阳离子淀粉/氢氧化铝加填体系的应用研究

安俊健

（湖北工业大学制浆造纸学院，湖北 武汉，430068)

1 前言

氢氧化铝是一种重要的造纸化学品，可以用作阻燃剂[1]，也可以用来涂布以改善纸张的表面性能。另外，它还可以用作填料[2]，非常适合充当二氧化钛的替代品，具有明显的价格优势。由于氢氧化铝粒度细且分布均匀，磨耗较小，可延长刮刀的使用寿命。通常造纸用氢氧化铝粒度d＜1μm，白度＞99%，用它代替二氧化钛，在不降低纸张白度及不透明度的前提下，能节约成本，提高成纸的光泽度，改善印刷性能。同样，由于氢氧化铝粒度较小，因此留着率较低，另外，加填往往造成纸张强度的下降，因此本文开发一阳离子淀粉为助留剂和增强剂，以氢氧化铝为助留剂的新型加填体系，期望在保证纸张强度的前提下，获得较好的加填效果。

2 实验部分

2.1 原料及药品

实验原料：商用浆板（水分26.8%)、实验室用麦草原料、阔叶木浆，阳离子淀粉（工业级用品)；氢氧化铝，天津福晨化学试剂厂；盐酸，成都科龙化工试剂厂；氢氧化钠，成都科龙化工试剂厂。

2.2 抄纸及纸张性能检测实验

2.2.1 实验仪器

本实验主要仪器如表1所示。

2.2.2 抄纸工艺

打浆浓度1.5%；绝干浆360g；定量70g/m2；抄片面积 0.0314m2。

2.2.3 工艺流程

打浆→取样测打浆度→抄片→烘干（≥10min)→性能检测。

2.3 结果与讨论

2.3.1 阳离子淀粉对氢氧化铝留着率及纸张性能的影响

阳离子淀粉对氢氧化铝留着率的影响如图1所示。从图中可以看出，随着阳离子淀粉用量的增加，氢氧化铝的留着率迅速增加。众所周知，纤维带有一定量的负电荷，另外，造纸工业中普遍使用的填料往往本身不带有电荷，但由于破碎使颗粒表面产生电子缺陷，在液体中其外表牢固地吸附一些负电性基团，导致其表面带负电。而阳离子淀粉分子链中含有较强的季铵盐基团，是一种线性高分子，分子量在400万左右。由于高分子链中带有一个完整正电荷的季铵盐基团，它与带有负电性的纤维和填料结合力较强，助留剂本身带有阳离子性的单体与非离子型的单体共聚，因而在分子链中阳离子基团分布也均匀，故也能赋予纸张较好的留着效果。

图1 阳离子淀粉用量对氢氧化铝留着率的影响

阳离子淀粉对纸张的抗张强度和耐折度的影响分别如图2和3所示。从图中可以看出随着阳离子淀粉用量的增加，纸张抗张强度和耐折度均出现增加的趋势。由于阳离子淀粉与造纸浆料中的带负电性长纤维、细小纤维以及填料上的负电位置进行静电结合，形成离子键，导致阳离子淀粉紧紧地吸附在纤维、填料的表面上，吸附造成的附加氢键力的形成又强化了纤维之间的结合强度，并把细小纤维、填料和长纤维连接在一起，形成一个有结合力的网状结构，从而增加了纸张的强度。

图2 阳离子淀粉用量对纸张抗张强度的影响

图3 阳离子淀粉用量对耐折度的影响

阳离子淀粉对纸张平滑度的影响如图4所示。从图中可以看出，随着阳离子淀粉用量的增加，平滑度出现先上升，接着基本不变最后下降的趋势，但总体变化趋势不大。

综上所述，阳离子的添加量对纸张的各项强度指标均和氢氧化铝的留着率有显著的影响。在纸料中添加阳离子淀粉后，纤维间的氢键结合数目显著增加，纤维间的结合力也大大增加，使得纸张的各项强度指标均有不同程度的增加。综合分析各项指标，可以看出，当阳离子淀粉用量在3.0%以下时，阳离子淀粉用量的增加能够显著提高纸张的抗张强度和氢氧化铝留着率，对耐折度也有所提高。当阳离子淀粉用量达到3%时，继续增加用量，各项指标增长的速度都减慢。所以阳离子淀粉的最佳用量为3%。

图4 阳离子淀粉用量对平滑度的影响

2.3.2 氢氧化铝用量对加填后纸张性能的影响

氢氧化铝用量对加填后纸张的抗张强度和耐折度的影响如图5和6所示。从图中可知，在没有阳离子淀粉添加的情况下，随着氢氧化铝填料的增加，纸张的抗张强度和耐折度均出现明显下降的趋势。产生这种现象的原因是因为填料本身无结合力，其加入量的增加必然影响纤维的量和结合力，从而导致强度的下降。但同样条件下，加入阳离子淀粉，其下降的趋势则大大减缓，这表明阳离子淀粉具有较好的补强作用。

图5 氢氧化铝用量对抗张强度的影响

图6 氢氧化铝用量对耐折度的影响

氢氧化铝对加填后纸张的白度和平滑度的影响如图7和8所示。从图中可以看出，纸张的白度和平滑度均随着氢氧化铝用量的增加出现增加的趋势。一般来讲，由于填料的白度和光散射系数均高于纤维，因而加填可提高纸的光学性能。从图7和图8可以看出，纸张的白度随着氢氧化铝用量的增加而增加，当用量在15%以下时，氢氧化铝用量的增加能够显著提高纸张白度，当氢氧化铝用量达到15%到20%时，再继续增加氢氧化铝用量时，纸张的白度的提高开始变得较为缓慢。增长变得缓慢的原因是氢氧化铝的留着已经快达到最大。同样，加填可提高纸张的平滑度，有填料存在时，纸张对水和油墨的吸收更均匀。填料对纸张孔隙率的影响取决于填料颗粒的尺寸和形态，适当添加填料，填料堵塞纤维空隙，并牢固黏着纤维空隙，有助于提高纸张的平滑度。

综上所述，氢氧化铝的添加量对纸张的各项性能指标均有显著的影响。其中对白度和平滑度的影响最大。综合分析各项指标，可以看出，当氢氧化铝用量为15%左右时，白度和平滑度虽没有达到最大值，但增长也趋于平缓。而抗张强度、耐破度和耐折度则在氢氧化铝用量达到15%后，下降速度都加快。所以氢氧化铝的最佳用量为15%。

图7 氢氧化铝用量对白度的影响

图8 氢氧化铝用量对平滑度的影响

2.3.3 浆料种类对氢氧化铝留着率和纸张性能的影响

浆料种类对氢氧化铝和纸张性能的影响分别如图9～12所示。从图9可以看出，针叶木浆的氢氧化铝的留着率较高。由图10、图11、图12可知，相比于草浆和阔叶木浆而言，针叶木浆的纸张的抗张强度、撕裂度、耐折度均明显好得多。这是因为首先纤维的组成不同，草浆相对于木浆木素含量过多，其次它们的纤维形态和物理状况也不同，针叶木纤维较长，阔叶木纤维短，草类纤维中长宽比高。因为纤维的长度直接影响到纸张的各项物理性能，所以木浆的各方面的物理性能均要好与草浆。其中针叶木浆性能更是好于阔叶木浆。

从原理上讲，填料的聚集会增加粒度，引起光散射能力的降低，但实际上对光散射能力的降低的幅度不大。一般来讲，由于填料的白度和光散射系数均高于纤维，因而加填可提高纸的光学性能。所以加填氢氧化铝会提高纸张的白度，但是由于草浆制造工艺及其纤维的特点导致白度相对于木浆要低。从图11可知阔叶木和针叶木的白度基本上没有差别。

通常，加填可提高纸张的平滑度，有填料存在时，纸张对水和油墨的吸收更均匀。填料对纸张孔隙率的影响取决于填料颗粒的尺寸和形状，适当添加填料，填料堵塞纤维空隙，并牢固黏着纤维空隙，有助于提高纸张的平滑度。从图12可以看出木浆的平滑度明显优于草浆的，针叶木浆优于阔叶木浆。

综上所述，浆的种类对纸张的各项性能指标及氢氧化铝的留着率均有显著的影响。综合分析各项指标，可以看出，针叶木浆加填氢氧化铝的效果最佳。

图9 浆的种类对氢氧化铝留着率的影响

图10 浆的种类对纸张抗张强度的影响

图11 浆的种类对白度的影响

图12 浆的种类对平滑度的影响

2.3.4 正交实验结果分析与讨论

由单因素实验结果分析可知，相比其他影响因素，浆的种类能明显改善各项物理性能，阳离子淀粉能显著提高纸张的耐折度和抗张强度，氢氧化铝能显著提高纸张的白度和平滑度。由单因素实验结果分析可得，设计正交实验时氢氧化铝用量分别为10%，15%，20%;浆的种类为针叶木，阔叶木，麦草浆；阳离子淀粉用量为1%，3%，5%。设计正交实验可获得三者的最佳用量比。

表2 正交实验方案

表3 正交实验数据统计分析

由实验统计分析数据可知，纸张的白度和平滑度的主要影响因素是氢氧化铝填料的加入量。由于氢氧化铝的白度和光散射系数均高于纤维，因而加填可提高纸的白度，氢氧化铝粒度很小，能堵塞纤维空隙，并牢固黏着纤维空隙，有助于提高纸张的平滑度。对纸张物理性能(包括抗张强度和耐折度)的主要影响因素是浆种的选择，且随着浆料的不同，纸张的物理性能均呈上升趋势。这是因为填料本身无结合力，其浆料的不同必然影响纤维的量和结合力。阳离子淀粉的用量是影响纸张物理强度的重要因素，淀粉的加人能够增加纤维间的结合力，有利于提高纸张物理强度。

三个因素综合影响的主次顺序为浆料种类，氢氧化铝用量，阳离子淀粉用量。由表2和表3分析，中性造纸的优异条件为氢氧化铝用量为15%，最合适的浆料为针叶木浆，阳离子淀粉用量为3%。

3 实验结论

（1)阳离子淀粉的添加量对纸张的各项强度指标均和氢氧化铝的留着率有显著的影响。实验得出阳离子淀粉的最佳用量为3%。

（2)氢氧化铝的添加量对纸张的各项性能指标均有显著的影响。对纸张物理性能(包括抗张强度度和耐折度)的主要影响因素是氢氧化铝的加入量，且随着填料量的增加，纸张的物理性能均呈下降10%～20%。氢氧化铝的添加有助于纸张白度和平滑度的提高。结果表明，氢氧化铝的最佳用量为15%。

（3)浆料种类对填料留着率以及纸张性能的影响。经过分析实验数据，讨论得出最佳的原料种类为针叶木浆。

（4)两种填料以适当比例添加，既能达到良好的光学性能和物理性能，又能使填料价格降到最低。综合所有因素，三者的最佳用量为：氢氧化铝8%，针叶木，阳离子淀粉3%。

[1]肖亚明，冯晓明.改善氢氧化铝阻燃性能的研究[R].中国粉体技术2005(11):6-10.

[2]李建民，王树栋，韩辉，阎爱萍.填料氢氧化铝的物化性能对其使用及制品性能的影响[J].化工进展2004(1):31-35.