2],加水?dāng)嚢柚罙PAM分散均勻,調(diào)節(jié)攪拌器頻率至20 Hz左右。然后加入一定量的黏膠纖維至1%的濃度,調(diào)節(jié)攪拌器頻率至80 Hz,攪拌30 min,至出現(xiàn)絲束結(jié)構(gòu),降低攪拌器頻率至20 Hz。②加入一定量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的PEO溶液,并通過不斷攪拌,使黏膠纖維絲束結(jié)構(gòu)分散均勻。③加水稀釋至黏膠纖維濃度為0.5%,加入一定量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%陽(yáng)離子物質(zhì)A,并通過攪拌分散均勻,形成“游龍絲”溶液。

游龍紙的制備：“游龍絲”絲束制備完成后,通過長(zhǎng)網(wǎng)上絲機(jī)在網(wǎng)面形成分布均勻的“游龍絲”層；采用圓網(wǎng)紙機(jī)抄造紙張；并通過長(zhǎng)圓網(wǎng)紙機(jī)復(fù)合成形技術(shù),將“游龍絲”復(fù)合到紙張表面,經(jīng)壓榨、干燥后等制備成游龍紙[1]。

1.4 分析方法

“游龍絲”以及游龍紙的外觀及結(jié)構(gòu)都無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)通過對(duì)比分析“游龍絲”在溶液中和在紙張表面的密實(shí)性、結(jié)構(gòu)形態(tài)、分布等,優(yōu)選最佳工藝方案。

將制備好的“游龍絲”放入清水中稀釋,輕輕攪動(dòng)后,在日光燈下觀察絲的結(jié)構(gòu)緊密性,均勻性,以絲的長(zhǎng)度均勻、形態(tài)自然、無分絲分叉、無相互纏繞為較好的“游龍絲”。

“游龍絲”經(jīng)過復(fù)合至紙面制備游龍紙?！坝锡埥z”在紙面的絲結(jié)構(gòu)形態(tài)均勻、無分叉分絲和相互纏繞,作為評(píng)判 “游龍絲”的標(biāo)準(zhǔn)。

1.5 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在APAM用量、PEO用量和陽(yáng)離子物質(zhì)A用量的3個(gè)因素中,固定其中兩個(gè)因素條件下,進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn),通過對(duì)比分析,優(yōu)化實(shí)驗(yàn)工藝,獲得最佳的工藝參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 APAM用量對(duì)制備“游龍絲”的影響

黏膠纖維長(zhǎng)度20～30 mm,為了促使纖維成絲束結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)過程中PEO用量為0.2%；陽(yáng)離子物質(zhì)A用量為2%，均相對(duì)黏膠纖維絕干量。APAM用量分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%；APAM在攪拌過程中能夠吸附在纖維表面,促進(jìn)纖維之間的結(jié)合,提高纖維絲束的穩(wěn)定性,同時(shí)增加溶液的黏度。黏膠纖維在PEO、陽(yáng)離子物質(zhì)A和機(jī)械攪拌力的作用下,形成絲束結(jié)構(gòu)。圖3為APAM用量對(duì)“游龍絲”結(jié)構(gòu)的影響。

由圖3可知,當(dāng)APAM用量為0.2%時(shí),黏膠纖維之間結(jié)構(gòu)疏松,這是因?yàn)轲つz纖維表面有較多親水基團(tuán),在水分子的沖擊作用下容易分散,無明顯的成束的結(jié)構(gòu)趨向,結(jié)構(gòu)疏松。當(dāng)添加0.4%的APAM時(shí),出現(xiàn)了明顯的纖維絲束,但是纖維絲束較粗,結(jié)構(gòu)不緊密,在水流的作用下,很容易分散成游離的黏膠纖維絲。當(dāng)添加0.6%的APAM時(shí),“游龍絲”結(jié)構(gòu)較緊密,絲束的結(jié)構(gòu)均勻,游離的單根纖維絲減少。當(dāng)添加0.8%的APAM時(shí),“游龍絲”產(chǎn)生過度的絮聚,結(jié)構(gòu)緊密,溶液中游離的單根纖維較少,在水中的穩(wěn)定性較高,但絲束形態(tài)細(xì)長(zhǎng),不夠美觀。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),APAM用量較少時(shí),纖維表面吸附APAM的濃度低,纖維間的結(jié)合力達(dá)不到一定強(qiáng)度,導(dǎo)致纖維絲束在攪拌過程中分散,或出現(xiàn)分絲帚化的現(xiàn)象。APAM用量過多,導(dǎo)致纖維的結(jié)構(gòu)緊密,纖維絲束的形態(tài)受到影響[3]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在APAM用量為黏膠纖維的0.6%時(shí),效果最好。

圖3 APAM用量對(duì)“游龍絲”結(jié)構(gòu)的影響

圖4 PEO用量對(duì)“游龍絲”結(jié)構(gòu)及成形的影響

2.2 PEO用量對(duì)制備“游龍絲”的影響

黏膠纖維在APAM作用下,出現(xiàn)顯著的絮聚,在攪拌的過程中,容易相互纏繞,絮聚成團(tuán),無法形成絲束狀結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)添加分散劑PEO吸附在黏膠纖維絲束表面,形成一層滑而不黏的水合膜,具有分散、潤(rùn)滑作用[4]。同時(shí)PEO提高了水的張力和黏度,在攪拌器作用下纖維絲束分散均勻,無相互纏繞。實(shí)驗(yàn)在添加0.6%的APAM和2%的陽(yáng)離子物質(zhì)A條件下進(jìn)行,PEO用量分別為0.1%、0.15%、0.2%和0.25%(相對(duì)于黏膠纖維絕干量)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

通過圖4發(fā)現(xiàn),PEO用量為0.1%時(shí),“游龍絲”的結(jié)構(gòu)特征明顯,但是在成形時(shí),纖維絲束之間相互纏繞,這是由于PEO用量低,纖維絲束帶有負(fù)電荷,在陽(yáng)離子物質(zhì)A作用下出現(xiàn)相互纏繞引起的。PEO用量為0.15%時(shí),“游龍絲”也出現(xiàn)一定的纏繞現(xiàn)象。當(dāng)PEO用量為0.2%時(shí),纖維之間幾乎沒有纏繞,“游龍絲”的結(jié)構(gòu)特征明顯。當(dāng)PEO用量為0.25%時(shí),“游龍絲”分散較好,但纖維形態(tài)較細(xì),這是因?yàn)镻EO對(duì)纖維絲束起到分散作用,促使“游龍絲”分散成更細(xì)小的絲束,影響了“游龍絲”形態(tài)美觀的要求。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PEO用量對(duì)于纖維的分散以及再成形具有重要影響。PEO用量低,黏膠纖維分散效果差,纖維絲相互纏繞,難以分布均勻；同時(shí)在添加陽(yáng)離子物質(zhì)A后,纖維絲束會(huì)出現(xiàn)較多絮聚。PEO用量增加,在“游龍絲”表面形成一層水合膜,具有潤(rùn)滑作用,同時(shí)水的黏度增加,減少“游龍絲”的纏繞。PEO用量過多時(shí),“游龍絲”結(jié)構(gòu)在PEO作用下,絲束的絮聚能力下降,“游龍絲”分裂成小的纖維絲束,影響了“游龍絲”的結(jié)構(gòu)形態(tài)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)PEO用量為0.2%時(shí),“游龍絲”分散效果最好。

圖5 陽(yáng)離子物質(zhì)A用量對(duì)“游龍絲”的影響

2.3 陽(yáng)離子物質(zhì)A用量對(duì)制備“游龍絲”的影響

陽(yáng)離子物質(zhì)A可使“游龍絲”結(jié)構(gòu)密實(shí),形態(tài)穩(wěn)定,防止“游龍絲”在成形過程中被水流沖開,或出現(xiàn)較多的單根“游龍絲”。該陽(yáng)離子物質(zhì)A的作用機(jī)理為：黏膠纖維在APAM作用下,形成絲束結(jié)構(gòu),表面具有較強(qiáng)的負(fù)電荷,在中性分散劑作用下,結(jié)構(gòu)疏松,并出現(xiàn)單根游離纖維絲。陽(yáng)離子物質(zhì)A具有較強(qiáng)的正電荷,吸附在纖維表面促進(jìn)纖維進(jìn)一步絮聚,增強(qiáng)“游龍絲”結(jié)構(gòu)的密實(shí)性和穩(wěn)定性,同時(shí)能夠減少單根游離纖維或細(xì)小的纖維絲束[5]。實(shí)驗(yàn)添加0.6%的APAM和0.2%的PEO,陽(yáng)離子物質(zhì)A用量對(duì)纖維絲束的影響如圖5所示。

通過圖5發(fā)現(xiàn),當(dāng)添加1%的陽(yáng)離子物質(zhì)A時(shí),纖維絲束結(jié)構(gòu)疏松,出現(xiàn)分叉,絲束表面細(xì)小纖維較多。添加1.5%的陽(yáng)離子物質(zhì)A時(shí),纖維絲束結(jié)構(gòu)變得緊密,但纖維絲束表面出現(xiàn)較多細(xì)纖維絲,絲束結(jié)構(gòu)的緊密性不夠。當(dāng)陽(yáng)離子物質(zhì)A用量為2%時(shí),纖維結(jié)構(gòu)緊密,“游龍絲”形態(tài)結(jié)構(gòu)明顯。當(dāng)陽(yáng)離子物質(zhì)A用量為2.5%時(shí),纖維結(jié)構(gòu)緊密,較多的陽(yáng)離子物質(zhì)A與纖維結(jié)合,引起纖維絲束具有絮聚的傾向。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),陽(yáng)離子物質(zhì)A用量為黏膠纖維絕干量的2%時(shí),“游龍絲”束結(jié)構(gòu)緊密,效果最好。

2.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素變量實(shí)驗(yàn),確定3種助劑為黏膠纖維用量的最佳方案為：APAM用量0.6%、PEO用量0.2%和陽(yáng)離子物質(zhì)A用量2%。實(shí)驗(yàn)取優(yōu)化后的3種助劑用量,用于制備“游龍絲”。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),“游龍絲”的形態(tài)自然、無過度的絮聚和纏繞,“游龍絲”表面無細(xì)小的纖維絲,且結(jié)構(gòu)密實(shí)。

3 結(jié) 論

(1)陰離子聚丙烯酰胺(APAM)具有顯著的絮凝效果,在機(jī)械力作用下,其用量為黏膠纖維的0.6%時(shí),纖維絲束結(jié)構(gòu)緊密,“游龍絲”形態(tài)結(jié)構(gòu)明顯。

(2)分散劑聚氧化乙烯(PEO)用量為0.2%時(shí),“游龍絲”分散效果較好。

(3)陽(yáng)離子物質(zhì)A促進(jìn)纖維絲束結(jié)構(gòu)緊密,用量為2%時(shí),“游龍絲”形態(tài)明顯,結(jié)構(gòu)緊密。

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(責(zé)任編輯：董鳳霞)

The Preparation of Rayon Fiber Bundles for Manufature of Tour Dragon Paper

CHEN Jie*TONG Shu-hua MENG Yu ZHOU Gui-sheng XU Yu-qing

(ZhejiangJinchangSpecialPaperCo.,Ltd.,Quzhou,ZhejiangProvince, 324400)(*E-mail: 18392183581@126.com)

The effect of flocculant(APAM), dipersant(PEO) and the reaction agent on the preparation of stalle fiber bundles of rayon fiber, which were used in the manufacture of tour dragon paper, was investigated. The results showed that fiber bundles had close structure when flocculation agent dosage was 0.6%(on rayon fiber). When dispersant dosage was 0.2%, fiber dispersion effect was better. On the other hand, reaction agent promoted the fiber bundle structure more close, the amount was 2%, the morphology of the fiber tow was obvious, fiber tow uniformly dispersed in the solution．

tour dragon fiber bundle; rayon fiber; APAM; PEO

2016- 07-24(修改稿)

陳 杰先生，碩士，工程師；研究方向：功能性紙基材料。

TS764.9

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.12.003