徐永建, 宋夏鴿, 左磊剛, 柴發(fā)萍
(陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室, 陜西 西安 710021)
玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料,主要成分是二氧化硅(SiO2),三氧化二鋁(Al2O3)和氧化鎂(MgO)等[1].錢世準[2-5]詳細總結(jié)了玻璃纖維在特殊材料領(lǐng)域中的應(yīng)用,包括玻璃纖維及其制品用于過濾、裝飾、涂料、膠黏、保溫隔音、建筑材料、絕緣材料、填密與摩擦材料、醫(yī)療與衛(wèi)生材料等,并列舉了不同國家對于玻璃纖維制品的開發(fā)與利用.由于玻璃纖維在水中的分散比較差[6],若要通過濕法造紙技術(shù)進一步擴大玻璃纖維基薄頁功能材料的開發(fā)及應(yīng)用,就要在抄片前對其進行一系列的分散處理,從而使其成為比較理想的玻璃纖維懸浮液.
Zeta電位法是目前應(yīng)用最廣泛的造紙濕部電荷測量技術(shù)[7].固相表面因本身電離或有選擇地吸附溶液中的離子而帶電時,會在界面周圍吸附著異電離子,形成雙電層結(jié)構(gòu).當(dāng)離子熱運動時,異電離子隨距離的遠近有一定濃度分布.溶液中的離子是溶劑化的,一部分是緊密層,另一部分是擴散層,當(dāng)固體與液體相對滑動時,滑動面在緊密層與擴散層交界面上存在電位差,即Zeta電位[8].測量Zeta電位的方法有微電泳法、流動電位法和AC流動電位法等.
本文使用德國制造的SZP-06型流動電位Zeta電位儀對玻纖漿料懸浮液Zeta電位進行測量,系統(tǒng)地研究了影響玻璃纖維懸浮液穩(wěn)定性的各種因素,如玻纖或玻棉濃度、玻纖配比、pH值和粘結(jié)劑添加量等.通過對漿料沉降指數(shù)和Zeta電位的考察,以期獲得較佳的玻纖漿料工藝參數(shù).
實驗所用玻璃纖維、玻璃棉、70 ℃水溶性纖維均由杭州某公司提供.玻璃纖維(水分為8%)規(guī)格為6 mm×φ9μm,玻棉規(guī)格為19 °SR.
NO.SE003型標準纖維疏解機(瑞典L&W公司),MP200A型電子天平(感量0.01 g)(上海精密科學(xué)儀器有限公司),BS210S型分析天平(上海精密科學(xué)儀器有限公司),SZP-06型Zeta電位測定儀(德國BTG公司),DZS-708型多參數(shù)分析儀(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司).
要確保玻璃纖維和玻璃棉在水中具有較好的分散狀態(tài),一般可以采取下列措施[9]:(1)降低懸浮液的pH值到2.5~3.0;(2)適當(dāng)降低漿料的濃度;(3)改善玻璃纖維表面潤濕狀況;(4)調(diào)整白水循環(huán)系統(tǒng).本實驗擬通過改變玻纖或玻棉濃度、玻纖配比、pH值和粘結(jié)劑添加量等使其較好地分散在水中.
1.3.1 濃度對玻纖或玻棉分散性的影響
將玻纖或玻棉配成濃度分別為0.01%、0.03%、0.05%的2 000 mL漿料懸浮液,在標準疏解機中疏解5 000 r,然后轉(zhuǎn)入2 000 mL燒杯中,靜置觀察其沉降2 min、4 min、6 min、8 min、10 min后的沉降體積,選擇較佳的沉降時間,計算其沉降指數(shù).
1.3.2 玻纖玻棉配比對漿料分散性能的影響
在濃度分別為0.01%、0.03%、0.05%,玻纖配比分別為50%、53%、55%條件下,將玻纖玻棉配成2 000 mL漿料懸浮液,在標準疏解機上疏解5 000 r,然后轉(zhuǎn)入2 000 mL燒杯中,靜置觀察其沉降2 min、4 min、6 min、8 min、10 min后的沉降體積,依據(jù)1.3.1選好的較佳沉降時間計算其沉降指數(shù),然后將溶液攪拌均勻,取500 mL測其Zeta電位,評價分散性能.
1.3.3 pH值對玻纖玻棉分散性的影響
在玻纖配比為53%,濃度分別為0.01%、0.03%、0.05%條件下,將玻纖玻棉配成2 000 mL漿料懸浮液,在標準疏解機上疏解5 000 r,然后轉(zhuǎn)入2 000 mL燒杯中,調(diào)節(jié)漿料pH值分別為3、2.5、2,靜置觀察其沉降2 min、4 min、6 min、8 min、10 min后的沉降體積,后續(xù)操作同1.3.2.
1.3.4 粘結(jié)劑添加量對漿料分散性能的影響
在玻纖配比為53%,濃度為0.03%和0.05%條件下,將玻纖玻棉配成2 000 mL漿料懸浮液,在標準疏解機上疏解5 000 r,然后轉(zhuǎn)入2 000 mL燒杯中,調(diào)節(jié)漿料pH值到2.5,靜置觀察其沉降2 min、4 min、6 min、8 min、10 min后的沉降體積,后續(xù)操作同1.3.2.
(1)沉降指數(shù):將分散后的玻璃纖維、玻璃棉或配抄漿料置于2 000 mL燒杯中靜置,計量原料沉降一定時間后的體積與絕干原料的比,作為評價系統(tǒng)分散性能的指標.
(2)Zeta電位:將料配好后量取500 mL,調(diào)溫到25±1 ℃,攪拌均勻,用SZP-06型Zeta電位儀測定漿料的Zeta電位.
實驗研究了濃度對玻璃纖維分散性能的影響,其結(jié)果如圖1和圖2所示.
由圖1可知,不同濃度下漿料在0~4 min之間直線的斜率最大,也就是說漿料沉降得最快,沉降體積變化最大,而4 min之后沉降體積慢慢變得平緩,時間對沉降體積的影響越來越小,故選擇沉降4 min后的體積作為后續(xù)沉降指數(shù)計算的依據(jù).
當(dāng)消除濃度對分散懸浮液沉降性能的影響后,用沉降指數(shù)來評價系統(tǒng)的分散性時,由圖2可知,沉降指數(shù)隨濃度的增加而下降.即隨濃度的增加,懸浮液中纖維間空間位阻增加,必然會有絮聚現(xiàn)象出現(xiàn),分散性下降,與其實際情況相符.纖維在水中分散得越好,纖維分散成單根的比例就越大,它們相互交織成良好的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),沉降得就越慢,沉降體積就越大,沉降指數(shù)也越大,分散性能就越好.綜上可知,濃度越低,玻璃纖維的分散效果越好.
圖1 玻纖沉降時間與沉降體積的關(guān)系
圖2 玻纖濃度與沉降指數(shù)的關(guān)系
實驗研究了濃度對玻璃棉分散性能的影響,其結(jié)果如圖3和圖4所示.
由圖3可知,玻棉的沉降情況基本與玻纖相同,在0~4 min之間直線斜率最大,漿料沉降得最快,沉降體積最大,這也驗證了選擇沉降4 min時的體積作為計算沉降指數(shù)依據(jù)的可行性.但玻棉在沉降時,濃度越大,沉降的越緩慢,這與玻纖不一致.由圖4可知,玻璃棉的分散性能與玻璃纖維的基本相同,都是隨濃度的增加,沉降指數(shù)下降,分散性能下降.
圖3 玻棉沉降時間與沉降體積的關(guān)系
圖4 玻棉濃度與沉降指數(shù)的關(guān)系
實驗研究了玻纖配比對漿料分散性能的影響,其實驗結(jié)果如圖5和圖6所示.
由圖5可知,在漿料系統(tǒng)濃度為0.01%時,玻纖懸浮液的沉降指數(shù)隨著配比的增大而降低,這可能是因為濃度過小,玻纖本身較重,它的加入對系統(tǒng)沉降性能的影響較大;而在濃度為0.03%和0.05%時,懸浮液的沉降指數(shù)都隨玻纖比例的增大,先升高再降低,即隨玻纖比例的增加,分散效果先變好再變差.同時圖5中也顯示了玻纖配比相同時,隨著漿料濃度的增加,懸浮液沉降指數(shù)下降,即分散效果變差,這與前面玻纖玻棉的分析結(jié)果一致.
當(dāng)玻纖配比為53%時,漿料沉降指數(shù)最大,懸浮液中單根纖維最多,纖維分散效果最好.這是因為玻璃棉比玻璃纖維更加細軟,隨著玻璃棉的加入,纖維之間的繞曲纏結(jié)會更加嚴重,懸浮液分散性會下降,但由于纖維之間電荷作用,可能會有一個平衡點,即兩者混合后分散性能最大的點.圖6也充分地證明了這一點,在玻纖配比為53%時,懸浮液的Zeta電位最負,此時系統(tǒng)的穩(wěn)定性最好.
圖5 不同濃度下玻纖比例對沉降指數(shù)的影響
圖6 不同濃度下玻纖比例對Zeta電位的影響
實驗研究了pH值對漿料分散性能的影響,其實驗結(jié)果如圖7和圖8所示.
由圖7可知,隨pH值的增大,玻纖沉降指數(shù)先增大后又減小,即玻纖分散效果先變好后又逐漸變差.當(dāng)pH值為2.5時,玻纖懸浮液沉降指數(shù)最大,纖維分散效果最好.
圖8也說明隨著pH值的減小,即H+離子的加入,纖維本身的負電荷被中和,纖維表面的ξ電位降低,Zeta電位的絕對值減小,纖維之間不易絮聚.由圖形曲線延長可知,懸浮液等電點在pH值小于2處,而調(diào)節(jié)漿料pH值由3到2.5所用的酸量比調(diào)pH值由2.5到2所用的酸量小很多,且有研究表明[10],漿料的Zeta電位不易控制在等電點處,應(yīng)控制在微負值處.綜上所述,故認為在pH=2.5時,玻纖懸浮液的分散效果最好.
圖7 不同濃度下pH值對沉降指數(shù)的影響(玻纖配比為53%)
圖8 不同濃度下pH值對Zeta電位的影響(玻纖配比為53%)
實驗研究了粘結(jié)劑添加量對漿料分散性能的影響,其實驗結(jié)果如圖9和圖10所示.
由圖9可知,在不同濃度漿料懸浮液情況下,沉降指數(shù)隨著膠粘劑添加量的增加,呈先上升后下降的趨勢,且變化比較平穩(wěn),即漿料的分散效果先變好再慢慢變差,但相對變化不是很大,當(dāng)粘結(jié)劑添加量為7%時,沉降指數(shù)最大.
這是因為PVOH的羥基有親水性,可以作為分散劑而改變纖維表面的潤濕狀況,增加其親水性,減少纖維間相互粘結(jié)的機會,進而可以大大改善玻璃纖維的分散狀況;同時,隨著PVOH的添加,增加了水溶液的黏度,并在水中形成大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),增加空間位阻,使?jié){料中纖維具有較好的懸浮性而不致過快地沉降;此外,分散劑具有的黏附性,作用類似潤滑劑,會吸附在纖維表面,形成一層滑而不黏的水合膜,從而達到阻止纖維絮聚結(jié)團的效果.
由圖10可知,隨著粘結(jié)劑添加量的進一步增加,Zeta電位的絕對值先減小再增大,當(dāng)粘結(jié)劑添加量為9%時,漿料系統(tǒng)的Zeta電位最接近等電點,漿料中的正負電荷達到平衡,這樣會降低漿料系統(tǒng)對細小粒子的吸附力,使已吸附的細小纖維再分散的特性喪失.而有研究表明[10],漿料的Zeta電位不易控制在等電點處,應(yīng)維持在微負值時較好.因此,認為粘結(jié)劑添加量為7%時,漿料分散效果最好.
圖9 不同濃度下PVOH添加量對沉降指數(shù)的影響(玻纖配比為53%,pH=2.5)
圖10 不同濃度下PVOH添加量對Zeta電位的影響(玻纖配比為53%,pH=2.5)
(1)玻纖漿料懸浮液分散時的濃度越低,分散效果越好,但濃度過低,會給后續(xù)干燥脫水帶來困難.因此,在不影響最后成紙勻度的情況下,濃度應(yīng)控制在一個合適的范圍內(nèi),實驗認為控制在0.01%~0.03%比較合適.
(2)玻璃棉比玻璃纖維更加細軟,隨著玻璃棉的加入,纖維之間的繞曲纏結(jié)會更加嚴重,懸浮液的分散性會下降.但由于纖維之間的電荷作用,懸浮液系統(tǒng)會有一個平衡點,即兩者混合后分散性能最大的點.
通過對玻纖玻棉不同配比下懸浮液沉降指數(shù)和Zeta電位的考察,得到玻纖比例為53%是兩者混合后分散性能最大的點.
(3)隨著pH值的減小,即H+離子的加入,玻璃纖維本身的負電荷被中和,纖維表面的ξ電位降低,Zeta電位的絕對值減小,纖維之間不易絮聚.當(dāng)pH值為2.5時,玻纖懸浮液沉降指數(shù)最大,懸浮液中單根纖維最多,纖維分散效果最好.
(4)當(dāng)粘結(jié)劑添加量為7%時,沉降指數(shù)最大,且此時懸浮液系統(tǒng)的Zeta電位處在微負值處.
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