淀粉-无机盐体系表面施胶对瓦楞原纸应用性能的影响

陈夫山 郑 刚 宋晓明

(青岛科技大学化工学院，山东青岛，266042)

产品包装的目的是将产品完好地从生产者手中送到消费者手中，这就要求包装纸板在贮存和运输中具有足够的机械强度，不变形，不破裂，能够承受各种外力的冲击、推压作用，以保护内部的包装物［1］。包装纸板是用于商品包装的纸板，其中包括箱纸板、牛皮箱纸板、瓦楞纸板和白纸板等，其中以瓦楞纸板用量最大，约占纸板总量的85% ～90%［2］。

由于瓦楞纸板广泛用于包装材料，因此瓦楞原纸的环压强度和耐破度是非常重要的物理指标，而表面施胶是提高瓦楞原纸环压强度及耐破度的一种重要方式［3］。

目前瓦楞原纸表面施胶剂多为淀粉类、聚丙烯酰胺类、共聚乳液类及多元复配类［4-11］，又以淀粉类瓦楞原纸表面施胶剂使用的最为广泛，但现在造纸行业整体不景气，经济效益不好，如何用更加低廉的原料来取代淀粉而又不损伤纸张的强度性能成为目前重要的研究方向。

本实验利用无机盐替代部分淀粉对瓦楞原纸表面施胶，以降低淀粉用量，在一定程度上降低成本，提高瓦楞原纸的环压强度及耐破度，并利用接枝淀粉型表面施胶剂改善成纸的防潮性能。

1 实 验

1.1 实验原料

玉米淀粉，工业品，晨鸣变性淀粉厂;硫酸镁，分析纯，天津市北方天医化学试剂厂;硝酸镁，分析纯，天津博迪化工股份有限公司;氯化镁，分析纯，天津博迪化工股份有限公司;过硫酸铵，分析纯，莱阳经济开发区精细化工厂;接枝淀粉型表面施胶剂，实验室自制，固含量30%;瓦楞原纸 (未表面施胶)，定量120 g/m2，横向环压指数3.25 N·m/g，纵向环压指数4.31 N·m/g，耐破指数4.69 kPa·m2/g。

1.2 实验仪器

DCP-NPY1200 电脑纸张耐破度仪，四川长江造纸仪器有限责任公司;ZBK-100 纸张表面吸收重量测定仪、ZYD-3F3 圆形取样器、TTM-500A 环压强度试验取样刀、ZZD-25B 智能压缩仪，长春永兴仪器有限责任公司;ST-1-260 型自动涂布机，陕西科技大学机电学院实训研发中心;NDJ-5S 旋转黏度计，上海安德仪器设备有限公司;XL30E 型环境扫描电子显微镜，美国FEI 公司。

1.3 实验方法

1.3.1 表面施胶液配制

将硝酸镁、氯化镁、硫酸镁分别与淀粉按m(淀粉)∶m(无机盐)为10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4 的质量比配成质量分数为10%的水溶液，并添加0.4%的过硫酸铵(对淀粉质量)，将复配试样分别加入三口烧瓶中，开启搅拌搅拌均匀并慢慢升温，待温度升至90℃时，停止升温，然后在此温度下糊化30 min，60℃保温备用。

1.3.2 表面施胶

在自动涂布机上，使用2#涂布棒，以一定速度将施胶液均匀涂在瓦楞原纸上，控制涂布量约为6 g/m2。施胶后纸样在鼓风干燥箱中干燥10 min，然后将纸样进行恒温恒湿平衡处理。

1.3.3 性能测定及表征

待施胶纸样经恒温恒湿平衡处理24 h 后，按照相关标准检测纸张各项物理性能指标［12］;参考GB/T1540—2002，利用纸张表面吸收重量测定仪测定纸张Cobb 值;参考GB/T 2679.8—1995，利用环压强度压缩仪测定纸张的环压强度;参考GB/T 1539—1989［12］，利用电脑纸张耐破度仪测定纸张的耐破强度;利用XL30E 型环境扫描电子显微镜对纸张进行电镜检测分析。

2 结果与讨论

2.1 淀粉-无机盐体系的黏度

为了研究淀粉-无机盐体系的黏度及变化趋势，使用旋转黏度计对淀粉-无机盐体系的黏度进行了测定，结果见图1。

图1 淀粉-无机盐体系黏度变化趋势

从图1 可以看出，淀粉-无机盐体系的黏度随着无机盐用量的增加不断下降，这是因为体系中淀粉用量降低，而且添加的过硫酸铵也对淀粉起到一定的降解作用，使体系的黏度始终保持着较低的水平，当无机盐用量占20% 时，淀粉-无机盐体系的黏度只有10 mPa·s 左右，为表面施胶创造了理想条件，使生产效率更高。

2.2 使用淀粉-无机盐体系表面施胶对瓦楞原纸强度的影响

瓦楞原纸作为瓦楞纸板及纸箱的原料，其强度决定了成品的使用性能，尤其是环压强度及耐破度。使用不同淀粉-无机盐体系对瓦楞原纸进行表面施胶处理，分析体系对瓦楞原纸环压强度、耐破度的影响。

2.2.1 对瓦楞原纸环压强度的影响

图2 淀粉-无机盐体系表面施胶对瓦楞原纸横向环压指数的影响

图2 为淀粉-无机盐体系表面施胶对瓦楞原纸环压强度的影响。从图2 可以看出，随着无机盐用量的增加，施胶后瓦楞原纸横向环压指数呈现一定的上升趋势，当无机盐用量达到20%时上升趋势趋缓。当无机盐用量为20%时，相对于瓦楞原纸，添加硝酸镁、氯化镁、硫酸镁的施胶纸横向环压指数分别增长了76.3%、80.0%、82.5%。

图3 为使用淀粉-无机盐体系表面施胶对瓦楞原纸纵向环压指数的影响。从图3 可以看出，随着无机盐用量的增加，施胶瓦楞原纸纵向环压指数呈现上升趋势，当无机盐用量达到20%时与横向环压指数一样上升趋势趋缓。当无机盐用量为20%时，相对于瓦楞原纸，添加硝酸镁、氯化镁、硫酸镁的施胶纸纵向环压指数分别增长了74.7%、72.6%、80.9%。

图3 淀粉-无机盐体系表面施胶对瓦楞原纸纵向环压指数的影响

从图2、图3 综合分析可得出，施胶液加入无机盐之后，纸张的环压性能有一定程度的提高。硝酸镁、氯化镁、硫酸镁易溶于水，与淀粉一起糊化后进行表面施胶，也更易随着淀粉糊化液渗透到纸张内部，分散得更加均匀，在经过烘干之后在纸张内部形成小的结晶体，结晶体本身的硬度比较大，整体上提高了纸张的环压强度。而当无机盐用量达到30%后，无机盐对环压强度的提高就没有那么明显，因为过多的无机盐影响了纤维之间的交织，纤维之间的部分氢键被破坏，对瓦楞原纸环压强度的提升不利。

2.2.2 对瓦楞原纸耐破度的影响

图4 为淀粉-无机盐复配体系表面施胶对瓦楞原纸耐破指数的影响。从图4 可以看出，随着无机盐用量的增加，施胶纸耐破指数先微弱上升，然后快速下降。因为无机盐有一定的硬度，当淀粉-无机盐表面施胶后，硝酸镁、氯化镁、硫酸镁分散在纤维里面，能在一定程度上弥补替代的淀粉对瓦楞原纸耐破度的补强，但淀粉是瓦楞原纸耐破度增强的主要原因，它与纤维之间形成氢键，而当无机盐用量达到30%后，硝酸镁、氯化镁、硫酸镁在一定程度上影响了淀粉与纤维之间的的连接、纤维与纤维的交织作用，对瓦楞原纸的耐破性能不利，所以耐破指数有一个快速下降的过程。在无机盐用量为20%时，耐破度的增强效果最好，相对于瓦楞原纸，添加了硝酸镁、氯化镁、硫酸镁的耐破指数分别增长了13.1%、14.3%、15.6%。

图4 淀粉-无机盐体系表面施胶对瓦楞原纸耐破指数的影响

2.3 接枝淀粉表面施胶剂的添加对瓦楞原纸防潮性能的影响

为了满足瓦楞纸箱及纸板使用环境的需要，瓦楞原纸的防潮性能非常重要。为了改进瓦楞原纸的防潮性能，在淀粉-无机盐体系中将糊化好的淀粉与接枝淀粉型表面施胶剂以50∶3 (质量比)的比例复配，然后进行表面施胶，并对纸张的防潮性进行了测试。

图5 淀粉-无机盐体系添加接枝淀粉型表面施胶剂前后施胶纸的Cobb 值

图5 为淀粉-无机盐体系添加接枝淀粉表面施胶剂前后施胶纸Cobb 值的变化。从图5 可以观察到，在没有添加无机盐之前，淀粉表面施胶纸的Cobb 值高达139 g/m2，而且随着无机盐的添加，Cobb 值呈现了小幅的上升趋势，当无机盐用量在40% 时，Cobb 值最高达到了163 g/m2。这是由于淀粉有一定的吸水能力，而加入无机盐之后，无机盐在一定程度上破坏了淀粉在纸张表面形成的淀粉膜，造成了Cobb值的升高。加入接枝淀粉型表面施胶剂后，Cobb 值下降至30 g/m2左右，因为接枝淀粉中含有苯乙烯等疏水性基团，在纤维表面形成致密的防水膜，大大提高了瓦楞原纸的防潮性能。根据GB/T13023—2008，箱纸板的吸水性要求小于35 g/m2，而加入接枝淀粉型表面施胶剂之后，施胶纸的Cobb 值只有30 g/m2左右，所以施胶后纸样的防潮性能满足使用要求。接枝淀粉型表面施胶剂的加入不仅不会影响无机盐对瓦楞原纸的环压强度、耐破强度性能的提升，它还会对瓦楞原纸强度性能有一定的增强作用，因为接枝淀粉型表面施胶剂的加入会增加淀粉与纤维、淀粉与淀粉之间的氢键的结合，而且接枝淀粉型施胶剂有一定黏性，它还能减少无机盐在纸张表面的掉毛掉粉现象。

2.4 表面施胶后纸样的SEM 分析

从图6 ～图10 可以看出，纸张经淀粉-无机盐表面施胶后，无机盐的小结晶颗粒通过淀粉黏附在纤维上和纤维之间。结合前面的结果，表明这些无机盐颗粒相互作用，从而极大地提升了施胶后纸张的环压强度，也在一定程度上提升了纸张的耐破度，但当无机盐用量达到30%、40%时，在一定程度上破坏了纤维的交织及氢键结合，对纸张的物理强度性能不利。

3 瓦楞原纸表面施胶成本核算

表2 为瓦楞原纸表面施胶的成本核算。从表2 可知，去除人工及机械、能耗费用，采用淀粉-无机盐体系对瓦楞原纸表面施胶的成本大约为133 ～144 元/t 纸之间，纸厂可以根据原有的工艺进行调整，相信对于纸厂降低成本来说具有重要意义。

表2 瓦楞原纸表面施胶的成本核算

4 结 论

4.1 采用淀粉-无机盐(硝酸镁、氯化镁和硫酸镁)体系对瓦楞原纸进行表面施胶，相对于其他类表面施胶剂其施胶成本降低，而且生产工艺更简单，生产效率更高。

4.2 采用淀粉-无机盐体系表面施胶，当施胶量为6 g/m2、无机盐用量为施胶剂的20%时，相对于瓦楞原纸，添加硝酸镁、氯化镁、硫酸镁施胶纸的横向环压指数分别增长了76.3%、80%、82.5%，纵向环压指数分别增长了74.7%、72.6%、80.9%，耐破指数分别增长了13.1%、14.3%、15.6%。

4.3 淀粉-无机盐体系作为表面施胶剂，施胶后成纸的防潮性能欠佳，在添加接枝淀粉型表面施胶剂之后，施胶纸防潮性能大大提高，施胶纸的Cobb 值从163 g/m2降至30 g/m2左右，满足了成纸防潮性能的要求。

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