原位合成硅酸镁铝制备低温型隔热纸

莫继承 于 钢 陈 宇 闫晓婷 张 颖

(1．东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨，150040;2．天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津，300222)

原位合成硅酸镁铝制备低温型隔热纸

莫继承1于 钢1陈 宇1闫晓婷2张 颖2

(1．东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨，150040;2．天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津，300222)

以硅酸钠、硫酸铝和硫酸镁为原料，在阔叶木浆纤维的细胞腔和细胞壁中原位合成硅酸镁铝，并用该复合纤维抄造低温型保温隔热纸。实验确定了在纤维细胞内原位合成硅酸镁铝制备复合纤维的最佳工艺条件：硅酸钠用量4．72 g/g绝干浆、硫酸铝用量7．43 g/g绝干浆、硫酸镁用量10．51 g/g绝干浆、反应时间30 min、反应温度70℃。该条件下制备的复合纤维抄造隔热纸，纸张的导热系数为0．051 W/(m·K)，比直接用阔叶木浆抄造的空白样下降了38．55%，白度提高了32%，强度略有下降。用扫描电子显微镜-能谱 (SEM-EDAX)对合成硅酸镁铝产物及隔热纸的结构、性能进行分析表明，硅酸镁铝在纤维细胞内有沉积。

原位合成;硅酸镁铝;隔热纸

采用良好的保温隔热材料有利于降低产品能耗和生产成本，增加设备使用寿命等，具有可观的社会经济效益［1］。硅酸镁铝是一种质软、滑爽、无毒无味的白色粉末，不溶于水，在水中可膨胀成较原来体积大许多倍的分散体系，且能保持较长时间的稳定，也是一种最为常用的优良保温隔热材料，它的导热系数只有0．045 W/(m·K)(60℃)，低于微孔硅酸钙、复合硅酸盐、岩棉等优质保温隔热材料［2-3］。低温型保温隔热纸是指在较低的使用温度 (＜100℃)下、一定时间内保留物质的热量不散发的特种纸。之前，笔者所在课题组已经对单种无机隔热材料在植物纤维中的沉积情况以及所制备隔热纸的隔热性能进行了研究［4-5］。

本实验以硅酸钠、硫酸铝和硫酸镁为原料，通过原位合成在纸浆纤维的细胞腔和细胞壁中合成复合保温隔热材料——硅酸镁铝，用这种纤维制备在低温下使用的保温隔热纸，实验确定了合成的最佳工艺条件，并对硅酸镁铝在纤维上的沉积情况及成纸的结构和保温隔热性能进行表征。硅酸钠、硫酸铝和硫酸镁反应生成硅酸镁铝沉淀的反应方程式如下：

1 实验

1.1 原料及药品

漂白阔叶木浆板，牡丹江恒丰纸业有限公司提供;Na2SiO3·6H2O、Al2(SO4)3·18H2O、MgSO4·7H2O，分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司提供;阳离子聚丙烯酰胺 (CPAM)，相对分子质量为500万，天津市江天化工有限公司提供;实验室用水均为去离子水。

1.2 仪器与设备

HH系列恒温水浴，江苏金坛中大仪器厂;S-212型恒速搅拌器，上海申胜技术有限公司;ZQJ1-B-Ⅱ型纸样成形器，陕西科技大学机械厂;YQ-Z-48A型白度颜色测定仪，杭州轻通仪器开发公司;ZDNP-1型电子式纸张耐破度仪，长春市月明小型试验机有限公司;ZL-300A纸与纸板抗张试验机，长春市纸张试验厂;ZSE-1000纸张撕裂度测定仪，长春市小型试验机厂;DRX-Ⅱ-PB型导热系数测定仪，湘潭华丰仪器制造有限公司;QUANTA 200型扫描电镜及EDAX能谱仪，美国FEI公司。

1.3 实验方法

1.3.1 打浆

将疏解后的阔叶木浆在1．6%的浓度下在打浆机中进行打浆，将纸浆打至57°SR的打浆度。放置48 h后，测定水分，备用。

1.3.2 复合纤维的制备

先将水浴调至预定的恒定温度，将硅酸钠配制成150 mL溶液，然后称取所需的浆量，装入三口瓶中，在预定的搅拌速度下使硅酸钠溶液充分进入到纤维细胞腔内后，用滤网将浆料滤出，然后将洗后纤维重新放入三口瓶内，加入硫酸铝和硫酸镁溶液 (150 mL)充分搅拌至反应结束。反应结束后用清水洗涤，备用。

1.3.3 保温隔热纸的制备

加入用量为1．2%的CPAM(相对绝干浆)，在ZQJ1-B-Ⅱ型纸样成形器上抄造手抄片，定量为80 g/m2，烘干备用。同时取相同量的漂白阔叶木浆抄造空白样，以进行对照。

1.3.4 分析与检测

纸张灰分、白度、抗张强度、撕裂度、耐破度分别按相应的国家标准进行检测［6］，用DRX-Ⅱ-PB型导热系数测定仪测定各试样的导热系数。

纸张经处理后用扫描电子显微镜-能谱 (SEMEDAX)分析硅酸镁铝在纤维上的沉积和分布情况。

2 结果与讨论

2.1 正交实验结果分析

按硅酸镁铝合成影响因子和数理统计方法，在硅酸钠用量9．89 g/g绝干浆条件下设计三因素四水平正交实验 (见表1)，以纸张的灰分为衡量标准，正交实验结果如表2所示。

表1 正交实验因素水平表

表2 正交实验结果

由表2可见，原位合成硅酸镁铝的最佳方案为A3、B2、C3，由此可确定最佳工艺条件为：反应温度70℃，反应时间30 min，硫酸铝用量7．43 g/g绝干浆，硫酸镁用量10．51 g/g绝干浆。

2.2 隔热纸的物理性能检测

2.2.1 Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型隔热纸的制备

在反应温度70℃，反应时间30 min，硫酸铝用量7．43 g/g绝干浆，硫酸镁用量10．51 g/g绝干浆条件下，分别抄造Ⅰ型 (硅酸钠用量4．72 g/g绝干浆)、Ⅱ型 (硅酸钠用量9．89 g/g绝干浆)、Ⅲ型(硅酸钠用量18．42 g/g绝干浆)隔热纸，然后进行检测。

2.2.2 纸张物理性能检测

空白样与3种隔热纸强度性能及白度指标如表3所示。由表3可知，随着硅酸钠用量的增加，隔热纸的白度也随之升高，这是由于硅酸镁铝的白度较高所致，这从另一方面也证明纤维中存在硅酸镁铝，可以认为硅酸镁铝主要存在于纤维细胞中或附着在纤维表面。表3还显示出隔热纸的各项强度指标都随着硅酸钠用量的增加而下降，这是由于在冲洗过程中部分细小纤维的流失，减少了纤维的结合面积和冲洗后长纤维分丝帚化处仍黏附的硅酸镁铝粒子，影响了纤维之间的结合。但是Ⅰ型隔热纸的强度与空白样相差较小，此时隔热纸的白度比空白样提高了32%。

表3 空白样与隔热纸的强度及白度性能对比

2.2.3 纸张导热系数检测

硅酸镁铝、隔热纸与空白样导热系数如图1所示。由图1可知，隔热纸的导热系数介于硅酸镁铝与空白样之间，这也说明隔热纸中有硅酸镁铝存在。由于硅酸镁铝在Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型隔热纸中的沉积率相差较小 (Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型隔热纸硅酸镁铝沉积率分别为22．7%、26．4%、29．3%)，从而导致3种隔热纸的导热系数相差较小。由图1还可知，Ⅰ型隔热纸的隔热系数最小，较空白样相比，隔热系数下降了38．6%，在此条件下，隔热纸的隔热性能最佳。

图1 硅酸镁铝、隔热纸和空白样的导热系数

2.3 隔热纸的SEM观察和SEM-EDAX分析

图2和图3是空白样与隔热纸表面的SEM照片，比较图2和图3，发现空白样表面只有交织的纤维，纤维外壁较光滑，而隔热纸表面除纤维外，还有明显的白色物质即反应生成的硅酸镁铝。图4和图5则反映了空白样和隔热纸的纤维外表面及细胞腔中是否有硅酸镁铝沉积的情况，从图5可明显的看到纤维外表面和细胞腔内壁表面中较图4的空白样纤维多了白色的沉积物，即硅酸镁铝。

图6为反应温度70℃，反应时间30 min，硅酸钠用量4．72 g/g绝干浆，硫酸铝用量7．43 g/g绝干浆，硫酸镁用量10．51 g/g绝干浆条件下制得的隔热纤维细胞腔内壁能谱分析定位图，图6中方框内部分的能谱分析结果见图7和表4。由图7可见，隔热纸纤维细胞腔能谱图中含有硅、氧、镁、铝元素的峰以及表4中纤维内壁元素分析的结果，都表明硅酸镁铝在细胞腔内壁上有沉积。

表4 隔热纤维细胞内壁元素分析

3 结论

3.1 以硅酸钠、硫酸铝和硫酸镁为原料，在阔叶木浆纤维的细胞腔和细胞壁中原位合成硅酸镁铝，并用该复合纤维抄造低温型保温隔热纸。原位合成硅酸镁铝制备复合纤维抄造隔热纸的最佳工艺条件为：硅酸钠用量4．72 g/g绝干浆，硫酸铝用量7．43 g/g绝干浆，硫酸镁用量10．51 g/g绝干浆，反应温度70℃，反应时间30 min。在该条件下制备的硅酸镁铝隔热纸的导热系数为0．051 W/(m·K)，与直接用阔叶木浆抄造的空白样相比，导热系数下降了38．55%，白度提高了32%，强度略有下降。

3.2 通过对隔热纸表面和隔热纸纤维横切面的SEM观察和扫描能谱分析，发现纸浆纤维细胞内有硅酸镁铝沉积。

［1］ 章桥新，确付强．新型高温复合隔热纸的制备与性能研究［J］．中国造纸，2008，27(7)：22．

［2］ 许惠英．盐卤水制备硅酸镁铝［J］．杭州化工，2001，31(2)：26．

［3］ 石致远．石棉硅酸镁铝绝热材料的应用［J］．石油化工设备技术，1994，15(1)：60．

［4］ 刘 焱，于 钢．原位沉积硅酸铝制备隔热纸［J］．中国造纸，2010，29(5)：25．

［5］ 莫继承，于 钢，刘 焱，等．原位合成硅酸钙制备保温隔热纸［J］．中国造纸，2011，30(6)：17．

［6］ 石淑兰，何福望．制浆造纸分析与检测［M］．北京：中国轻工业出版社，2003．

Manufacture of Low Temperature Type Heat Insulation Paper Based on In-situ Synthesis of Magnesium Aluminum Silicate

MO Ji-cheng1YU Gang1，*CHEN Yu1YAN Xiao-ting2ZHANG Ying2
(1．Materials Science and Engineering College，Northeast Forestry University，Harbin，Heilongjiang Province，150040;2．College of Material Science＆ Chemical Engineering，Tianjin University of Science＆ Technology，Tianjin，300222)

The feasibility and process conditions of heat insulation paper manufacture based on in-situ synthesis of magnesium aluminum silicate in the hard wood pulp fibers were investigated．The results indicated that the better process conditions for manufacture of magnesium aluminum silicate heat insulation paper as the follows：the concentration of sodium silicate was 0．5 mol/L，the volume ratio of alumina sulfate(23 mol/L)and magnesium sulfate(1 mol/L)solution was 4∶6，the reaction time and temperature was 30 min and 70℃ respectively．Compared with the base paper，coefficient of heat conductivity of the paper reduced by 38．55%，and the brightness increased by 32%，however，the strength was lower than base paper．The synthetic material，microstructure and properties of the heat insulation paper were observed by SEM-EDAX．The results showed that the manufacture condition was easy to fulfill;the magnesium aluminum silicate was deposited on the fibers surface and in the fiber cells．

in-situ synthesis;magnesium aluminum silicate;heat insulation paper

TS7611．2

A

0254-508X(2012)02-0011-04

莫继承先生，在读硕士研究生;主要研究方向：特种纸与加工纸。

2011-10-17(修改稿)

东北林业大学研究生科技创新项目 (gram09)。

(*E-mail：yugang．925@163．com)

(责任编辑：郭彩云)