紙板表面增強(qiáng)劑的研發(fā)新成果

紙板表面增強(qiáng)劑的研發(fā)新成果

為適應(yīng)環(huán)境保護(hù)政策，減少二氧化碳排放，紙板厚度日趨下降，加之大量廢紙的回收利用，造成紙板強(qiáng)度下降，為彌補(bǔ)紙板強(qiáng)度的下降，抄紙時(shí)添加表面增強(qiáng)劑是提高紙板強(qiáng)度的方法之一。常用的表面增強(qiáng)劑有淀粉和聚丙烯酰胺（PAM）類表面增強(qiáng)劑。然而，淀粉表面增強(qiáng)劑不足以達(dá)到包裝所需要的強(qiáng)度，PAM類表面增強(qiáng)劑因成本高而受到應(yīng)用限制。該文介紹了日本新研發(fā)的2種PAM類表面增強(qiáng)劑——“新型表面增強(qiáng)劑A”和“新型表面增強(qiáng)劑B”?！靶滦捅砻嬖鰪?qiáng)劑A”的特點(diǎn)是，它能較容易地滲透到紙板內(nèi)部深處，因而能以較少用量改善紙板的耐壓強(qiáng)度?！靶滦捅砻嬖鰪?qiáng)劑B”是一種能很好地滲透到紙板內(nèi)部的改性高分子物質(zhì)或高分子聚合物。

1 序言

近年來，為適應(yīng)降低二氧化碳排放、節(jié)約資源等環(huán)境保護(hù)政策，瓦楞原紙生產(chǎn)一直在進(jìn)行降低紙張厚度（低定量化）的研究。然而紙張厚度的降低造成了紙張強(qiáng)度的下降。用淀粉在紙張表面施膠彌補(bǔ)強(qiáng)度不足已廣為人知，并且，在用淀粉為提高強(qiáng)度而以高濃度進(jìn)行表面施膠的情況下，施膠液的黏度升高，可能產(chǎn)生施膠不均。而且，在使用施膠量較多的瓦楞原紙時(shí)，在瓦楞成形時(shí)會(huì)出現(xiàn)黏合不良的問題。另一方面，也有用聚丙烯酰胺（PAM）類表面施膠增強(qiáng)劑代替淀粉進(jìn)行施膠的，但與淀粉相比，存在價(jià)格高的問題。

本文將介紹2種新開發(fā)的PAM類表面增強(qiáng)劑。

2 瓦楞原紙低定量化造成的強(qiáng)度下降

瓦楞原紙低定量化對強(qiáng)度的影響極大。由于定量降低，瓦楞原紙中含的纖維數(shù)量和纖維間結(jié)合點(diǎn)數(shù)量減少，造成紙張強(qiáng)度下降，瓦楞原紙厚度的進(jìn)一步降低將使紙張強(qiáng)度下降更為顯著。

彌補(bǔ)因低定量化強(qiáng)度下降的方法有，在紙漿內(nèi)添加漿內(nèi)增強(qiáng)劑，但由于漿內(nèi)添加增強(qiáng)劑在瓦楞原紙上的保留率不足100%，要達(dá)到所需強(qiáng)度目標(biāo)值就不得不過量添加，由此將引發(fā)紙機(jī)運(yùn)行惡化、成本上升等問題；因此，要有效地獲得低定量瓦楞原紙的高強(qiáng)度，采用表面增強(qiáng)劑進(jìn)行表面施膠是有效方法。

3 新型PAM類增強(qiáng)劑的設(shè)計(jì)目標(biāo)

紙板用表面增強(qiáng)劑的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：（1）賦予瓦楞原紙高的耐壓強(qiáng)度；（2）施膠液黏度低，施膠適應(yīng)性好；（3）施膠后的紙張透氣度好，對黏合不產(chǎn)生不良影響；（4）不降低抗水瓦楞原紙所需的施膠效果。

4 PAM類表面增強(qiáng)劑對耐壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)

4.1 表面增強(qiáng)劑z軸分布的影響

首先，討論P(yáng)AM類表面增強(qiáng)劑對提高耐壓強(qiáng)度最有效的紙內(nèi)分布。在定量為140 g/m2的漂白硫酸鹽闊葉木漿（LBKP）手抄紙上，用2種涂膜厚度不同的涂布棒，分別以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和4%的施膠液（PAM類表面增強(qiáng)劑的稀釋液）進(jìn)行雙面施膠，并分別測定施膠后紙頁的耐壓強(qiáng)度。施膠方法為：用涂布棒雙面施膠旋轉(zhuǎn)式烘缸（溫度105℃，時(shí)間60 s）。圖1顯示了PAM類表面增強(qiáng)劑在2種被施膠的紙頁z軸方向分布的測定結(jié)果。施膠條件為：施膠液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，吸液量為30 g/m2，絕干施膠量為3 g/m2（圖1中“A”，下同）；施膠液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)；吸液量為75 g/m2，絕干施膠量為3 g/m2（圖1中“B”，下同）。圖1中，PAM類表面增強(qiáng)劑的z軸分布通過一邊用刀沿z軸切割施膠紙，一邊依據(jù)ESCA測定法（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）測定各斷面中來自PAM的氮元素的含量（以碳元素和氮元素質(zhì)量之和為基數(shù)，下同）可以確認(rèn)施膠液濃度低、吸液量大的紙張內(nèi)部存在著較多的PAM類表面增強(qiáng)劑。

上述2種被施膠后紙頁的耐壓強(qiáng)度測定結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，被施膠后的滲透了PAM類表面增強(qiáng)劑的紙頁顯示了良好的耐壓強(qiáng)度。

4.2 表面增強(qiáng)劑相對分子質(zhì)量的影響

圖1 PAM類表面增強(qiáng)劑在紙張z軸方向的分布

圖2 PAM類表面增強(qiáng)劑施膠后紙頁的耐壓強(qiáng)度

用不同相對分子質(zhì)量的PAM類表面增強(qiáng)劑通過雙輥表面施膠機(jī)對定量為160 g/m2的LBKP手抄紙施膠，施膠時(shí)確保在紙的z軸方向上不出現(xiàn)分布差，均勻地施膠3 g/m2，然后測定其耐壓強(qiáng)度，結(jié)果見圖3。施膠方法為：用涂布棒雙面施膠旋轉(zhuǎn)式烘缸（溫度105℃，時(shí)間60 s）。施膠條件為：施膠液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.67%，吸液量為180 g/m2，絕干施膠量為3 g/m2。

由圖3可見，經(jīng)高分子PAM類表面增強(qiáng)劑施膠后的紙頁顯示了良好的耐壓強(qiáng)度。

圖3 PAM類表面增強(qiáng)劑的相對分子質(zhì)量對其施膠后紙頁耐壓強(qiáng)度的影響

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，相對分子質(zhì)量高并且容易在紙的z軸方向滲透的PAM類表面增強(qiáng)劑用作紙板表面增強(qiáng)劑的效果較好。

5 研發(fā)的新型表面增強(qiáng)劑的性質(zhì)

研發(fā)的“新型表面增強(qiáng)劑A”（以下簡稱“增強(qiáng)劑A”）維持了與傳統(tǒng)表面增強(qiáng)劑（以下簡稱“傳統(tǒng)增強(qiáng)劑”）相同的相對分子質(zhì)量，通過在聚合物中高比例配置特殊官能基，提高了其在紙中z軸方向的滲透性，取得了較高的耐壓強(qiáng)度。

而研發(fā)的“新型表面增強(qiáng)劑B”（以下簡稱“增強(qiáng)劑B”）則通過在提高相對分子質(zhì)量及密度的PAM共聚體中導(dǎo)入對紙具有高滲透性的水溶性高分子達(dá)到提高耐壓強(qiáng)度的目的。

研發(fā)的新型表面增強(qiáng)劑的性狀如表1所示。

6 紙板用新型表面增強(qiáng)劑在紙中的滲透性

表1 新型表面增強(qiáng)劑的性狀

用涂布棒在定量為140 g/m2的LBKP手抄紙上分別采用傳統(tǒng)增強(qiáng)劑、增強(qiáng)劑A及增強(qiáng)劑B雙面施膠，施膠量為1.4 g/m2，測定上述增強(qiáng)劑在LBKP手抄紙z軸的分布（測定方法與“4.1”相同），施膠條件為：施膠液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，吸液量為35 g/m2，絕干施膠量為1.4 g/m2，測定結(jié)果見圖4。

由圖4可見，增強(qiáng)劑A和增強(qiáng)劑B在紙內(nèi)氮元素的比例都高于傳統(tǒng)增強(qiáng)劑，因而可知，增強(qiáng)劑A和增強(qiáng)劑B在紙的z軸方向的滲透性得到了提高。

圖4 表面增強(qiáng)劑在紙張z軸方向的分布

7 紙板用新型表面增強(qiáng)劑的效果

7.1 性能

對傳統(tǒng)增強(qiáng)劑、增強(qiáng)劑A、增強(qiáng)劑B及淀粉的表面施膠性能進(jìn)行比較。用涂布棒對定量為160 g/m2的瓦楞芯紙進(jìn)行雙面施膠，吸液量固定為30 g/m2，通過改變表面增強(qiáng)劑的濃度制成不同施膠量的紙頁。圖5顯示了表面增強(qiáng)劑絕干施膠量與橫向環(huán)壓強(qiáng)度指數(shù)的關(guān)系。施膠方法為：用涂布棒雙面施膠旋轉(zhuǎn)式烘缸（溫度105℃，時(shí)間60 s）。施膠條件為：PAM類表面施膠液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.8%、2.5%和4.0%；表面淀粉施膠液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.0%、7.0%和10%；PAM類表面施膠液絕干施膠量分別為0.54、0.75和1.2 g/m2，表面淀粉施膠液絕干施膠量分別為1.2、2.1和3.0 g/m2。

由圖5可見，PAM類表面增強(qiáng)劑的環(huán)壓強(qiáng)度指數(shù)大幅度高于淀粉表面增強(qiáng)劑，PAM類表面增強(qiáng)劑只需淀粉1/3～1/4的用量就能達(dá)到相等的環(huán)壓強(qiáng)度指數(shù)。PAM類表面增強(qiáng)劑中，增強(qiáng)劑A的效果最

圖5 表面增強(qiáng)劑絕干施膠量與環(huán)壓強(qiáng)度指數(shù)的關(guān)系佳，其次是增強(qiáng)劑B，然后是傳統(tǒng)增強(qiáng)劑。

圖6顯示了表面增強(qiáng)劑的成本指數(shù)與橫向環(huán)壓強(qiáng)度指數(shù)的關(guān)系。

由圖6可見，與傳統(tǒng)增強(qiáng)劑相比，增強(qiáng)劑A和增強(qiáng)劑B顯示了較高的環(huán)壓強(qiáng)度。

7.2 施膠液黏度的比較

在進(jìn)行表面增強(qiáng)劑施膠時(shí)，如施膠液的黏度太高，可能會(huì)產(chǎn)生因施膠不均及液體飛濺產(chǎn)生的紙機(jī)污染問題，黏度較低的施膠液較理想。溫度40℃時(shí)的各種表面增強(qiáng)劑稀釋液的B型黏度如圖7所示。

由圖7可見：增強(qiáng)劑A和增強(qiáng)劑B的黏度比傳統(tǒng)增強(qiáng)劑低；與淀粉增強(qiáng)劑相比，相同濃度下，黏度大體一樣，但考慮到通常淀粉在5%～10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)下施膠，而PAM類表面增強(qiáng)劑在2%～6%質(zhì)量分?jǐn)?shù)下施膠。因此，增強(qiáng)劑A和增強(qiáng)劑B的施膠適應(yīng)

圖6 表面增強(qiáng)劑的成本指數(shù)與環(huán)壓強(qiáng)度指數(shù)的關(guān)系性更好。

圖7 表面增強(qiáng)劑的稀釋黏度

7.3 表面增強(qiáng)劑對黏合性的影響

一般來說，如果用表面增強(qiáng)劑對瓦楞原紙施膠，紙漿纖維間的空隙會(huì)被干燥后的表面增強(qiáng)劑樹脂封閉，瓦楞成形時(shí)黏結(jié)芯紙和面紙的黏結(jié)劑變得不容易滲透到原紙內(nèi)部，從而產(chǎn)生黏合不良和瓦楞紙箱強(qiáng)度下降的問題。

采用各種表面增強(qiáng)劑在定量為180 g/m2瓦楞原紙上的單面施膠，用動(dòng)態(tài)滲透性測試儀測定在水中的滲透速度，結(jié)果如圖8所示。另外，為了達(dá)到淀粉與PAM類表面增強(qiáng)劑相同的強(qiáng)度，淀粉的施膠量需要后者的3倍，因此采用了淀粉施膠量為PAM類表面增強(qiáng)劑3倍的施膠紙進(jìn)行評價(jià)。施膠方法為：用涂布棒雙面施膠旋轉(zhuǎn)式烘缸（溫度105℃，時(shí)間60 s）。施膠條件為：PAM類表面增強(qiáng)劑施膠濃度為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.3%；淀粉表面增強(qiáng)劑施膠濃度為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%；PAM類表面增強(qiáng)劑絕干施膠量為1.0 g/m2；淀粉表面增強(qiáng)劑絕干施膠量為3.0 g/m2。

由圖8可見：試驗(yàn)結(jié)果是淀粉施膠紙的水滲透性最差；另一方面，增強(qiáng)劑A和增強(qiáng)劑B施膠后的紙頁與傳統(tǒng)增強(qiáng)劑施膠后的紙頁相比，取得了良好的水滲透性。就是說，新開發(fā)的表面增強(qiáng)劑不會(huì)對瓦楞成形時(shí)的黏合和瓦楞紙箱強(qiáng)度產(chǎn)生不良影響。

7.4 耐水瓦楞原紙的施膠效果

圖8 水對表面增強(qiáng)劑施膠紙的滲透速度

如果在通過漿內(nèi)施膠劑提高了施膠效果的耐水瓦楞原紙上采用親水的表面增強(qiáng)劑施膠的話，紙表面的親水性提高，施膠效果下降。

用涂布棒在定量為180 g/m2的耐水高強(qiáng)瓦楞原紙上進(jìn)行各種表面增強(qiáng)劑的單面施膠，測定120 s的Cobb吸水度，其結(jié)果如圖9所示。施膠方法為：用涂布棒雙面施膠旋轉(zhuǎn)式烘缸（溫度105℃，時(shí)間60 s）。施膠條件為：PAM類表面增強(qiáng)劑施膠濃度為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.3%；淀粉表面增強(qiáng)劑施膠濃度為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%；PAM類表面增強(qiáng)劑絕干施膠量為1.0 g/m2；淀粉表面增強(qiáng)劑絕干施膠量為3.0 g/m2。與前述同樣的理由，用淀粉施膠量為PAM類表面增強(qiáng)劑的3倍的施膠紙進(jìn)行評價(jià)。

由圖9可見：淀粉施膠紙的Cobb120吸水度大幅度惡化，而PAM類表面增強(qiáng)劑施膠后的紙頁的惡化程度較?。徊⑶?，各種PAM類表面增強(qiáng)劑施膠紙之間的吸水度差異很小。

8 總結(jié)

本文介紹了通過提高z軸方向滲透性，賦予瓦楞

圖9 表面增強(qiáng)劑施膠后紙頁120 s的Cobb吸水度

原紙優(yōu)良的耐壓強(qiáng)度，在瓦楞成形時(shí)對黏合性影響較小的新型表面增強(qiáng)劑。增強(qiáng)劑A的特點(diǎn)是，它能較容易地滲透到紙板內(nèi)部深處，因而能以較少用量改善紙板的耐壓強(qiáng)度。增強(qiáng)劑B是一種能很好地滲透到紙板內(nèi)部的改性高分子物質(zhì)或高分子聚合物。

（杜偉民編譯）