载银硅藻土纸板制备工艺的研究

王春萍 陈少平 刘国亮

（福建师范大学化学与化工学院，福建 福州 350007）

载银硅藻土纸板制备工艺的研究

王春萍 陈少平★刘国亮

（福建师范大学化学与化工学院，福建 福州 350007）

以桉木浆、载银硅藻土为原料制备抗菌纸板为目的，考察了载银硅藻土、不同定着助剂的添加量以及各组分的添加顺序对硅藻土留着率的影响。采用L25（56）正交实验表对实验条件进行了优化。研究结果表明，当硅藻土添加量为30%，使用PDAAM152 : PDAAM053为4 : 1的复配物作为定着助剂时，通过先调节纸浆pH至6．5，后加入定着助剂，再加入硅藻土，快速搅拌20 min后抄纸，可使硅藻土的留着率达80．0%，纸张抗张强度为17．0 N·m/g。

载银硅藻土 正交实验设计 抗菌纸

硅藻土是生物成因的无定型二氧化硅，含有少量的杂质如Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、P2O5和有机质等[1-2]，具有独特的微孔结构。硅藻土已被广泛应用于催化剂载体、聚合物与涂料的填料、工业上的助滤剂等方面[3]；硅藻土应用在造纸领域，可作为阻燃吸音纸（板）、油封纸（板）、育果纸、吸水保鲜包装纸等的填料[4]；将负载银离子的硅藻土加填于纸张中，能赋予纸张抗菌性能[5-6]，而载银硅藻土在纸张中的留着率将直接影响纸板的抗菌性能。本文以提高载银硅藻土在纸张中的留着率为目标，研究了定着助剂PDAAM的分子量、用量及添加顺序等对载银硅藻土留着率的影响，并通过正交实验法优化了载银硅藻土纸板的抄造工艺。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

桉木浆，福建省某造纸厂；载银硅藻土，自制[7]；聚-N,N-二甲基二烯丙基氯化铵(PDA)，N,N-二甲基二烯丙基氯化铵与丙烯酰胺的共聚物（PDAAM），由课题组提供；ZQJ-B型纸页抄造器，西北轻工业学院机械厂；肖氏打浆度仪，长春市纸张实验机厂；WZL-300纸张拉力仪，杭州轻通仪器开发公司；WG-3型切纸刀，湖南伟科仪器仪表公司。

1.2 硅藻土对PDA的吸附

室温下，在搅拌中将5g载银硅藻土加入到50 mL0．5% PDA溶液中，调节溶液的pH，按设定时间取样，用胶体滴定法[8]测出溶液中PDA的剩余量。

1.3 纸张的抄造

称取相当于定量为130 g/m2的湿浆，加入100 mL水，在果浆机上疏解浆料至打浆度为30oSR。调节浆料pH值，并将硅藻土按以下三种添加方式在ZQJ-B型纸页抄造器上制备纸样。湿纸张经压榨、烘干，在（20±1）℃、相对湿度50%±2%下，恒温恒湿24h，测定纸张的抗张强度。

添加方式：

（1）将硅藻土加入纸浆中，调节pH至6．5，快速搅拌2 min，慢搅3 min，加入纸浆绝干量0．5%的定着助剂，快速搅拌20 min后抄纸。

（2）调节纸浆pH至6．5，加入纸浆绝干量0．5%的定着助剂，快速搅拌2 min，慢搅3 min，加入硅藻土，快速搅拌20 min后抄纸。

（3）往硅藻土中加入纸浆绝干量0．5%的定着助剂，快速搅拌20 min，将混合液加至纸浆（pH值已调至6．5）中，快速搅拌2 min，慢搅3 min后抄纸。

1.4 硅藻土留着率的测定

根据文献[9]中的方法，取原浆与添加载银硅藻土的纸张灰化后置于（575±25）℃的马弗炉中灼烧至恒重（3h），再由式(1)得到纸张中硅藻土的留着率。

式中 m1——纸张完全灼烧后的质量，g

m2——纸浆灰分的质量，g

m3——加填于纸浆中的硅藻土的绝干质量，g

2 结果与讨论

2.1 载银硅藻土对PDA的吸附

图1为室温下5g硅藻土在50 mL质量浓度分别为0．5%和0．7%的PDA水溶液中的吸附图。从图1中可以看出，反应初期，硅藻土对PDA的吸附量快速增大，20min后吸附量几乎不变。这是因为硅藻土表面带有负电荷，而PDA分子链上所带的是正电荷。将硅藻土加入反应体系时，硅藻土表面的负电荷与PDA分子链上所带的正电荷因静电作用而相互吸引，从而导致硅藻土对PDA的吸附量增大。当吸附时间20 min以上时，由于硅藻土表面与PDA的电中和作用以及PDA分子链在硅藻土表面的吸附架桥作用的影响，使硅藻土对PDA的吸附量达到平衡状态。在这个结果上，确定了硅藻土加入后的搅拌时间为20 min。

2.2 定着助剂及其添加方式的影响

图2和图3分别为硅藻土的不同添加方式以及不同定着剂对载银硅藻土留着率和纸张抗张指数的影响。从图2和图3中可以看出，载银硅藻土的添加方式对其在纸张中留着率和抗张指数的影响不同。其中，定着剂为PDAAM时，在添加方式2的情况下硅藻土的留着率最大，为78．6%，而按添加方式1添加时，纸张抗张指数最大，为15．0 N·m/g。综合考虑纸板性能以及成本问题，应选择PDAAM作为定着剂，硅藻土按添加方式2进行纸张抄造。

2.3 PDAAM的分子量、添加量的影响

选取相对分子质量为152万的PDAAM（记为PDAAM152）和53万的PDAAM（PDAAM053）进行实验，所得结果如图4和图5所示。从图4和图5可以看出，PDAAM152对硅藻土的留着率明显高于PDAAM053；而PDAAM053的纸张增强效果明显优于PDAAM152。当PDAAM152添加量为0．75%时，硅藻土在纸张上的留着率最大，为83．5%，而此时的PDAAM053为76．8%；但在此添加量下，添加PDAAM152的纸张抗张强度比添加0．5%PDAAM053的纸张小。这可归因于PDAAM152的分子链较长，吸附架桥能力比PDAAM053好，更容易捕捉浆料中的硅藻土颗粒，所以PDAAM152使得纸张中的硅藻土留着率更大。但是更长的分子链的蜷曲、折叠导致分子链与纤维上的静电结合点减少，从而导致纸张的抗张指数较低[10]。

2.4 纸张制备工艺的优化

由2．1～2．3的实验结果可知，单一相对分子质量的PDAAM无法同时提高纸张中的硅藻土留着率和纸张的抗张指数，为了得到两者同时增大的纸张，选用PDAAM152与PDAAM053的复配比例、聚合物添加量、硅藻土添加量做三因素五水平的正交试验，因素水平见表1，实验结果见表2，并利用spss软件[11]对实验结果进行了方差分析见表3。

表1 正交因素水平表L25（56）

由表2可知，对硅藻土留着率影响的主次因素为C＞B＞A，其中A5＞A4＞A3＞A2＞A1，B4＞B5＞B3＞B2＞B1，C1＞C2＞C3＞C4＞C5；C因素的R值较大，A因素的R值较小，说明C为本次试验的主要影响因素；空列的极差值均小于A、B、C三个因素，说明A、B、C三因素间没有交互作用。由方差结果可知，B、C为极具显著意义的因素（P＜0．01）且C为主要影响因素，这与极差分析结果相一致。结合表2、表3的实验结果，初步确定最佳抄纸工艺为A5B4C1，即PDAAM152:PDAAM053为4:1，聚合物添加量为0．75%，硅藻土添加量为30%。

2.5 验证试验

按2．4的优选工艺条件进行重复性验证试验，如图6, 图7所示。研究结果表明按优选工艺抄取的纸张抗张强度与硅藻土在纸上的留着率均较其他工艺好，说明正交试验优选工艺条件较好、可行。

表2 正交试验表与实验结果的极差分析

表3 方差分析

3 结束语

通过预实验以及正交实验，确定载银硅藻土纸板的最佳制备工艺。按照此优选工艺所抄造的纸张与空白纸张相比，纸张抗张指数几乎不变，硅藻土留着率达到80．0%。

将不同分子量PDAAM复配物加入纸浆中抄纸，克服了加入单一定着助剂时不能同时达到较高硅藻土留着率和较高抗张指数的缺点。

正交实验结果表明，硅藻土的添加量是影响在纸张中留着率的最显著因素，其次是定着助剂的加入量，最后是PDAAM152与PDAAM053的复配比例。

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王春萍（1989—） 女 硕士研究生在读 研究方向：精细化学品。邮箱：chping100@126．com．

★通讯作者：陈少平（1956—） 女 博士 教授 主要从事造纸化学与精细化工方面的研究。邮箱：chenshpn@fjnu．edu．cn ．