硅灰石-淀粉復配體系應用于瓦楞原紙表面施膠

陳夫山 常建棟 宋曉明 宋鵬瑤

(青島科技大學化工學院，山東青島，266042)

硅灰石礦物纖維的形態介于植物纖維與傳統填料碳酸鈣之間，性狀相當于植物細小纖維，具有較高的長徑比、較好的熱穩定性和化學穩定性［1］;它白度高，不僅可以起到傳統造紙填料的作用，而且還可部分替代植物纖維，并與植物纖維交織在一起構成新型的“植物纖維-礦物纖維”網狀結構［2-3］。

目前，造紙工業中普遍采用增加紙張環壓強度的方法是在紙張表面施膠過程中使用降解淀粉［4-5］，但是該方法存在如下問題:①淀粉作為糧食的主要成分，價格昂貴;②廢紙回用時廢水的負荷增加 (陰離子垃圾過多)，需要添加價格昂貴的陰離子垃圾捕捉劑，因此開發新型的紙張表面施膠劑勢在必行［6-7］。本實驗將硅灰石用于瓦楞原紙的表面施膠中，分析其對于瓦楞原紙環壓強度、抗張強度等指標的影響。

1 實驗

1.1 實驗原料

硅灰石:結構式為Ca3Si3O9，化學組成為SiO2含量40%～50%，CaO含量45%～50%，大連環球礦產公司提供。

淀粉替代劑:山東某助劑廠提供。

表面施膠淀粉:青州晨鳴變性淀粉廠提供。

1.2 實驗儀器

JJ-1精密增力電動攪拌器，常州榮冠實驗分析儀器廠;HHS型恒溫水浴鍋，天津華北實驗儀器有限公司;202-1型電熱干燥箱，黃驊市航天儀器廠;ZBK-100紙張表面吸收重量測定儀，長春永興儀器有限責任公司;TTM-500A環壓強度壓縮儀，長春永興儀器有限責任公司;ZYD-3電腦抗張試驗機，長春永興儀器有限責任公司;KCC101紙張耐折度測定儀，長春市小型試驗機廠;ST-1-260型自動涂布機，陜西科技大學機電學院實訓中心。

2 實驗方法

2.1 硅灰石-淀粉復配體系施膠液制備

按照表1中的比例準確稱取表面施膠淀粉、硅灰石以及淀粉替代劑，將3者混合均勻，然后加入適量去離子水，配成質量分數為5%的均勻膠料，開啟攪拌水浴加熱，攪拌速度維持在100 r/min，90℃保溫30 min，糊化完成后出料備用。

2.2 表面施膠

利用自動涂布機，將自制的硅灰石-淀粉施膠液均勻涂在瓦楞原紙上，施膠量6 g/m2，烘干之后恒溫恒濕處理24 h以平衡水分。

2.3 性能測定［8］

按照GB/T 2679.8—1995的規定，用環壓強度壓縮儀測定瓦楞原紙的環壓強度;按照GB/T 453—1989的規定，用臥式抗張強度試驗機測定瓦楞原紙的抗張強度;按GB/T 457—1979的規定，用紙張耐折度測定儀測定瓦楞原紙的耐折度;按照GB/T 1540—2002的規定，用表面吸收重量測定儀測定瓦楞原紙的抗水性能。

3 結果與討論

3.1 掃描電鏡與紅外光譜分析

圖1是硅灰石的掃描電鏡圖。從圖1中可以看出，硅灰石呈針狀、纖維狀，長度100～300 μm，長徑比30左右，與植物細小纖維相當。憑借其高長徑比的性質，硅灰石可以有效地與纖維結合，從而留著在紙張表面［9］。

圖1 硅灰石掃描電鏡圖

圖2 淀粉替代劑的FT-IR圖

圖2 是淀粉替代劑的紅外吸收光譜 (FT-IR)圖。由圖2分析可知，在3462 cm－1處有一個較寬的強吸收峰，是結晶水的對稱伸縮和不對稱伸縮吸收峰，在2409 cm－1和1622 cm－1處各有一個吸收峰，是結晶水的彎曲振動吸收峰，說明本品含有大量的結晶水，在1104 cm－1和 988 cm－1處的吸收峰對應于SO2－的振動和轉動，613 cm－1處為Fe-O鍵的吸收峰，故而初步認定淀粉替代劑成分為硫酸亞鐵。而硫酸亞鐵標準紅外吸收光譜如圖3所示，淀粉替代劑各處吸收峰與其相當，則斷定淀粉替代劑成分為硫酸亞鐵，而硫酸亞鐵在造紙工業中可以用作施膠劑，提高紙張的抗水性能以及防滲透性能，不僅可以有效避免不加AKD引起抗水性下降的問題，而且降低施膠成本［10-11］。

3.2 硅灰石用量對瓦楞原紙環壓強度的影響

圖3 硫酸亞鐵FT-IR圖

圖4 是硅灰石用量對瓦楞原紙環壓強度的影響。從圖4中可以看出，隨著硅灰石用量的增加，瓦楞原紙的橫向環壓呈緩慢上升趨勢。當硅灰石用量小于15%時，橫向環壓強度與硅灰石用量成正比;當硅灰石用量大于15%時，橫向環壓強度反而開始下降。當硅灰石用量為15%時，瓦楞原紙橫向環壓指數由3.75 N·m/g提高到5.96 N·m/g，提高了58.7%;縱向環壓強度也隨著硅灰石用量的增加呈快速上升趨勢，當硅灰石用量達到10%時，縱向環壓強度開始緩慢下降。當硅灰石用量為10%時，縱向環壓指數由4.85 N·m/g提高到7.55 N·m/g，提高了55.7%。

圖4 硅灰石用量對瓦楞原紙環壓強度的影響

由圖4中的縱向環壓強度曲線與橫向環壓強度曲線綜合分析，加入硅灰石之后，紙張的環壓強度提高顯著。硅灰石與淀粉及淀粉替代劑一起糊化后進行表面施膠，一部分隨著施膠液滲透到紙張內部，一部分保留在瓦楞原紙表面，經過烘干之后隨淀粉在紙張表面形成了一個支撐層，因為礦物纖維是剛性的，強度比較大，所以在整體上提高了紙張的環壓強度。而當硅灰石用量達到10%以上時，硅灰石對紙張環壓強度的提高沒有那么明顯，因為硅灰石中有部分細小礦物纖維組分，過多的細小組分影響了紙張纖維之間的物理交織，纖維之間的氫鍵被部分破壞，對瓦楞原紙的環壓強度提升不利。

3.3 硅灰石用量對瓦楞原紙抗張強度的影響

圖5是硅灰石用量對瓦楞原紙抗張強度的影響。從圖5中可以看出，隨著硅灰石用量的不斷增加，瓦楞原紙縱橫向抗張指數均呈緩慢上升趨勢，且均在硅灰石用量為10%時達到較大值，繼續增大硅灰石用量，抗張指數隨之減小。當硅灰石用量為10%時，縱向抗張指數由原來的75.4 N·m/g提高到95.9 N·m/g，橫向抗張指數由原來的32.4 N·m/g提高到46.2 N·m/g，分別提高了27.1%和42.5%。

圖5 硅灰石用量對瓦楞原紙抗張強度的影響

影響紙張抗張強度的最重要因素是纖維間結合力及纖維自身的強度，圖5中瓦楞原紙抗張強度提高的主要原因是淀粉在紙張表面形成一層致密的淀粉膜，而且硅灰石也是剛性的，其強度也有利于抗張強度的提高。當硅灰石用量達到10%以上時，對紙張抗張強度的提高就不再明顯，因為硅灰石中部分細小組分破壞了淀粉膜，影響了淀粉與纖維之間的氫鍵與物理交織，部分抵消了之前抗張強度的提高。

3.4 硅灰石用量對瓦楞原紙耐折度的影響

圖6是硅灰石用量對瓦楞原紙耐折度的影響。從圖6中可以看出，隨著硅灰石用量的增大，瓦楞原紙縱向耐折度呈快速上升趨勢，當硅灰石用量為10%時達到較大值，由原來的10次提高到35次，提高了250%，之后隨硅灰石用量的增大又快速下降，但始終強于未加硅灰石瓦楞原紙的縱向耐折度;隨著硅灰石用量的增大，橫向耐折度緩慢增大，當硅灰石用量達到10%時達到較大值，由原來的4次提高到11次，提高了175%，之后隨硅灰石用量的增大也呈現下降趨勢。

圖6 硅灰石用量對瓦楞原紙耐折度的影響

與抗張強度相比，紙張的耐折度更大程度上取決于纖維自身的長度，加入硅灰石之后，紙張的耐折度提高顯著。這是因為硅灰石混合在淀粉膜之中在紙張表面形成了一個支撐層，這是瓦楞原紙耐折度提高的主要原因。而當硅灰石量達到10%以上時，硅灰石中一部分細小組分影響了淀粉膜與纖維之間的物理交織，同時破壞了纖維之間的氫鍵，所以瓦楞原紙的耐折度有一定程度的降低。

3.5 硅灰石用量對瓦楞原紙抗水性能的影響

圖7是硅灰石用量對瓦楞原紙抗水性能的影響。Cobb值越小，說明其抗水性能越好。從圖7中可以看出，隨著硅灰石用量的增加，瓦楞原紙的抗水性能不斷下降，因為硅灰石一定程度上破壞了淀粉及淀粉替代劑在紙張表面形成的施膠膜，而且硅灰石用量越多，紙張的抗水性能越差。

圖7 硅灰石用量對瓦楞原紙抗水性能的影響

4 結論

用硅灰石部分替代表面施膠淀粉并與部分淀粉替代劑復配制備施膠液，對瓦楞原紙進行表面施膠，分析硅灰石對瓦楞原紙性能的影響。

4.1 當硅灰石用量10%、表面施膠淀粉75%、固定淀粉替代劑15%(均對總表面施膠劑)時，施膠量6 g/m2條件下，相對于不添加硅灰石的紙樣，瓦楞原紙縱向環壓強度提高了55.7%、橫向環壓強度提高了41.2%;縱向抗張強度提高了27.1%、橫向抗張強度提高了42.5%;縱向耐折度提高了250%，橫向耐折度提高了175%。

4.2 淀粉及淀粉替代劑的加入使瓦楞原紙具有一定的抗水性能，但其抗水性能會隨著硅灰石用量的增加而減小。

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