硅灰石-淀粉复配体系应用于瓦楞原纸表面施胶

陈夫山 常建栋 宋晓明 宋鹏瑶

(青岛科技大学化工学院，山东青岛，266042)

硅灰石矿物纤维的形态介于植物纤维与传统填料碳酸钙之间，性状相当于植物细小纤维，具有较高的长径比、较好的热稳定性和化学稳定性［1］;它白度高，不仅可以起到传统造纸填料的作用，而且还可部分替代植物纤维，并与植物纤维交织在一起构成新型的“植物纤维-矿物纤维”网状结构［2-3］。

目前，造纸工业中普遍采用增加纸张环压强度的方法是在纸张表面施胶过程中使用降解淀粉［4-5］，但是该方法存在如下问题:①淀粉作为粮食的主要成分，价格昂贵;②废纸回用时废水的负荷增加 (阴离子垃圾过多)，需要添加价格昂贵的阴离子垃圾捕捉剂，因此开发新型的纸张表面施胶剂势在必行［6-7］。本实验将硅灰石用于瓦楞原纸的表面施胶中，分析其对于瓦楞原纸环压强度、抗张强度等指标的影响。

1 实验

1.1 实验原料

硅灰石:结构式为Ca3Si3O9，化学组成为SiO2含量40%～50%，CaO含量45%～50%，大连环球矿产公司提供。

淀粉替代剂:山东某助剂厂提供。

表面施胶淀粉:青州晨鸣变性淀粉厂提供。

1.2 实验仪器

JJ-1精密增力电动搅拌器，常州荣冠实验分析仪器厂;HHS型恒温水浴锅，天津华北实验仪器有限公司;202-1型电热干燥箱，黄骅市航天仪器厂;ZBK-100纸张表面吸收重量测定仪，长春永兴仪器有限责任公司;TTM-500A环压强度压缩仪，长春永兴仪器有限责任公司;ZYD-3电脑抗张试验机，长春永兴仪器有限责任公司;KCC101纸张耐折度测定仪，长春市小型试验机厂;ST-1-260型自动涂布机，陕西科技大学机电学院实训中心。

2 实验方法

2.1 硅灰石-淀粉复配体系施胶液制备

按照表1中的比例准确称取表面施胶淀粉、硅灰石以及淀粉替代剂，将3者混合均匀，然后加入适量去离子水，配成质量分数为5%的均匀胶料，开启搅拌水浴加热，搅拌速度维持在100 r/min，90℃保温30 min，糊化完成后出料备用。

2.2 表面施胶

利用自动涂布机，将自制的硅灰石-淀粉施胶液均匀涂在瓦楞原纸上，施胶量6 g/m2，烘干之后恒温恒湿处理24 h以平衡水分。

2.3 性能测定［8］

按照GB/T 2679.8—1995的规定，用环压强度压缩仪测定瓦楞原纸的环压强度;按照GB/T 453—1989的规定，用卧式抗张强度试验机测定瓦楞原纸的抗张强度;按GB/T 457—1979的规定，用纸张耐折度测定仪测定瓦楞原纸的耐折度;按照GB/T 1540—2002的规定，用表面吸收重量测定仪测定瓦楞原纸的抗水性能。

3 结果与讨论

3.1 扫描电镜与红外光谱分析

图1是硅灰石的扫描电镜图。从图1中可以看出，硅灰石呈针状、纤维状，长度100～300 μm，长径比30左右，与植物细小纤维相当。凭借其高长径比的性质，硅灰石可以有效地与纤维结合，从而留着在纸张表面［9］。

图1 硅灰石扫描电镜图

图2 淀粉替代剂的FT-IR图

图2 是淀粉替代剂的红外吸收光谱 (FT-IR)图。由图2分析可知，在3462 cm－1处有一个较宽的强吸收峰，是结晶水的对称伸缩和不对称伸缩吸收峰，在2409 cm－1和1622 cm－1处各有一个吸收峰，是结晶水的弯曲振动吸收峰，说明本品含有大量的结晶水，在1104 cm－1和 988 cm－1处的吸收峰对应于SO2－的振动和转动，613 cm－1处为Fe-O键的吸收峰，故而初步认定淀粉替代剂成分为硫酸亚铁。而硫酸亚铁标准红外吸收光谱如图3所示，淀粉替代剂各处吸收峰与其相当，则断定淀粉替代剂成分为硫酸亚铁，而硫酸亚铁在造纸工业中可以用作施胶剂，提高纸张的抗水性能以及防渗透性能，不仅可以有效避免不加AKD引起抗水性下降的问题，而且降低施胶成本［10-11］。

3.2 硅灰石用量对瓦楞原纸环压强度的影响

图3 硫酸亚铁FT-IR图

图4 是硅灰石用量对瓦楞原纸环压强度的影响。从图4中可以看出，随着硅灰石用量的增加，瓦楞原纸的横向环压呈缓慢上升趋势。当硅灰石用量小于15%时，横向环压强度与硅灰石用量成正比;当硅灰石用量大于15%时，横向环压强度反而开始下降。当硅灰石用量为15%时，瓦楞原纸横向环压指数由3.75 N·m/g提高到5.96 N·m/g，提高了58.7%;纵向环压强度也随着硅灰石用量的增加呈快速上升趋势，当硅灰石用量达到10%时，纵向环压强度开始缓慢下降。当硅灰石用量为10%时，纵向环压指数由4.85 N·m/g提高到7.55 N·m/g，提高了55.7%。

图4 硅灰石用量对瓦楞原纸环压强度的影响

由图4中的纵向环压强度曲线与横向环压强度曲线综合分析，加入硅灰石之后，纸张的环压强度提高显著。硅灰石与淀粉及淀粉替代剂一起糊化后进行表面施胶，一部分随着施胶液渗透到纸张内部，一部分保留在瓦楞原纸表面，经过烘干之后随淀粉在纸张表面形成了一个支撑层，因为矿物纤维是刚性的，强度比较大，所以在整体上提高了纸张的环压强度。而当硅灰石用量达到10%以上时，硅灰石对纸张环压强度的提高没有那么明显，因为硅灰石中有部分细小矿物纤维组分，过多的细小组分影响了纸张纤维之间的物理交织，纤维之间的氢键被部分破坏，对瓦楞原纸的环压强度提升不利。

3.3 硅灰石用量对瓦楞原纸抗张强度的影响

图5是硅灰石用量对瓦楞原纸抗张强度的影响。从图5中可以看出，随着硅灰石用量的不断增加，瓦楞原纸纵横向抗张指数均呈缓慢上升趋势，且均在硅灰石用量为10%时达到较大值，继续增大硅灰石用量，抗张指数随之减小。当硅灰石用量为10%时，纵向抗张指数由原来的75.4 N·m/g提高到95.9 N·m/g，横向抗张指数由原来的32.4 N·m/g提高到46.2 N·m/g，分别提高了27.1%和42.5%。

图5 硅灰石用量对瓦楞原纸抗张强度的影响

影响纸张抗张强度的最重要因素是纤维间结合力及纤维自身的强度，图5中瓦楞原纸抗张强度提高的主要原因是淀粉在纸张表面形成一层致密的淀粉膜，而且硅灰石也是刚性的，其强度也有利于抗张强度的提高。当硅灰石用量达到10%以上时，对纸张抗张强度的提高就不再明显，因为硅灰石中部分细小组分破坏了淀粉膜，影响了淀粉与纤维之间的氢键与物理交织，部分抵消了之前抗张强度的提高。

3.4 硅灰石用量对瓦楞原纸耐折度的影响

图6是硅灰石用量对瓦楞原纸耐折度的影响。从图6中可以看出，随着硅灰石用量的增大，瓦楞原纸纵向耐折度呈快速上升趋势，当硅灰石用量为10%时达到较大值，由原来的10次提高到35次，提高了250%，之后随硅灰石用量的增大又快速下降，但始终强于未加硅灰石瓦楞原纸的纵向耐折度;随着硅灰石用量的增大，横向耐折度缓慢增大，当硅灰石用量达到10%时达到较大值，由原来的4次提高到11次，提高了175%，之后随硅灰石用量的增大也呈现下降趋势。

图6 硅灰石用量对瓦楞原纸耐折度的影响

与抗张强度相比，纸张的耐折度更大程度上取决于纤维自身的长度，加入硅灰石之后，纸张的耐折度提高显著。这是因为硅灰石混合在淀粉膜之中在纸张表面形成了一个支撑层，这是瓦楞原纸耐折度提高的主要原因。而当硅灰石量达到10%以上时，硅灰石中一部分细小组分影响了淀粉膜与纤维之间的物理交织，同时破坏了纤维之间的氢键，所以瓦楞原纸的耐折度有一定程度的降低。

3.5 硅灰石用量对瓦楞原纸抗水性能的影响

图7是硅灰石用量对瓦楞原纸抗水性能的影响。Cobb值越小，说明其抗水性能越好。从图7中可以看出，随着硅灰石用量的增加，瓦楞原纸的抗水性能不断下降，因为硅灰石一定程度上破坏了淀粉及淀粉替代剂在纸张表面形成的施胶膜，而且硅灰石用量越多，纸张的抗水性能越差。

图7 硅灰石用量对瓦楞原纸抗水性能的影响

4 结论

用硅灰石部分替代表面施胶淀粉并与部分淀粉替代剂复配制备施胶液，对瓦楞原纸进行表面施胶，分析硅灰石对瓦楞原纸性能的影响。

4.1 当硅灰石用量10%、表面施胶淀粉75%、固定淀粉替代剂15%(均对总表面施胶剂)时，施胶量6 g/m2条件下，相对于不添加硅灰石的纸样，瓦楞原纸纵向环压强度提高了55.7%、横向环压强度提高了41.2%;纵向抗张强度提高了27.1%、横向抗张强度提高了42.5%;纵向耐折度提高了250%，横向耐折度提高了175%。

4.2 淀粉及淀粉替代剂的加入使瓦楞原纸具有一定的抗水性能，但其抗水性能会随着硅灰石用量的增加而减小。

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