陽離子淀粉/氫氧化鋁加填體系的應(yīng)用研究

安俊健

（湖北工業(yè)大學(xué)制漿造紙學(xué)院，湖北 武漢，430068)

1 前言

氫氧化鋁是一種重要的造紙化學(xué)品，可以用作阻燃劑[1]，也可以用來涂布以改善紙張的表面性能。另外，它還可以用作填料[2]，非常適合充當(dāng)二氧化鈦的替代品，具有明顯的價格優(yōu)勢。由于氫氧化鋁粒度細(xì)且分布均勻，磨耗較小，可延長刮刀的使用壽命。通常造紙用氫氧化鋁粒度d＜1μm，白度＞99%，用它代替二氧化鈦，在不降低紙張白度及不透明度的前提下，能節(jié)約成本，提高成紙的光澤度，改善印刷性能。同樣，由于氫氧化鋁粒度較小，因此留著率較低，另外，加填往往造成紙張強度的下降，因此本文開發(fā)一陽離子淀粉為助留劑和增強劑，以氫氧化鋁為助留劑的新型加填體系，期望在保證紙張強度的前提下，獲得較好的加填效果。

2 實驗部分

2.1 原料及藥品

實驗原料：商用漿板（水分26.8%)、實驗室用麥草原料、闊葉木漿，陽離子淀粉（工業(yè)級用品)；氫氧化鋁，天津福晨化學(xué)試劑廠；鹽酸，成都科龍化工試劑廠；氫氧化鈉，成都科龍化工試劑廠。

2.2 抄紙及紙張性能檢測實驗

2.2.1 實驗儀器

本實驗主要儀器如表1所示。

2.2.2 抄紙工藝

打漿濃度1.5%；絕干漿360g；定量70g/m2；抄片面積 0.0314m2。

2.2.3 工藝流程

打漿→取樣測打漿度→抄片→烘干（≥10min)→性能檢測。

2.3 結(jié)果與討論

2.3.1 陽離子淀粉對氫氧化鋁留著率及紙張性能的影響

陽離子淀粉對氫氧化鋁留著率的影響如圖1所示。從圖中可以看出，隨著陽離子淀粉用量的增加，氫氧化鋁的留著率迅速增加。眾所周知，纖維帶有一定量的負(fù)電荷，另外，造紙工業(yè)中普遍使用的填料往往本身不帶有電荷，但由于破碎使顆粒表面產(chǎn)生電子缺陷，在液體中其外表牢固地吸附一些負(fù)電性基團，導(dǎo)致其表面帶負(fù)電。而陽離子淀粉分子鏈中含有較強的季銨鹽基團，是一種線性高分子，分子量在400萬左右。由于高分子鏈中帶有一個完整正電荷的季銨鹽基團，它與帶有負(fù)電性的纖維和填料結(jié)合力較強，助留劑本身帶有陽離子性的單體與非離子型的單體共聚，因而在分子鏈中陽離子基團分布也均勻，故也能賦予紙張較好的留著效果。

圖1 陽離子淀粉用量對氫氧化鋁留著率的影響

陽離子淀粉對紙張的抗張強度和耐折度的影響分別如圖2和3所示。從圖中可以看出隨著陽離子淀粉用量的增加，紙張抗張強度和耐折度均出現(xiàn)增加的趨勢。由于陽離子淀粉與造紙漿料中的帶負(fù)電性長纖維、細(xì)小纖維以及填料上的負(fù)電位置進(jìn)行靜電結(jié)合，形成離子鍵，導(dǎo)致陽離子淀粉緊緊地吸附在纖維、填料的表面上，吸附造成的附加氫鍵力的形成又強化了纖維之間的結(jié)合強度，并把細(xì)小纖維、填料和長纖維連接在一起，形成一個有結(jié)合力的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而增加了紙張的強度。

圖2 陽離子淀粉用量對紙張抗張強度的影響

圖3 陽離子淀粉用量對耐折度的影響

陽離子淀粉對紙張平滑度的影響如圖4所示。從圖中可以看出，隨著陽離子淀粉用量的增加，平滑度出現(xiàn)先上升，接著基本不變最后下降的趨勢，但總體變化趨勢不大。

綜上所述，陽離子的添加量對紙張的各項強度指標(biāo)均和氫氧化鋁的留著率有顯著的影響。在紙料中添加陽離子淀粉后，纖維間的氫鍵結(jié)合數(shù)目顯著增加，纖維間的結(jié)合力也大大增加，使得紙張的各項強度指標(biāo)均有不同程度的增加。綜合分析各項指標(biāo)，可以看出，當(dāng)陽離子淀粉用量在3.0%以下時，陽離子淀粉用量的增加能夠顯著提高紙張的抗張強度和氫氧化鋁留著率，對耐折度也有所提高。當(dāng)陽離子淀粉用量達(dá)到3%時，繼續(xù)增加用量，各項指標(biāo)增長的速度都減慢。所以陽離子淀粉的最佳用量為3%。

圖4 陽離子淀粉用量對平滑度的影響

2.3.2 氫氧化鋁用量對加填后紙張性能的影響

氫氧化鋁用量對加填后紙張的抗張強度和耐折度的影響如圖5和6所示。從圖中可知，在沒有陽離子淀粉添加的情況下，隨著氫氧化鋁填料的增加，紙張的抗張強度和耐折度均出現(xiàn)明顯下降的趨勢。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是因為填料本身無結(jié)合力，其加入量的增加必然影響纖維的量和結(jié)合力，從而導(dǎo)致強度的下降。但同樣條件下，加入陽離子淀粉，其下降的趨勢則大大減緩，這表明陽離子淀粉具有較好的補強作用。

圖5 氫氧化鋁用量對抗張強度的影響

圖6 氫氧化鋁用量對耐折度的影響

氫氧化鋁對加填后紙張的白度和平滑度的影響如圖7和8所示。從圖中可以看出，紙張的白度和平滑度均隨著氫氧化鋁用量的增加出現(xiàn)增加的趨勢。一般來講，由于填料的白度和光散射系數(shù)均高于纖維，因而加填可提高紙的光學(xué)性能。從圖7和圖8可以看出，紙張的白度隨著氫氧化鋁用量的增加而增加，當(dāng)用量在15%以下時，氫氧化鋁用量的增加能夠顯著提高紙張白度，當(dāng)氫氧化鋁用量達(dá)到15%到20%時，再繼續(xù)增加氫氧化鋁用量時，紙張的白度的提高開始變得較為緩慢。增長變得緩慢的原因是氫氧化鋁的留著已經(jīng)快達(dá)到最大。同樣，加填可提高紙張的平滑度，有填料存在時，紙張對水和油墨的吸收更均勻。填料對紙張孔隙率的影響取決于填料顆粒的尺寸和形態(tài)，適當(dāng)添加填料，填料堵塞纖維空隙，并牢固黏著纖維空隙，有助于提高紙張的平滑度。

綜上所述，氫氧化鋁的添加量對紙張的各項性能指標(biāo)均有顯著的影響。其中對白度和平滑度的影響最大。綜合分析各項指標(biāo)，可以看出，當(dāng)氫氧化鋁用量為15%左右時，白度和平滑度雖沒有達(dá)到最大值，但增長也趨于平緩。而抗張強度、耐破度和耐折度則在氫氧化鋁用量達(dá)到15%后，下降速度都加快。所以氫氧化鋁的最佳用量為15%。

圖7 氫氧化鋁用量對白度的影響

圖8 氫氧化鋁用量對平滑度的影響

2.3.3 漿料種類對氫氧化鋁留著率和紙張性能的影響

漿料種類對氫氧化鋁和紙張性能的影響分別如圖9～12所示。從圖9可以看出，針葉木漿的氫氧化鋁的留著率較高。由圖10、圖11、圖12可知，相比于草漿和闊葉木漿而言，針葉木漿的紙張的抗張強度、撕裂度、耐折度均明顯好得多。這是因為首先纖維的組成不同，草漿相對于木漿木素含量過多，其次它們的纖維形態(tài)和物理狀況也不同，針葉木纖維較長，闊葉木纖維短，草類纖維中長寬比高。因為纖維的長度直接影響到紙張的各項物理性能，所以木漿的各方面的物理性能均要好與草漿。其中針葉木漿性能更是好于闊葉木漿。

從原理上講，填料的聚集會增加粒度，引起光散射能力的降低，但實際上對光散射能力的降低的幅度不大。一般來講，由于填料的白度和光散射系數(shù)均高于纖維，因而加填可提高紙的光學(xué)性能。所以加填氫氧化鋁會提高紙張的白度，但是由于草漿制造工藝及其纖維的特點導(dǎo)致白度相對于木漿要低。從圖11可知闊葉木和針葉木的白度基本上沒有差別。

通常，加填可提高紙張的平滑度，有填料存在時，紙張對水和油墨的吸收更均勻。填料對紙張孔隙率的影響取決于填料顆粒的尺寸和形狀，適當(dāng)添加填料，填料堵塞纖維空隙，并牢固黏著纖維空隙，有助于提高紙張的平滑度。從圖12可以看出木漿的平滑度明顯優(yōu)于草漿的，針葉木漿優(yōu)于闊葉木漿。

綜上所述，漿的種類對紙張的各項性能指標(biāo)及氫氧化鋁的留著率均有顯著的影響。綜合分析各項指標(biāo)，可以看出，針葉木漿加填氫氧化鋁的效果最佳。

圖9 漿的種類對氫氧化鋁留著率的影響

圖10 漿的種類對紙張抗張強度的影響

圖11 漿的種類對白度的影響

圖12 漿的種類對平滑度的影響

2.3.4 正交實驗結(jié)果分析與討論

由單因素實驗結(jié)果分析可知，相比其他影響因素，漿的種類能明顯改善各項物理性能，陽離子淀粉能顯著提高紙張的耐折度和抗張強度，氫氧化鋁能顯著提高紙張的白度和平滑度。由單因素實驗結(jié)果分析可得，設(shè)計正交實驗時氫氧化鋁用量分別為10%，15%，20%;漿的種類為針葉木，闊葉木，麥草漿；陽離子淀粉用量為1%，3%，5%。設(shè)計正交實驗可獲得三者的最佳用量比。

表2 正交實驗方案

表3 正交實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

由實驗統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)可知，紙張的白度和平滑度的主要影響因素是氫氧化鋁填料的加入量。由于氫氧化鋁的白度和光散射系數(shù)均高于纖維，因而加填可提高紙的白度，氫氧化鋁粒度很小，能堵塞纖維空隙，并牢固黏著纖維空隙，有助于提高紙張的平滑度。對紙張物理性能(包括抗張強度和耐折度)的主要影響因素是漿種的選擇，且隨著漿料的不同，紙張的物理性能均呈上升趨勢。這是因為填料本身無結(jié)合力，其漿料的不同必然影響纖維的量和結(jié)合力。陽離子淀粉的用量是影響紙張物理強度的重要因素，淀粉的加人能夠增加纖維間的結(jié)合力，有利于提高紙張物理強度。

三個因素綜合影響的主次順序為漿料種類，氫氧化鋁用量，陽離子淀粉用量。由表2和表3分析，中性造紙的優(yōu)異條件為氫氧化鋁用量為15%，最合適的漿料為針葉木漿，陽離子淀粉用量為3%。

3 實驗結(jié)論

（1)陽離子淀粉的添加量對紙張的各項強度指標(biāo)均和氫氧化鋁的留著率有顯著的影響。實驗得出陽離子淀粉的最佳用量為3%。

（2)氫氧化鋁的添加量對紙張的各項性能指標(biāo)均有顯著的影響。對紙張物理性能(包括抗張強度度和耐折度)的主要影響因素是氫氧化鋁的加入量，且隨著填料量的增加，紙張的物理性能均呈下降10%～20%。氫氧化鋁的添加有助于紙張白度和平滑度的提高。結(jié)果表明，氫氧化鋁的最佳用量為15%。

（3)漿料種類對填料留著率以及紙張性能的影響。經(jīng)過分析實驗數(shù)據(jù)，討論得出最佳的原料種類為針葉木漿。

（4)兩種填料以適當(dāng)比例添加，既能達(dá)到良好的光學(xué)性能和物理性能，又能使填料價格降到最低。綜合所有因素，三者的最佳用量為：氫氧化鋁8%，針葉木，陽離子淀粉3%。

[1]肖亞明，馮曉明.改善氫氧化鋁阻燃性能的研究[R].中國粉體技術(shù)2005(11):6-10.

[2]李建民，王樹棟，韓輝，閻愛萍.填料氫氧化鋁的物化性能對其使用及制品性能的影響[J].化工進(jìn)展2004(1):31-35.