聚乙烯醇對提高紙張物理性能影響的研究

趙亞倫 劉忠 惠嵐峰 衣然

天津科技大學造紙學院，天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457

聚乙烯醇對提高紙張物理性能影響的研究

趙亞倫 劉忠 惠嵐峰 衣然

天津科技大學造紙學院，天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457

主要研究了聚乙烯醇（PVA）纖維與棉漿纖維的配比以及聚乙烯醇作為施膠劑進行表面施膠對手抄片物理性能的影響。結(jié)果表明：聚乙烯醇纖維單獨使用對手抄片的撕裂強度提高非常明顯，在PVA纖維的配比量為20%時，手抄片的撕裂指數(shù)提高了約59%；聚乙烯醇作為施膠劑進行表面施膠，對于提高手抄片的抗張強度和耐折性能具有顯著效果，在施膠劑中PVA含量為10%，施膠量為6 g/m2左右時，抗張指數(shù)提高了27%，耐折性能可提高90%；在配抄與表面施膠同時進行時，可有效提高手抄片的物理強度。

聚乙烯醇纖維，配抄，表面施膠，物理強度

造紙工業(yè)中漿內(nèi)添加增強劑是提高紙張強度的方法之一，除液體狀增強劑之外，纖維狀增強劑也可供選擇使用[1]。聚乙烯醇的來源豐富，價格低廉，親水性好，并可在熱水中熔化[2]，故聚乙烯醇纖維可作增強劑用于造紙工業(yè)。同時聚乙烯醇還具有良好的成膜性[3]、粘結(jié)力和乳化性等，可有效的提高紙張的物理強度[5,6]，故被廣泛地用作施膠劑。

1 實驗

1.1 實驗原料

棉漿，聚乙烯醇纖維取自紙廠，聚乙烯醇顆粒取自化工廠。

1.2 實驗設(shè)備、儀器

標準紙頁成型器（RK-ZA-KWT，PTI公司，奧地利），標準疏解器（73-18，AMC 公司），撕裂度測試儀（SE009970290型，L&W 公司），肖波爾耐折度儀(S135050000，F(xiàn)RANK公司，德國)，表面施膠機（K303，RK 公司，英國）

1.3 實驗方法

1.3.1 聚乙烯醇纖維與棉漿配抄

將一定打漿度的棉漿與不同比例的聚乙烯醇纖維一起放入標準疏解器中進行疏解，疏解20000轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)移出來，在標準紙頁成型器上抄制手抄片。

1.3.2 施膠劑的熬制

玉米淀粉的糊化：配置濃度為8%的淀粉糊，加入一定量的過硫酸銨，將其轉(zhuǎn)移至燒瓶中，在90℃的水浴鍋中熬制30min（攪拌速度300 r.min-1），停止攪拌，將糊化好的淀粉糊轉(zhuǎn)移至65℃的水浴鍋中保溫。

聚乙烯醇的溶解：向燒瓶中加入8 g的聚乙烯醇和92 g的水，放入水浴鍋中，在90℃的溫度下熬制（攪拌速度70r.min-1），直到完全熔解得到濃度為8%的聚乙烯醇溶液。將熬制好的聚乙烯醇溶液轉(zhuǎn)移至65℃的水浴鍋中，密封保溫。

將淀粉糊與聚乙烯醇溶液按照一定比例混合，得到含有聚乙烯醇不同比率的施膠劑

1.3.3 表面施膠

用表面施膠機對紙張進行表面施膠，采取雙面施膠的方式，施膠量采用差重法進行測定。

1.3.4 紙樣的制備及測定

在標準紙頁成型器上抄制定量100 g·m-2的手抄片，然后按照 GB/T 12914-2008、GB/T 455-2002、GB/T 457-2008的標準檢測紙張的抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐折度。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚乙烯醇纖維作為增強劑對手抄片物理性能的影響

2.1.1 棉漿與PVA纖維進行不同的配比對手抄片物理性能的影響。

將打漿度為48°SR的棉漿與PVA纖維進行不同比例的配抄，得到的手抄片的物理性能如表1所示。

表1 棉漿與PVA纖維的不同配比對手抄片物理性能的影響

由表1可以看出，PVA纖維對于手抄片的抗張強度以及耐折性能提高不明顯，但是對于手抄片的撕裂指數(shù)有很明顯的提高效果。在PVA纖維的配抄量為20%時，手抄片的撕裂指數(shù)提高了約60%，達到了 30.74 mN·m2·g-1，并且隨著配抄量的進一步增大，撕裂指數(shù)隨之增加，手抄片的耐折度提高了約5%，達到了5530次，在PVA纖維的配抄量為10%時，手抄片的抗張指數(shù)提高了約3%，達到了49.06 N·m·g-1。故可以認為，聚乙烯醇纖維可以用于提高手抄片的撕裂強度。

PVA纖維的耐熱水性差，在含有一定水分的前提下，當溫度達到某一溫度時，PVA纖維開始熔解，當溫度降低時，PVA又轉(zhuǎn)為固態(tài)，故PVA纖維對手抄片的部分增強效果可以認為主要是由于其熔解而產(chǎn)生的粘結(jié)功能[4]，例如手抄片的抗張強度，耐折性能的提高可以認為是PVA纖維熔解產(chǎn)生的粘結(jié)功能，但是當PVA纖維的含量達到一定含量之后，隨著PVA纖維含量的進一步增加，棉漿纖維之間的氫鍵結(jié)合力就會隨之下降，兩種效果的共同作用會導致抄紙時，隨著PVA纖維含量的逐漸提高，手抄片的抗張強度以及耐折性能會出現(xiàn)先上升后下降的趨勢；但是由于PVA纖維在手抄片中未完全熔解，同時PVA纖維的強度大于棉漿纖維的強度 （PVA纖維拉伸強度為12 cN·dtex-1，棉纖維拉伸強度不大于2.9 cN·dtex-1）故手抄片的撕裂強度會隨著PVA纖維的增加出現(xiàn)上升趨勢。

2.2.2 不同的烘干時間對成紙的物理性能的影響

棉漿與合成纖維PVA的配抄，因耐折性能提升較為困難，故選擇耐折性能較好的配抄比，即在PVA配比為20%時，探討在烘干溫度為94℃時，不同烘干時間對手抄片的耐折性能的影響如圖1所示。

圖1 烘干時間對手抄片的耐折度的影響

由圖1可以看出，隨著烘干時間的延長，手抄片的耐折度先增大后減小，前期由于烘干時間不夠，合成纖維的熔化不徹底，故粘結(jié)效果不明顯同時提高了松厚度，不能起到對手抄片耐折度增強的效果；烘干時間過長，PVA纖維熔解后部分溶出，能夠有效起到粘結(jié)效果的PVA量降低，同時長時間的干燥過程有可能使得棉纖維的剛性增強，柔韌性下降[9]，從而導致手抄片的耐折度下降。

不同烘干時間對于手抄片抗張性能的影響如圖2所示。

圖2 烘干時間對手抄片抗張指數(shù)的影響

隨著烘干時間的增長，手抄片的抗張指數(shù)先急劇增加，超過9 min之后，抗張指數(shù)開始出現(xiàn)下降趨勢。開始烘干時，隨著烘干時間的增長，PVA纖維起到的粘結(jié)作用增大，手抄片的抗張強度增大；烘干時間超過9 min之后，隨烘干時間的進一步增加，部分PVA開始溶出，起到粘結(jié)效果的PVA量降低，手抄片的抗張強度開始下降。

加入PVA纖維后由掃描電鏡觀察得到的手抄片形態(tài)如下圖3所示。

圖3 加入PVA纖維后的掃描電鏡圖

由上圖3可以看出，完全熔解PVA纖維的能夠在纖維之間起到粘結(jié)的作用，從而提高手抄片的物理性能；未熔解或未完全熔解的PVA纖維不能很好的起到粘結(jié)作用，同時降低了手抄片成紙的緊度，從而導致手抄片的抗張強度和耐折性能的下降。

表2 不同施膠量對手抄片物理性能的影響

2.2 表面施膠對手抄片物理性能的影響

2.2.1 不同施膠量對手抄片物理性能的影響

采取雙面施膠的方式對手抄片進行表面施膠，在施膠劑中PVA含量為10%時，得到不同施膠量下手抄片的物理性能，如表2所示。

由表2可以看出以PVA進行施膠得到的手抄片具有良好的物理性能，手抄片的抗張強度和耐折度等都有了大幅度的提升，在施膠量超過5.3 g·m-2時手抄片的抗張指數(shù)達到了60.49 N·m·g-1，提高了27%；手抄片的耐折度超過了10000次，提高幅度超過了90%；但是手抄片的撕裂強度隨著表面施膠的進行，出現(xiàn)了小幅度的下降?？傮w來看，表面施膠對于提高手抄片的物理性能具有很好的效果。

2.2.2 施膠劑中不同PVA含量對手抄片物理性能的影響

施膠量在5.3 g·m-2~7.3 g·m-2之間時，手抄片具有很好的物理性能，采用6.0 g·m-2的施膠量，研究施膠劑中PVA的含量對于手抄片物理性能的影響，得到結(jié)果如表3所示。

表3 施膠劑中不同PVA含量對手抄片物理性能的影響

由表3可以看出，隨著施膠劑中PVA含量的增加，手抄片的物理強度出現(xiàn)了先增加后下降的趨勢，在施膠劑中PVA所占比率為10%時，手抄片的物理性能較好，抗張指數(shù)可以達到60.00 N·m·g-1，耐折度可以超過10000次。

2.3 配抄與表面施膠對于手抄片物理性能的影響

PVA纖維配抄對于手抄片的撕裂強度提高效果非常明顯，PVA施膠劑進行表面施膠對于提高手抄片的抗張強度以及耐折性能效果顯著，故研究配抄與表面施膠的雙重作用對于手抄片的物理性能的影響。采取最優(yōu)條件，PVA纖維的配抄比例20%，表面施膠的施膠量6.0 g·m-2，施膠劑中 PVA所占比率為 10%，得到結(jié)果如表4所示。

表4 配抄與表面施膠對手抄片物理性能的影響

由表4可以看出，PVA纖維的配抄與PVA施膠劑的表面施膠的共同作用，可以有效的提高手抄片的物理強度，手抄片的抗張強度、撕裂強度和耐折度都有了大幅度的提升，抗張指數(shù)提高了40%，撕裂指數(shù)提高了約20%，耐折度達到了15000次。

PVA纖維的配抄時，在PVA纖維未完全熔解時可以有效的提高手抄片的撕裂強度；表面施膠時，施膠劑可以滲入到紙頁的纖維間隙中，可以提高手抄片內(nèi)部纖維間的結(jié)合強度[4]，滲入紙頁中的PVA施膠劑與紙頁中配抄的PVA纖維結(jié)合，像焊接一樣使其結(jié)為一體，可有效的提高手抄片的物理強度。

在PVA纖維配抄的前提下，未進行表面施膠與進行了表面施膠的手抄片的橫截面，由顯微鏡在放大100倍下觀察得到下圖4所示。

圖4 施膠前后手抄片橫截面的掃描電鏡圖

由上圖4可以看出，表面施膠之后的手抄片結(jié)合緊密，宛如一體，切割時橫截面保持完整；未進行表面施膠的手抄片，結(jié)構(gòu)較為松散。故經(jīng)過施膠的手抄片可以大幅度的提高手抄片的抗張強度和耐折性能。

3 結(jié)論

3.1 PVA纖維配抄可以有效的提高手抄片的撕裂強度，在配抄比為20%時，手抄片的撕裂強度提高了約59%。

3.2 PVA作為施膠劑進行表面施膠可以大幅度的提高手抄片的抗張強度和耐折度，在施膠劑中PVA所占比率為 10%(絕干量)，施膠量為 6 g·m-2時，手抄片的抗張指數(shù)提高了約28%，耐折度可以達到10000次以上。

3.3 PVA纖維配抄與表面施膠共同作用可以全方面提高手抄片的物理強度，在最優(yōu)條件下進行配抄與表面施膠，手抄片的強度得到了大幅度的提升，抗張指數(shù)提高了40%，撕裂指數(shù)提高了約20%，耐折度達到了15000次。

[1]汪丹妤,徐冬球,應(yīng)建明.水溶性聚乙烯醇纖維用于紙張增強劑的研究[J].西南造紙,2004(3):21-22.

[2]邵霽,張建平.聚乙烯醇水溶纖維在非木材纖維抄紙中的應(yīng)用[C]//中國造紙化學品開發(fā)應(yīng)用國際經(jīng)濟技術(shù)交流會.2003.

[3]滕銘輝,趙傳山.表面施膠劑在造紙工業(yè)中的應(yīng)用新進展[J].天津造紙,2008,30(2):37-41.

[4]徐青林,胡惠仁,謝來蘇.聚乙烯醇(PVA)及其在造紙工業(yè)中的應(yīng)用[J].西南造紙,2000,33(4):12-13.

[5]汪薇薇.紙張表面施膠工藝及機理研究 [D].湖北大學,2014.

[6]張國運.表面施膠的作用及影響因素 [J].天津造紙,2003,25(2):7-13.

[7]楊向平.造紙工業(yè)表面施膠劑的研究進展 [J].中華紙業(yè),2009,30(22):56-62.

[8]曲玲玲,趙傳山.對聚乙烯醇纖維改性改善成紙性能的研究[C]//'2006.2006:15-18.

[9]周健.棉花烘干對棉纖維物理性能影響的探討[J].中國棉花加工,2010(2):29-31.