PA-鈉水玻璃復(fù)合表面施膠劑的應(yīng)用

胡 純 周小凡，* 彭鵬杰

(1.南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京，210037;2.國家漿紙產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，福建莆田，351100)

瓦楞紙類包裝材料價格低廉，清潔環(huán)保，可回收利用，較之塑料、木材包裝，可大幅節(jié)約運(yùn)輸成本，一直備受包裝材料界的青睞［1］。抗壓性能是包裝材料最重要的指標(biāo)，對于瓦楞紙而言，環(huán)壓強(qiáng)度和耐破度是直接決定其抗壓性能的關(guān)鍵指標(biāo)。應(yīng)用鈉水玻璃在瓦楞原紙表面進(jìn)行施膠，可大幅度提高瓦楞紙的耐破度和環(huán)壓強(qiáng)度，進(jìn)而提高瓦楞紙包裝材料的抗壓性能，但由于鈉水玻璃是水溶性材料，利用其施膠的紙張抗水性極差，且浸濕后強(qiáng)度損失明顯［2-3］。本研究采用一種無機(jī)鹽固化劑PA(以下簡稱為“PA”)對鈉水玻璃進(jìn)行緩慢固化，形成復(fù)合表面施膠劑，以保證應(yīng)用該施膠劑的紙張既有一定的抗水性，又具有較好的強(qiáng)度性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

瓦楞原紙，定量105 g/m2、耐破指數(shù)1.02 kPa·m2/g、環(huán)壓指數(shù)3.15 N·m/g，無錫榮成紙業(yè)提供;鈉水玻璃，固含量56%、模數(shù)3.25，廣州番禹力強(qiáng)化工廠提供;無機(jī)鹽固化劑PA(600目)，石家莊市鑫盛化工有限公司提供;高含氫硅油乳液，固含量30%，南京拓華化工有限公司提供;淀粉，金華盛紙業(yè)有限公司提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

數(shù)顯恒溫水浴鍋;DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱;磁力攪拌器;NDJ-79旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì);手工K式涂布機(jī);DC-KY3000A電腦測控壓縮實(shí)驗(yàn)儀;FQ-CBD125 Cobb吸收性取樣器;P95930 Z000 Cobb儀;DCP-NPY1200電腦測控紙張耐破度儀;掃描電鏡(SEM)QUANTA200;接觸角測量儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 表面施膠劑的制備

取一定量鈉水玻璃，加入10%(對鈉水玻璃絕干質(zhì)量而言)PA，然后用蒸餾水調(diào)整體系固含量，充分混合均勻，置于70℃恒溫水浴鍋中，水浴20 min，并不斷攪拌，制備PA-鈉水玻璃復(fù)合表面施膠劑(以下簡稱復(fù)合表面施膠劑)。

取一定量淀粉，加入蒸餾水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的淀粉溶液，于90℃恒溫水浴鍋中糊化，并保溫30 min，制備用于表面施膠的淀粉液。

1.3.2 表面施膠處理

(1)應(yīng)用PA-鈉水玻璃的表面施膠處理

取一定量配制好的復(fù)合表面施膠劑，用K式涂布法進(jìn)行表面施膠。利用該方法可通過調(diào)整體系固含量、涂布力度、涂布棒速率來實(shí)現(xiàn)施膠量的控制。施膠后紙張于105℃條件下干燥。

(2)應(yīng)用淀粉液的表面施膠處理

取一定量糊化好的淀粉溶液，用K式涂布法進(jìn)行表面施膠，施膠后紙張于105℃條件下干燥。

(3)復(fù)合表面施膠劑中添加高含氫硅油乳液的表面施膠處理

取一定量配制好的復(fù)合表面施膠劑，加入5%(以復(fù)合體系絕干質(zhì)量計(jì))高含氫硅油乳液，充分混合均勻后，用K式涂布法進(jìn)行表面施膠。施膠后紙張于105℃條件下干燥。

1.3.3 施膠劑和紙樣性能檢測

利用旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)測定復(fù)合表面施膠劑和淀粉在70℃時的黏度，并進(jìn)行比較。

將分別使用復(fù)合表面施膠劑和淀粉進(jìn)行表面施膠后的紙樣置于恒溫恒濕環(huán)境中進(jìn)行平衡處理，然后測定其Cobb30值、Cobb60值、耐破指數(shù)、環(huán)壓指數(shù)及固液接觸角，同時用掃描電鏡觀察不同施膠量紙樣的表面結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 無機(jī)鹽固化劑PA對鈉水玻璃的固化機(jī)理

Na+的水溶性是鈉水玻璃抗水性差的根本原因。無機(jī)鹽固化劑PA可以緩慢釋放出H+，用其替代Na+可促進(jìn)鈉水玻璃的凝膠及固化［4］。其過程如下所示:

最終生成由Si—O鍵構(gòu)成的結(jié)構(gòu)緊密的聚合物。應(yīng)用這種聚合物在紙張表面形成的膜質(zhì)地緊密且抗水性極好。

2.2 復(fù)合表面施膠劑黏度

紙機(jī)施膠部溫度大約為70℃，故利用旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)測定70℃時復(fù)合表面施膠劑在不同固含量時的黏度，并與傳統(tǒng)施膠劑淀粉進(jìn)行比較(見圖1)。

圖1 70℃時不同固含量的復(fù)合表面施膠劑與淀粉液的黏度比較

由圖1可以看出，在相同固含量下，復(fù)合表面施膠劑的黏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于淀粉;在固含量高達(dá)50%時，復(fù)合表面施膠劑的黏度僅為25 mPa·s，如此低黏度、高固含量的施膠劑為表面施膠提供了非常理想的條件，且對于控制和提高涂布量無疑也是非常有益的。在一定黏度下，若施膠劑固含量得到提高，則可大大減輕后續(xù)干燥部負(fù)荷，有利于節(jié)約蒸汽，提高車速，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。

2.3 復(fù)合表面施膠劑對紙張強(qiáng)度的影響

作為瓦楞箱紙板的原料，瓦楞原紙的強(qiáng)度直接決定其使用性能，其中，最重要的強(qiáng)度指標(biāo)是環(huán)壓強(qiáng)度和耐破度。以瓦楞原紙為基材，對紙張兩面進(jìn)行表面施膠，通過調(diào)整復(fù)合表面施膠劑的固含量，探討施膠量對瓦楞原紙環(huán)壓指數(shù)和耐破指數(shù)的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 復(fù)合表面施膠劑處理后瓦楞原紙環(huán)壓指數(shù)和耐破指數(shù)的變化

由圖2可以看出，紙張雙面施膠量低于6 g/m2時，環(huán)壓指數(shù)上升較為緩慢;當(dāng)紙張雙面施膠量高于6 g/m2以后，環(huán)壓指數(shù)增加明顯;但當(dāng)其達(dá)到9～10 g/m2之間，環(huán)壓指數(shù)增加的趨勢又漸趨平緩;當(dāng)雙面施膠量為9 g/m2時，環(huán)壓指數(shù)增大到10.1 N·m/g，是原紙環(huán)壓指數(shù)(3.15 N·m/g)的3.2倍。可見，應(yīng)用此復(fù)合表面施膠劑可明顯提高瓦楞原紙的環(huán)壓強(qiáng)度。

圖2還表明，隨施膠量的增加，耐破指數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且在雙面施膠量為8 g/m2時達(dá)到最大值，耐破指數(shù)為 1.37 kPa·m2/g，比原紙?zhí)岣吡?5%。這是由于復(fù)合表面施膠劑在紙張表面形成了一層挺硬的膜，該膜脆性較大，因而對于紙張耐破指數(shù)的提高沒有環(huán)壓指數(shù)提高明顯，且達(dá)到一定施膠量后，耐破指數(shù)反而有所下降。

圖3 復(fù)合表面施膠劑處理后的紙張表面

使用復(fù)合表面施膠劑對瓦楞原紙進(jìn)行表面施膠處理，當(dāng)雙面施膠量為9 g/m2時，環(huán)壓指數(shù)增大到 10.1 N·m/g、耐破指數(shù)增大到 1.36 kPa·m2/g，均可滿足瓦楞紙作為包裝用紙的使用強(qiáng)度。這說明該復(fù)合表面施膠劑可明顯提高瓦楞原紙的環(huán)壓強(qiáng)度，但由于施膠后形成的膜挺硬、脆性大、延展性不佳、容易龜裂，因而該復(fù)合表面施膠劑對瓦楞原紙耐破度的提高沒有那么顯著。后續(xù)研究中考慮添加淀粉、CMC等延展性較好的有機(jī)物，以進(jìn)一步改善和提高紙張的耐破度［5-6］。

圖4 復(fù)合表面施膠劑施膠后紙張Cobb30值的變化

2.4 復(fù)合表面施膠劑對瓦楞原紙表面抗水性能的改善

瓦楞紙作為包裝用紙，在使用過程中除了對強(qiáng)度有一定要求外，表面抗水性能也相當(dāng)重要。利用PA對鈉水玻璃進(jìn)行固化，雖然生成以Si—O鍵構(gòu)成的強(qiáng)度高、抗水性好的聚合物，但由于親水性極好的Na+仍然大量存在，其對紙張表面抗水性能的改善受到限制［7］。

圖3表明，在低施膠量時，由于鈉水玻璃成膜性不佳，且瓦楞原紙表面孔隙較多，復(fù)合表面施膠劑無法在紙張表面形成一層完整的薄膜，施膠后紙張表面仍然存在大量孔隙(見圖3a)。加之親水性極好的Na+仍然大量存在，水分可以很容易浸潤紙張表面并通過孔隙到達(dá)紙張內(nèi)部。在高施膠量時，復(fù)合表面施膠劑填充紙張孔隙之后，可以在紙張表面形成一層均勻的薄膜(見圖3b)，使得水分無法進(jìn)入紙張內(nèi)部，進(jìn)而賦予紙張一定的抗水性。復(fù)合表面施膠劑對瓦楞原紙抗水性能的改善作用如圖4所示。

表1 復(fù)合表面施膠劑中添加高含氫硅油進(jìn)行表面施膠后的紙張性能

由圖4可知，使用復(fù)合表面施膠劑處理紙張后，紙張Cobb30值隨單面施膠量的上升呈不斷下降趨勢;單面施膠量為4.5 g/m2(即雙面施膠量9 g/m2)時，Cobb30值為90.1 g/m2，這遠(yuǎn)達(dá)不到包裝用瓦楞紙的使用要求;當(dāng)單面施膠量為8 g/m2和11 g/m2時，Cobb30值分別為51.3 g/m2和35.2 g/m2，但施膠量的增加必然帶來生產(chǎn)成本及運(yùn)輸成本的上升，并且不利于耐破度的提高。故探討在復(fù)合表面施膠劑中添加少量高含氫硅油的作用效果，以進(jìn)一步改善紙張抗水性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，添加高含氫硅油后，紙張表面抗水性能得到了顯著改善;當(dāng)高含氫硅油用量為3%(對復(fù)合施膠液絕干質(zhì)量而言)時，液滴接觸紙張表面0和20 s時的接觸角分別為99°和53.5°;當(dāng)高含氫硅油用量為5%時，液滴接觸紙張表面0和20 s時的接觸角分別為108°和103°;當(dāng)高含氫硅油用量為10%時，液滴接觸紙張表面0和20 s時的接觸角分別為108°和105°。這說明高含氫硅油乳液能賦予紙張表面一定的疏水性，使得水難以浸潤，并通過表面施膠后紙張表面形成的薄膜顯著改善紙張表面的抗水性能，從而解決了因親水性極好的Na+大量存在而造成的抗水性不佳的問題。當(dāng)單面施膠量為4.5 g/m2(即雙面施膠量9 g/m2)時，在復(fù)合表面施膠劑中添加用量為3%的高含氫硅油乳液，對瓦楞原紙進(jìn)行表面施膠處理后，紙張表面 Cobb30值為 47.9 g/m2、Cobb60值為103.8 g/m2，瓦楞原紙抗水性能有了非常明顯的改善，但還不足以滿足瓦楞紙板或紙箱的使用要求;在相同施膠量下，當(dāng)高含氫硅油乳液用量為5%時，表面施膠處理后紙張Cobb30值為29.6 g/m2、Cobb60值為67.3 g/m2，完全可以滿足包裝用瓦楞紙板或紙箱的使用要求;當(dāng)進(jìn)一步提高高含氫硅油乳液用量至10%時，表面施膠處理后紙張Cobb30值為25.3 g/m2、Cobb60值為 47.6 g/m2，較之高含氫硅油乳液用量的增加程度，紙張抗水性能的改善程度不大，且由于高含氫硅油乳液價格相對較高，考慮到成本問題，本實(shí)驗(yàn)采用高含氫硅油乳液用量5%為最佳條件。從表1還可以看出，在復(fù)合表面施膠劑中添加高含氫硅油乳液，施膠后紙張強(qiáng)度性能基本不受影響，耐破度還有小幅上升趨勢，說明少量的高含氫硅油乳液的添加可以在不損失紙張強(qiáng)度性能的基礎(chǔ)上，顯著改善施膠后紙張的抗水性能。

3 結(jié)論

3.1 使用PA-鈉水玻璃復(fù)合表面施膠劑進(jìn)行表面施膠處理，PA用量10%(對鈉水玻璃絕干質(zhì)量而言)、雙面施膠量9 g/m2時，瓦楞原紙環(huán)壓指數(shù)增大到10.1 N·m/g、為原紙的 3.2 倍，耐破指數(shù)增大到1.36 kPa·m2/g、增幅達(dá)35%。由于該復(fù)合表面施膠劑固含量高，因此，可以根據(jù)需要調(diào)整施膠量，以滿足不同的施膠要求。

3.2 使用PA-鈉水玻璃復(fù)合施膠劑進(jìn)行表面施膠后，紙張抗水性能不太理想，但可通過添加少量高含氫硅油提高紙張疏水性，以達(dá)到抗水要求，同時紙張強(qiáng)度性能基本不受影響。

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