玻纤玻棉及其浆料系统分散性能研究

徐永建， 宋夏鸽， 左磊刚， 柴发萍

(陕西科技大学 轻工与能源学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室， 陕西 西安 710021)

0 引言

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，主要成分是二氧化硅(SiO2)，三氧化二铝(Al2O3)和氧化镁(MgO)等[1].钱世准[2-5]详细总结了玻璃纤维在特殊材料领域中的应用，包括玻璃纤维及其制品用于过滤、装饰、涂料、胶黏、保温隔音、建筑材料、绝缘材料、填密与摩擦材料、医疗与卫生材料等，并列举了不同国家对于玻璃纤维制品的开发与利用.由于玻璃纤维在水中的分散比较差[6]，若要通过湿法造纸技术进一步扩大玻璃纤维基薄页功能材料的开发及应用，就要在抄片前对其进行一系列的分散处理，从而使其成为比较理想的玻璃纤维悬浮液.

Zeta电位法是目前应用最广泛的造纸湿部电荷测量技术[7].固相表面因本身电离或有选择地吸附溶液中的离子而带电时,会在界面周围吸附着异电离子,形成双电层结构.当离子热运动时,异电离子随距离的远近有一定浓度分布.溶液中的离子是溶剂化的,一部分是紧密层,另一部分是扩散层，当固体与液体相对滑动时，滑动面在紧密层与扩散层交界面上存在电位差,即Zeta电位[8].测量Zeta电位的方法有微电泳法、流动电位法和AC流动电位法等.

本文使用德国制造的SZP-06型流动电位Zeta电位仪对玻纤浆料悬浮液Zeta电位进行测量，系统地研究了影响玻璃纤维悬浮液稳定性的各种因素，如玻纤或玻棉浓度、玻纤配比、pH值和粘结剂添加量等.通过对浆料沉降指数和Zeta电位的考察，以期获得较佳的玻纤浆料工艺参数.

1 实验部分

1.1 实验原料

实验所用玻璃纤维、玻璃棉、70 ℃水溶性纤维均由杭州某公司提供.玻璃纤维(水分为8%)规格为6 mm×φ9μm，玻棉规格为19 °SR.

1.2 实验仪器

NO.SE003型标准纤维疏解机(瑞典L&W公司)，MP200A型电子天平(感量0.01 g)(上海精密科学仪器有限公司)，BS210S型分析天平(上海精密科学仪器有限公司)，SZP-06型Zeta电位测定仪(德国BTG公司)，DZS-708型多参数分析仪(上海仪电科学仪器股份有限公司).

1.3 实验方案及方法

要确保玻璃纤维和玻璃棉在水中具有较好的分散状态，一般可以采取下列措施[9]：(1)降低悬浮液的pH值到2.5～3.0；(2)适当降低浆料的浓度；(3)改善玻璃纤维表面润湿状况；(4)调整白水循环系统.本实验拟通过改变玻纤或玻棉浓度、玻纤配比、pH值和粘结剂添加量等使其较好地分散在水中.

1.3.1 浓度对玻纤或玻棉分散性的影响

将玻纤或玻棉配成浓度分别为0.01%、0.03%、0.05%的2 000 mL浆料悬浮液，在标准疏解机中疏解5 000 r，然后转入2 000 mL烧杯中，静置观察其沉降2 min、4 min、6 min、8 min、10 min后的沉降体积，选择较佳的沉降时间，计算其沉降指数.

1.3.2 玻纤玻棉配比对浆料分散性能的影响

在浓度分别为0.01%、0.03%、0.05%，玻纤配比分别为50%、53%、55%条件下，将玻纤玻棉配成2 000 mL浆料悬浮液，在标准疏解机上疏解5 000 r，然后转入2 000 mL烧杯中，静置观察其沉降2 min、4 min、6 min、8 min、10 min后的沉降体积，依据1.3.1选好的较佳沉降时间计算其沉降指数，然后将溶液搅拌均匀,取500 mL测其Zeta电位，评价分散性能.

1.3.3 pH值对玻纤玻棉分散性的影响

在玻纤配比为53%，浓度分别为0.01%、0.03%、0.05%条件下，将玻纤玻棉配成2 000 mL浆料悬浮液，在标准疏解机上疏解5 000 r，然后转入2 000 mL烧杯中，调节浆料pH值分别为3、2.5、2，静置观察其沉降2 min、4 min、6 min、8 min、10 min后的沉降体积，后续操作同1.3.2.

1.3.4 粘结剂添加量对浆料分散性能的影响

在玻纤配比为53%，浓度为0.03%和0.05%条件下，将玻纤玻棉配成2 000 mL浆料悬浮液，在标准疏解机上疏解5 000 r，然后转入2 000 mL烧杯中，调节浆料pH值到2.5，静置观察其沉降2 min、4 min、6 min、8 min、10 min后的沉降体积，后续操作同1.3.2.

1.4 指标检测

(1)沉降指数：将分散后的玻璃纤维、玻璃棉或配抄浆料置于2 000 mL烧杯中静置，计量原料沉降一定时间后的体积与绝干原料的比,作为评价系统分散性能的指标.

(2)Zeta电位：将料配好后量取500 mL，调温到25±1 ℃，搅拌均匀，用SZP-06型Zeta电位仪测定浆料的Zeta电位.

2 结果与讨论

2.1 浓度对玻纤或玻棉分散性能的影响

实验研究了浓度对玻璃纤维分散性能的影响，其结果如图1和图2所示.

由图1可知，不同浓度下浆料在0～4 min之间直线的斜率最大，也就是说浆料沉降得最快，沉降体积变化最大，而4 min之后沉降体积慢慢变得平缓，时间对沉降体积的影响越来越小，故选择沉降4 min后的体积作为后续沉降指数计算的依据.

当消除浓度对分散悬浮液沉降性能的影响后，用沉降指数来评价系统的分散性时，由图2可知，沉降指数随浓度的增加而下降.即随浓度的增加，悬浮液中纤维间空间位阻增加，必然会有絮聚现象出现，分散性下降，与其实际情况相符.纤维在水中分散得越好，纤维分散成单根的比例就越大，它们相互交织成良好的网状结构，沉降得就越慢，沉降体积就越大，沉降指数也越大，分散性能就越好.综上可知，浓度越低，玻璃纤维的分散效果越好.

图1 玻纤沉降时间与沉降体积的关系

图2 玻纤浓度与沉降指数的关系

实验研究了浓度对玻璃棉分散性能的影响，其结果如图3和图4所示.

由图3可知，玻棉的沉降情况基本与玻纤相同，在0～4 min之间直线斜率最大，浆料沉降得最快，沉降体积最大，这也验证了选择沉降4 min时的体积作为计算沉降指数依据的可行性.但玻棉在沉降时，浓度越大，沉降的越缓慢，这与玻纤不一致.由图4可知，玻璃棉的分散性能与玻璃纤维的基本相同，都是随浓度的增加，沉降指数下降，分散性能下降.

图3 玻棉沉降时间与沉降体积的关系

图4 玻棉浓度与沉降指数的关系

2.2 玻纤玻棉配比对浆料分散性能的影响

实验研究了玻纤配比对浆料分散性能的影响，其实验结果如图5和图6所示.

由图5可知，在浆料系统浓度为0.01%时，玻纤悬浮液的沉降指数随着配比的增大而降低，这可能是因为浓度过小，玻纤本身较重，它的加入对系统沉降性能的影响较大;而在浓度为0.03%和0.05%时，悬浮液的沉降指数都随玻纤比例的增大，先升高再降低，即随玻纤比例的增加，分散效果先变好再变差.同时图5中也显示了玻纤配比相同时，随着浆料浓度的增加，悬浮液沉降指数下降，即分散效果变差，这与前面玻纤玻棉的分析结果一致.

当玻纤配比为53%时，浆料沉降指数最大，悬浮液中单根纤维最多，纤维分散效果最好.这是因为玻璃棉比玻璃纤维更加细软，随着玻璃棉的加入，纤维之间的绕曲缠结会更加严重，悬浮液分散性会下降，但由于纤维之间电荷作用，可能会有一个平衡点，即两者混合后分散性能最大的点.图6也充分地证明了这一点，在玻纤配比为53%时，悬浮液的Zeta电位最负，此时系统的稳定性最好.

图5 不同浓度下玻纤比例对沉降指数的影响

图6 不同浓度下玻纤比例对Zeta电位的影响

2.3 pH值对玻纤玻棉分散性的影响

实验研究了pH值对浆料分散性能的影响，其实验结果如图7和图8所示.

由图7可知，随pH值的增大，玻纤沉降指数先增大后又减小，即玻纤分散效果先变好后又逐渐变差.当pH值为2.5时，玻纤悬浮液沉降指数最大，纤维分散效果最好.

图8也说明随着pH值的减小，即H+离子的加入，纤维本身的负电荷被中和，纤维表面的ξ电位降低，Zeta电位的绝对值减小，纤维之间不易絮聚.由图形曲线延长可知，悬浮液等电点在pH值小于2处，而调节浆料pH值由3到2.5所用的酸量比调pH值由2.5到2所用的酸量小很多，且有研究表明[10]，浆料的Zeta电位不易控制在等电点处，应控制在微负值处.综上所述，故认为在pH=2.5时，玻纤悬浮液的分散效果最好.

图7 不同浓度下pH值对沉降指数的影响(玻纤配比为53%)

图8 不同浓度下pH值对Zeta电位的影响(玻纤配比为53%)

2.4 粘结剂添加量对玻纤悬浮液分散性的影响

实验研究了粘结剂添加量对浆料分散性能的影响，其实验结果如图9和图10所示.

由图9可知，在不同浓度浆料悬浮液情况下，沉降指数随着胶粘剂添加量的增加，呈先上升后下降的趋势，且变化比较平稳，即浆料的分散效果先变好再慢慢变差，但相对变化不是很大，当粘结剂添加量为7%时，沉降指数最大.

这是因为PVOH的羟基有亲水性，可以作为分散剂而改变纤维表面的润湿状况，增加其亲水性，减少纤维间相互粘结的机会，进而可以大大改善玻璃纤维的分散状况；同时，随着PVOH的添加，增加了水溶液的黏度，并在水中形成大分子网络结构，增加空间位阻，使浆料中纤维具有较好的悬浮性而不致过快地沉降；此外，分散剂具有的黏附性，作用类似润滑剂，会吸附在纤维表面，形成一层滑而不黏的水合膜，从而达到阻止纤维絮聚结团的效果.

由图10可知，随着粘结剂添加量的进一步增加，Zeta电位的绝对值先减小再增大，当粘结剂添加量为9%时，浆料系统的Zeta电位最接近等电点，浆料中的正负电荷达到平衡，这样会降低浆料系统对细小粒子的吸附力，使已吸附的细小纤维再分散的特性丧失.而有研究表明[10]，浆料的Zeta电位不易控制在等电点处，应维持在微负值时较好.因此,认为粘结剂添加量为7%时，浆料分散效果最好.

图9 不同浓度下PVOH添加量对沉降指数的影响(玻纤配比为53%，pH=2.5)

图10 不同浓度下PVOH添加量对Zeta电位的影响(玻纤配比为53%,pH=2.5)

3 结论

(1)玻纤浆料悬浮液分散时的浓度越低，分散效果越好，但浓度过低，会给后续干燥脱水带来困难.因此,在不影响最后成纸匀度的情况下，浓度应控制在一个合适的范围内，实验认为控制在0.01%～0.03%比较合适.

(2)玻璃棉比玻璃纤维更加细软，随着玻璃棉的加入，纤维之间的绕曲缠结会更加严重，悬浮液的分散性会下降.但由于纤维之间的电荷作用，悬浮液系统会有一个平衡点，即两者混合后分散性能最大的点.

通过对玻纤玻棉不同配比下悬浮液沉降指数和Zeta电位的考察，得到玻纤比例为53%是两者混合后分散性能最大的点.

(3)随着pH值的减小，即H+离子的加入，玻璃纤维本身的负电荷被中和，纤维表面的ξ电位降低，Zeta电位的绝对值减小，纤维之间不易絮聚.当pH值为2.5时，玻纤悬浮液沉降指数最大，悬浮液中单根纤维最多，纤维分散效果最好.

(4)当粘结剂添加量为7%时，沉降指数最大，且此时悬浮液系统的Zeta电位处在微负值处.

[1] 朱志华.玻璃纤维生产工艺及其在增强混凝土复合材料中的应用[J].科技促进发展,2011(8):152-153.

[2] 钱世准.玻璃纤维在特殊领域中的应用(1)[J].玻璃纤维,2002(4):16-19.

[3] 钱世准.玻璃纤维在特殊领域中的应用(2)[J].玻璃纤维,2002(5):7-11.

[4] 钱世准.玻璃纤维在特殊领域中的应用(3)[J].玻璃纤维,2002(6):10-16.

[5] 钱世准.玻璃纤维在特殊领域中的应用(4)[J].玻璃纤维, 2003(1):10-15.

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[10] 李昭成,盛 利,徐玉红.纸料Zeta电位对纸张质量性能的影响[J].山东轻工业学院学报,2003,17(2):13-16.