漿內(nèi)凝膠方式提高紙板挺度的新工藝研究

彭鵬杰，周小凡，徐金霞，葉育敏

（1.國家漿紙產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 莆田市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，福建 莆田 351100；2.南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210037）

漿內(nèi)凝膠方式提高紙板挺度的新工藝研究

彭鵬杰1，周小凡2，徐金霞1，葉育敏1

（1.國家漿紙產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 莆田市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，福建 莆田 351100；2.南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210037）

將醇溶性脲醛樹脂添加至高濃度紙漿中，75～80℃下加熱紙漿數(shù)分鐘，使樹脂初步凝膠并黏附、包裹于纖維表面，抄片并將紙頁加熱干燥時(shí)，樹脂充分凝膠固化，從而提高了紙板的挺硬性。研究結(jié)果表明：在高濃紙漿的pH為4～5、加熱保溫6 min的處理?xiàng)l件下，脲醛樹脂具有很高的留著率，同時(shí)也能增加紙板的環(huán)壓強(qiáng)度，增幅可達(dá)50%以上。對醇溶性脲醛樹脂有協(xié)同留著、協(xié)同增強(qiáng)的效應(yīng)，可使樹脂的留著率高達(dá)92%，紙頁環(huán)壓強(qiáng)度增幅達(dá)68%。脲醛樹脂合成成本低廉、原料易得，將其作為紙板增挺劑，具有現(xiàn)實(shí)意義。

醇溶性；脲醛樹脂；環(huán)壓強(qiáng)度；留著率；增挺劑

脲醛樹脂是一種廣泛應(yīng)用于竹、木材加工、紙張黏結(jié)和鋼化涂料等行業(yè)的膠粘劑，具有膠粘強(qiáng)度較高、成本低廉、原料易得、生產(chǎn)工藝簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)[1]。醇溶性脲醛樹脂在水中溶解性低，添加至高濃紙漿中，通過加熱凝膠的方式，使脲醛樹脂黏附并包裹于纖維表面。抄片加熱成形時(shí)，脲醛樹脂充分凝膠固化，使多根纖維凝膠接枝成為大纖維，提高了纖維挺硬性，增強(qiáng)了纖維間的結(jié)合力，從而提高了成紙的環(huán)壓強(qiáng)度。本文將醇溶性脲醛樹脂及其與淀粉復(fù)配體系作為紙板增挺劑分別添加至紙漿中，研究其最佳工藝處理?xiàng)l件、脲醛樹脂留著率的變化、對紙板環(huán)壓強(qiáng)度的增強(qiáng)情況。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

廢舊新聞紙漿（ONP）；木薯氧化淀粉，上海浦東佳豐實(shí)業(yè)公司提供；甲醛、尿素、六亞甲基四胺、硫脲，均為國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的NaOH溶液。

1.2 主要儀器

DCP-KY 3000電腦測控壓縮試驗(yàn)儀；OWLCE澳爾斯疏解器； ZQJ 1-B 200 mm型紙頁成形器；DGG-9070A電子恒溫烘箱；GBJ-A型纖維解離器；電熱恒溫水浴鍋；真空抽濾瓶；干燥器；分析天平。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 脲醛樹脂合成工藝

將一定質(zhì)量的甲醛和六亞甲基四胺投入三口燒瓶中，加熱并攪拌。當(dāng)六亞甲基四胺全部溶解后加入一定質(zhì)量的尿素，升溫至 96℃，回流30 min后，加入鄰苯二甲酸酐，在此溫度下反應(yīng)90 min，其間溶液pH應(yīng)為4.5～5.0。然后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的NaOH溶液調(diào)整pH=7.5～8.0，并加入硫脲，繼續(xù)攪拌15 min后停止加熱，得到產(chǎn)品。

1.3.2 增強(qiáng)處理方法

在3%的紙漿中加入一定量脲醛樹脂增挺劑，攪拌均勻。在一定溫度下（75～80℃）加熱、保溫一定時(shí)間。隨后，用PFI磨混煉處理40 s，使脲醛樹脂與紙漿纖維充分混合均勻，并黏附、包裹于纖維表面。

抄片加熱成形，使樹脂充分凝膠固化、多根纖維凝膠接枝成為大纖維。通過提高單根纖維和接枝大纖維的挺硬性來提高成紙的環(huán)壓強(qiáng)度。

1.3.3 留著率測定

取4 g絕干漿，加入一定量的脲醛樹脂。在一定溫度下（75～80℃）加熱保溫一定時(shí)間。隨后，用PFI磨混煉處理40 s。經(jīng)疏解后，用真空抽濾瓶過濾、抽吸。放入烘箱干燥4 h后，轉(zhuǎn)至干燥箱內(nèi)恒量30 min，之后取出稱量。按公式（1）計(jì)算：

式中：L為留著率，%；m為干燥后漿料和濾紙質(zhì)量，g；m1為濾紙質(zhì)量，g；R 為脲醛樹脂加入量，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH對醇溶性脲醛樹脂留著率的影響

為了探索理想的留著效果，用鹽酸溶液將漿料pH調(diào)至2.0～7.0，醇溶性脲醛樹脂用量為5%，加熱凝膠時(shí)間為6 min。圖1顯示了pH對醇溶性脲醛樹脂留著率的影響。

圖1 pH對醇溶性脲醛樹脂留著率的影響

從圖1可以看出，醇溶性脲醛樹脂在pH=2.5時(shí)，留著率為51%，隨著pH的提高，留著率呈上升趨勢，并在pH=4.5時(shí)到最大值75%。之后繼續(xù)提高pH，醇溶性脲醛樹脂的留著率開始下降，當(dāng)pH為6.5時(shí)留著率降至68%，這說明酸性環(huán)境對脲醛樹脂留著有利。由圖1可知，脲醛樹脂凝膠最佳pH為4～5左右。假如漿料pH低于3，醇溶性脲醛樹脂迅速反應(yīng)凝膠，變成彈性凝膠體，降低了樹脂的黏性[2]200，而達(dá)不到留著的效果。

2.2 加熱保溫時(shí)間對醇溶性脲醛樹脂留著率的影響

將脲醛樹脂加熱變?yōu)槿勰z凝膠狀態(tài)[2]201，通過此狀態(tài)下的黏性使脲醛樹脂黏附并包裹于纖維的表面上，從而達(dá)到增加紙板環(huán)壓強(qiáng)度的目的。圖2是加熱凝膠時(shí)間對醇溶性脲醛樹脂留著率的影響，漿料的pH=4～5。

圖2 加熱時(shí)間對留著率的影響

從圖2可以看出，隨著加熱保溫凝膠時(shí)間的延長，醇溶性脲醛樹脂的留著率開始上升，并在6 min時(shí)留著率達(dá)到最大值，留著效果最好；繼續(xù)加熱保溫使樹脂凝膠，留著率開始下降。這是因?yàn)樵谒嵝詶l件下，脲醛樹脂加熱縮聚反應(yīng)進(jìn)行一定程度后，樹脂黏度突然急劇增大，迅速轉(zhuǎn)變成具有彈性的凝膠狀態(tài)，再進(jìn)一步即呈固體狀，失去了對紙漿纖維的黏附包裹能力[3]。從圖2看到，醇溶性脲醛樹脂用量為5%時(shí)的留著率要好于用量10%的。用量為5%時(shí)，留著率最大能達(dá)到75%，而用量10%時(shí)最大只能達(dá)到64%。這是因?yàn)橛昧吭蕉?，溶解得越多，有部分不能很好地凝膠黏附在纖維表面上。

2.3 醇溶性脲醛樹脂用量對紙板環(huán)壓強(qiáng)度的影響

圖3為醇溶性脲醛樹脂的用量對環(huán)壓強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)條件為：漿料的pH=4～5，醇溶性脲醛樹脂加熱凝膠時(shí)間是6 min；不加增強(qiáng)劑的空白紙板的抄片定量為240 g/m2，環(huán)壓指數(shù)為13.7 N·m/g。

圖3 醇溶性脲醛樹脂的用量對環(huán)壓強(qiáng)度的影響

從圖3可以看出，隨著醇溶性脲醛樹脂用量的加大，紙板的環(huán)壓強(qiáng)度一直呈上升趨勢。醇溶性脲醛樹脂用量為5%時(shí)，紙板環(huán)壓指數(shù)增幅提高26.3%，10%用量時(shí)，環(huán)壓指數(shù)增幅提高32%。繼續(xù)加大脲醛樹脂用量至20%時(shí)，紙板的環(huán)壓指數(shù)增幅提高47%，用量增加到25%時(shí)，紙板的環(huán)壓指數(shù)增幅提高58%。

結(jié)合圖1～3可知，將脲醛樹脂添加至pH=4～5的漿料中，保溫6 min左右，脲醛樹脂的留著率最高，也能夠很好地提高紙板的環(huán)壓強(qiáng)度。

2.4 醇溶性脲醛樹脂與淀粉復(fù)配的留著和增強(qiáng)研究

取一定用量的淀粉糊與醇溶性脲醛樹脂進(jìn)行復(fù)配。單獨(dú)添加5%用量淀粉（相對絕干漿）做增強(qiáng)劑時(shí)，淀粉通過抽提以后測到的留著率為80%，紙板的環(huán)壓指數(shù)為16.6 N·m/g，紙板環(huán)壓強(qiáng)度增強(qiáng)21%。圖4為不同用量的醇溶性脲醛樹脂與5%木薯淀粉復(fù)配后留著和紙板環(huán)壓的增加情況。

圖4 不同用量的醇溶性脲醛樹脂與5%淀粉復(fù)配后留著和紙板環(huán)壓的增加情況

從圖4可以看出，添加5%的木薯淀粉后，醇溶性脲醛樹脂的留著率大幅上升。復(fù)配體系中，醇溶性脲醛樹脂用量為5%時(shí)，其留著率達(dá)88%；用量為10%時(shí)，留著率達(dá)75%。說明木薯淀粉對留著產(chǎn)生了積極的效果，協(xié)同留著效應(yīng)很明顯。這是因?yàn)榈矸酆院螅淠z黏性將醇溶性脲醛樹脂更好地吸附在了纖維表面，淀粉從中起到輔助留著劑的作用[4-5]。從圖4也可知，隨著醇溶性脲醛樹脂加入量的增加，紙板的環(huán)壓強(qiáng)度呈上升趨勢。醇溶性脲醛樹脂用量為5%時(shí)，環(huán)壓指數(shù)提高了35%；用量為15%時(shí)，環(huán)壓指數(shù)提高了53.3%；用量為25%時(shí)，環(huán)壓指數(shù)提高了68.6%。這是因?yàn)榈矸厶岣吡穗迦渲牧糁?，使更多的脲醛樹脂黏附包裹在纖維表面，使得單根纖維更加挺硬、纖維間的結(jié)合強(qiáng)度更加高，從而使得紙板環(huán)壓的增幅更大。

圖5為用量10%的醇溶性脲醛樹脂和不同量淀粉復(fù)配后留著和紙板環(huán)壓的增加情況。

圖5 用量10%的醇溶性脲醛樹脂和不同量淀粉復(fù)配后留著和紙板環(huán)壓的增加情況

從圖5可以看出，用量10%的醇溶性脲醛樹脂與淀粉復(fù)配使用，隨著淀粉用量的上升，其留著率逐漸上升。淀粉加入量為12%時(shí)，留著率高達(dá)96%。由此可見淀粉協(xié)同留著的作用非常明顯。隨淀粉用量增加，紙板的環(huán)壓強(qiáng)度呈增大趨勢。淀粉用量為4%時(shí)，紙板的環(huán)壓指數(shù)只提高了27.7%；但用量為12%時(shí)，紙板的環(huán)壓指數(shù)增加了56.9%。繼續(xù)加大淀粉的用量，環(huán)壓強(qiáng)度增幅并不大。這是因?yàn)榈矸廴彳浶员容^好，不利于增加紙板的環(huán)壓強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）高濃漿料中添加醇溶性脲醛樹脂，漿料pH=4～5、加熱保溫6 min，醇溶性脲醛樹脂有最佳留著效果。當(dāng)醇溶性脲醛樹脂用量為5%時(shí)，留著率最高到75%。留著率隨醇溶性脲醛樹脂添加量的增大呈下降趨勢。

（2）醇溶性脲醛樹脂對紙板環(huán)壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果較好，25%用量時(shí)，環(huán)壓強(qiáng)度可以增加58%。添加量越大，紙板增強(qiáng)效果越好。

（3）淀粉對醇溶性脲醛樹脂有協(xié)同留著、協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，其留著率和增強(qiáng)幅度均高于單獨(dú)添加醇溶性脲醛樹脂使用時(shí)的情況。增大淀粉用量，能大幅度提高脲醛樹脂的留著率，但增強(qiáng)幅度逐漸趨小。

［1］馬建羽.環(huán)保型改性脲醛樹脂膠粘劑［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（24）：65.

［2］陳亮，陳東，莫雅芳.脲醛樹脂產(chǎn)生凝膠原因及處理［J］.廣西林業(yè)科學(xué)，2003（4）.

［3］陳玉放，李健，陳亞席，等.脲醛樹脂/淀粉復(fù)合體系的常溫固化及其力學(xué)性能［J］.熱固性樹脂，2010，25（3）：10-18.

［4］張立芳.合成樹脂飾面人造板［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：38-39.

［5］茹克亞·沙吾提.脲醛樹脂改性氧化淀粉膠的研究［J］.喀什師范學(xué)院學(xué)報(bào)， 2003，24（3）：42-44.

Improving the Stiffness of Paperboard by a New Technology of Applying a UF Gel Internally in Pulp

PENG Peng-jie1，ZHOU Xiao-fan2，XU Jin-xia1，YE Yu-min1
（1.National Pulp and Paper Products Quality Supervision and Inspection Center， Station of Product Quality Supervision and Inspection in Putian， Putian 351100，China；2.Jiangsu Provincial Key Lab of Pulp&Paper Science and Technology， Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China）

In this paper， an alcohol-soluble UF resin was added into high consistency pulp.After heating（about 75 ～80℃）the pulp for a few minutes，the UF resin preliminarily gelled and wrapped the fiber surfaces.After the dryer section， the gelling and curing of the UF resin was completed.Consequently， the stiffness of the board was improved significantly.Results showed that the alcohol-soluble UF retention ratio was high and the ring crush strength of the board was improved more than 50%when the treatment was at pH for 4～5 and heating time was 6 min.In addition，starch was found to have synergistic effect with the UF resin on retention and strengthening，for it could not only increase the retention ratio to the level as high as 92%，but also it increased the ring-crush strength by 68%.Based on the facts that the raw materials for synthesis is very abundant and the cost for the synthesis is low，we can conclude that it is of great practical significance to employ the UF resin as a reinforcing agent for paper stiffness.

alcoholsoluble；ureaformaldehyderesin（UF）；ringcrushstrength；retentionratio；stiffnessreinforcingagent

TS727+.1

A

1007-2225（2012）01-0027-04

2011-09-05（修回）

彭鵬杰先生（1984-）；從事紙制品檢測技術(shù)應(yīng)用研究；E-mail：ppj16@163.com。

本文文獻(xiàn)格式：彭鵬杰，周小凡，徐金霞，等.漿內(nèi)凝膠方式提高紙板挺度的新工藝研究[J].造紙化學(xué)品，2012，24（1）∶27-30.