淀粉-硅酸鈉表面施膠劑在瓦楞原紙中的應(yīng)用

黃德義 彭鵬杰，* 徐金霞 周小凡

（1.國家漿紙產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，福建莆田，351100；2.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇南京，210037）

環(huán)壓強度、耐破度是瓦楞原紙最主要的強度性能指標(biāo)，直接影響包裝容器的抗壓性能。雖然在瓦楞原紙的生產(chǎn)過程中，可以采取控制打漿、上網(wǎng)工藝、優(yōu)化漿網(wǎng)速比等方法來控制和提高環(huán)壓強度［1］，但仍然很難達(dá)到令人滿意的效果。表面施膠是提高紙張環(huán)壓強度的方法之一，可使幾乎所有施膠液都留著于紙張表面，克服了漿內(nèi)添加增強劑流失的缺點，提高了施膠液的利用率，有利于紙機白水的封閉循環(huán)。工廠常采用淀粉或合成類表面施膠劑對紙張進(jìn)行表面施膠。然而，淀粉、合成類施膠劑施膠量低，膠層挺硬性不高，環(huán)壓強度的提高幅度受限［2-3］。筆者曾使用硅酸鈉水溶液進(jìn)行表面施膠，使瓦楞原紙的環(huán)壓強度增幅最高達(dá)161.7％。但是，硅酸鈉水溶液黏度低，施膠過程容易斷紙，最為重要的是硅酸鈉膜耐水性不佳，施膠后紙張沒有防水性。本實驗采用淀粉-硅酸鈉復(fù)配體系作為表面施膠劑，在保證紙張一定防水性能的情況下，取得了理想的增強效果。

1 實驗

1.1 實驗原料

瓦楞原紙，定量120g/m2，環(huán)壓指數(shù)6.30·m/g，耐破指數(shù)1.13kPa·m2/g，無錫榮成紙業(yè)有限公司提供；玉米氧化淀粉，上海洗霸科技有限公司提供；硅酸鈉（模數(shù)為3.25），化學(xué)純，廣州市番禺力強化工廠；非離子高含氫硅油乳液（固含量50％）、碳酸鋯鉀防水劑，南京華拓化工有限公司。

1.2 實驗儀器

DCP-KY3000電腦測控壓縮試驗儀；YQ-Z-23A電動紙張耐破度測定儀；P95930 Z000表面吸收質(zhì)量測定儀（奧地利PTI）；DGG-9070A電子恒溫烘箱；電熱恒溫水浴鍋；強力恒速攪拌機、NDJ-79型旋轉(zhuǎn)黏度計；接觸角測量儀。

1.3 實驗方法

1.3.1 原料配制

配制固含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為56％的硅酸鈉水溶液。再配制固含量為10％的淀粉溶液，90℃下糊化0.5h。取糊化好的淀粉與硅酸鈉水溶液復(fù)配，淀粉用量分別為33％、50％、67％（對硅酸鈉絕干量，下同），用強力恒速攪拌機攪拌均勻。使用旋轉(zhuǎn)黏度計測定70℃時復(fù)配體系的黏度。并與淀粉黏度進(jìn)行比較。

1.3.2 復(fù)配體系表面施膠

采用K-式涂布法進(jìn)行表面施膠。通過改變施膠力度、施膠速度來控制施膠量。表面施膠完成后，在105℃條件下烘干。測定紙張的環(huán)壓強度、耐破度、Cobb30值。

1.3.3 加入防水劑的表面施膠

取淀粉用量為33％的淀粉-硅酸鈉復(fù)配液，加入一定量的碳酸鋯鉀或者硅油（以硅酸鈉絕干量計算）作為防水劑，攪拌均勻后，采用K-式涂布法進(jìn)行表面施膠。在105℃條件下烘干。測定紙張的環(huán)壓強度、Cobb30值、Cobb60值及表面接觸角。

1.3.4 紙張檢測

對紙樣進(jìn)行恒溫恒濕平衡處理，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢測各項物理性能指標(biāo)

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)配體系黏度的比較

為了研究淀粉-硅酸鈉復(fù)配體系的黏度及變化趨勢，使用旋轉(zhuǎn)黏度計對復(fù)配體系的黏度進(jìn)行了測定。復(fù)配后體系的黏度與淀粉用量的關(guān)系見圖1。

圖1 淀粉-硅酸鈉復(fù)配體系黏度

從圖1中可看出，硅酸鈉水溶液的黏度遠(yuǎn)低于復(fù)配體系和淀粉的黏度；硅酸鈉水溶液中復(fù)配淀粉會使體系黏度增大，且黏度隨淀粉的用量增加呈增大趨勢。但復(fù)配體系黏度要低于純淀粉液。這是因為，硅酸鈉水溶液在高溫條件下對淀粉進(jìn)行了分解，降低了淀粉的聚合度，減小了體系黏度。

淀粉用量為33％的復(fù)配體系固含量高達(dá)40％，但其黏度僅為190mPa·s（見圖1）。由此可知，高固含量、低黏度是復(fù)配體系的顯著特征。這不僅為表面施膠創(chuàng)造了較為理想的條件，而且可以節(jié)省烘干蒸汽，減輕干燥設(shè)備的負(fù)荷，提高紙機車速，使生產(chǎn)效率更高。

2.2 復(fù)配體系進(jìn)行表面施膠對瓦楞原紙強度的影響

瓦楞原紙作為瓦楞紙板及紙箱的原料，其強度決定了成品的使用性能。使用不同復(fù)配比例的施膠液，對瓦楞原紙進(jìn)行表面施膠處理，討論了復(fù)配體系對瓦楞原紙環(huán)壓強度、耐破度的影響，結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 復(fù)配體系表面施膠后環(huán)壓指數(shù)的變化趨勢

從圖2中可看到，淀粉-硅酸鈉復(fù)配體系對紙張環(huán)壓強度的增強效果介于硅酸鈉水溶液和淀粉單獨表面施膠的效果之間。硅酸鈉水溶液表面施膠后，紙張環(huán)壓強度隨施膠量的增加呈遞增趨勢。但復(fù)配淀粉后，隨施膠量的增加，紙張環(huán)壓強度先增大，到達(dá)一個峰值后呈下降趨勢。淀粉用量越多，峰值來得越早，峰值也越小。以33％的淀粉復(fù)配的淀粉-硅酸鈉施膠液，施膠量為10.5g/m2時，紙張環(huán)壓指數(shù)為11.34N·m/g，比原紙?zhí)岣吡?0％，增幅最大。

圖3 復(fù)配體系表面施膠后耐破指數(shù)變化趨勢

從圖3可觀察到，淀粉賦予紙張的耐破度最大，且隨施膠量的增加呈增大趨勢。復(fù)配體系對耐破度的增強效果，同樣介于硅酸鈉水溶液和淀粉單獨表面施膠之間。耐破指數(shù)隨施膠量的增加，先增大，到達(dá)一個峰值后即開始降低，淀粉用量越多，峰值越大且出現(xiàn)得越早。以67％的淀粉復(fù)配的淀粉-硅酸鈉施膠液進(jìn)行施膠，施膠量為5.4g/m2時，成紙的耐破指數(shù)為1.71 kPa·m2/g，與原紙相比提高51％，增幅最大。

綜合圖2、圖3可知，淀粉-硅酸鈉表面施膠劑與硅酸鈉水溶液相比，瓦楞原紙的環(huán)壓強度、耐破度均下降。這是因為，淀粉和硅酸鈉膠體粒子相互包裹、分割著，使成膜強度低于硅酸鈉膜。復(fù)配體系賦予紙張的環(huán)壓強度要大于淀粉賦予的，但耐破度卻要低于淀粉賦予的。這是因為硅酸鈉膜的強度是淀粉膜的近2倍，復(fù)配膜強度界于兩者之間［4-6］，但硅酸鈉膜脆性大，容易龜裂，因加入淀粉而得到改善［7］。復(fù)配體系中，淀粉用量越多，環(huán)壓強度下降得越多，且隨施膠量的增加達(dá)峰值后呈下降趨勢；耐破度隨施膠量的增加達(dá)峰值后雖呈下降趨勢，但最終大小持平。盡管如此，淀粉-硅酸鈉復(fù)配體系同時兼顧了環(huán)壓強度和耐破度，滿足了使用要求。

2.3 淀粉-硅酸鈉復(fù)配體系表面施膠防水性能的改善

為了滿足瓦楞紙箱的實際使用環(huán)境的需要，瓦楞原紙的防水性能非常重要。為了進(jìn)一步增強瓦楞原紙的抗水性，進(jìn)行了在淀粉-硅酸鈉體系中添加防水劑的實驗，以改善表面施膠的效果。選用碳酸鋯鉀（用量1％和5％）和硅油（用量5％）為防水劑［8］，加入到淀粉-硅酸鈉體系中，然后進(jìn)行表面施膠。

添加防水劑碳酸鋯鉀后紙張的Cobb值見表1。由表1可知，不加防水劑時，淀粉-硅酸鈉表面施膠后紙張Cobb30值略低于原紙。加入碳酸鋯鉀防水劑，能改善紙張的防水性能，加入量越大，改善程度越好。這是因為碳酸鋯鉀防水劑可與含羥基、羧基基團的化合物反應(yīng)形成防水膜［9］。但夾雜于體系中的硅酸鈉仍極易吸水、溶于水，使紙張防水性的改善受到限制。

表1 淀粉-硅酸鈉復(fù)配體系添加碳酸鋯鉀防水劑時的Cobb30值

添加硅油為防水劑后紙張的Cobb值見表2。從表2中可看出，淀粉-硅酸鈉復(fù)配體系中加入硅油（用量5％），表面施膠后紙張的Cobb值遠(yuǎn)低于原紙，說明紙張的吸水性遠(yuǎn)低于瓦楞原紙。施膠后，液滴接觸紙張表面0s時接觸角為106°，接觸20s時為102°，說明水分很難潤濕并滲透紙張，已經(jīng)具有良好的防水性能。同時，淀粉-硅酸鈉復(fù)配體系中加入硅油并表面施膠后，瓦楞原紙環(huán)壓強度比未施膠原紙原紙?zhí)岣吡?6％，耐破度提高了47.7％，全面滿足了使用性能。

表2 淀粉-硅酸鈉復(fù)配體系中添加硅油防水劑進(jìn)行表面施膠后紙張的性能

3 結(jié)論

3.1 淀粉-硅酸鈉復(fù)配體系具有高固含量、低黏度的特性，以此為施膠劑進(jìn)行表面施膠可以節(jié)省蒸汽，減輕干燥設(shè)備的負(fù)荷，提高紙機車速，使生產(chǎn)效率更高。

3.2 淀粉-硅酸鈉復(fù)配體系表面施膠，淀粉用量33％（對硅酸鈉用量）、施膠量10.5g/m2時，瓦楞原紙環(huán)壓指數(shù)為11.34N·m/g，增幅可達(dá)80％；以67％的淀粉復(fù)配的液粉-硅酸鈉表面施膠劑施膠，施膠量為5.4g/m2時，成紙的耐破指數(shù)為1.71kPa·m2/g，增幅可達(dá)51％。并且復(fù)配體系固含量高，可以生產(chǎn)出低定量的高強瓦楞原紙。

3.3 淀粉-硅酸鈉復(fù)配體系作為表面施膠劑，施膠后，成紙的防水性能欠佳，可采用添加防水劑來進(jìn)行改善。以碳酸鋯鉀作為防水劑，改善程度有限。添加一定量的硅油時，該復(fù)配體系既能滿足成紙的防水性能要求，也能滿足物理強度性能要求。

［1］韓 卿，王亞娟，黃文江，等.瓦楞原紙的環(huán)壓強度及其提高途徑［J］.中國造紙，2006，25（12）：49.

［2］候順利.通過表面施膠提高瓦楞原紙的環(huán)壓強度［J］.中國造紙，2009，28（3）：77.

［3］Exner R.Synthesis and application of polymer sizing agents［J］.Paper Technology，2002，43（6）：45.

［4］許 進(jìn).不同硬化方法形成的水玻璃膠粒的微觀形態(tài)變化及其原因探討［J］.中國鑄造裝備與技術(shù)，2008（4）：49.

［5］王文清，黃乃瑜，許 進(jìn)，等.強化鈉水玻璃黏結(jié)強度的新機制［J］.華中理工大學(xué)學(xué)報，1994，22（9）：23.

［6］童群義，朱桂蘭.用變性淀粉等添加劑改進(jìn)淀粉膜強度的研究［J］.食品科技，2004（1）：53.

［7］趙中魁，孫清洲，張普慶.水玻璃砂的干法再生［J］.鑄造技術(shù)，2004，25（8）：58.

［8］崔科從，王 東，韓 卿.有機硅及其在造紙工業(yè)中的應(yīng)用［J］.西南造紙，2001（4）：14.

［9］修慧娟，韓 卿，李金寶.碳酸鋯鹽對涂料及涂布紙性能的影響［J］.造紙化學(xué)品，2009，28（5）：40.