硼砂对阳离子分散松香胶的施胶增效作用及机理

姚小鸥　陈燕红　曹佳乐　蔡健泉　吴宗华（福建师范大学 材料科学与工程学院 ， 福建　福州　350007）

硼砂对阳离子分散松香胶的施胶增效作用及机理

姚小鸥陈燕红曹佳乐蔡健泉吴宗华
（福建师范大学 材料科学与工程学院 ， 福建福州350007）

用硼砂（YWY）作为阳离子分散松香胶（YSR）的增效剂，研究了YWY相对于YWY和YSR混合物质量分数对施胶效果的影响，并通过表征混合乳液的接触角、粒径、Zeta电位和紫外特征吸收光谱，解析YWY对YSR的作用机理。结果表明：当w（YWY）=10%时，施胶度最大，比单一的YSR提高了31.8%，此时混合乳液的接触角最大，粒径最大，Zeta电位最低，紫外吸收峰强度大幅度降低。此时YSR胶粒表面的羧基已基本与YWY结合，故对YSR的施胶增效效果最好。

硼砂 阳离子分散松香胶施胶增效剂

0　前 言

造纸松香施胶剂自1807年发明以来，一直是造纸浆内施胶的主要施胶剂之一[1-2]，其中阳离子分散松香胶由于带有阳电荷，可通过静电作用自行留着在纤维表面，无需加入大量明矾与其反应，还可通过CaCO3等作为填料以降低生产成本，因此受到业内人士的青睐[3-5]。近几年由于松香价格飞涨，导致阳离子分散松香胶的成本大幅提升，如何提高阳离子分散松香胶的施胶效率，降低生产成本成为当前研究的热点问题。硼砂是一种廉价易得的阳离子无机物，其水溶液呈碱性[6]，在水中易形成络合物以及配合物，同时在酸性条件下，硼砂极易与多羟基聚合物发生络合反应。首次选用硼砂作为阳离子分散松香胶的施胶增效剂，发现硼砂能够显著提高阳离子分散松香胶的施胶效果，但未见其施胶机理的相关报道。本研究主要考察硼砂对阳离子分散松香胶的施胶增效作用及机理。

1　试 验

1.1试验材料和仪器

阳离子分散松香胶（YSR）由企业提供，固含量为35%；废纸浆由废纸箱自制，23°SR；硼砂为工业品；其他化学药品均为分析纯。

TU-1900 双光束紫外-可见分光光度仪,北京普析通用仪器有限责任公司；SL200B型接触角测定仪，上海索伦信息科技有限公司；马尔文MS2000激光粒度仪,马尔文仪器有限公司；Zeta电位测定仪Zeta Probe，Colloidal Dynamics；打浆机和纸张抄取器，西北轻工业学院机械厂

1.2试验过程

（1）混合乳液的制备。将硼砂以不同比例与阳离子分散松香胶预混合得到共混液备用。

（2）施胶度的测定。按照国家标准GB/T 5405—2002,采用液体渗透法测定纸张施胶度。

（3）接触角的测定。将一定量乳液涂于载玻片上制成薄膜，风干后，用200B型接触角测定仪测定蒸馏水在薄膜上的接触角。

（4）乳液粒径及其分布测定。取一定量的乳液在Mastersize 2000型激光粒度分析仪上测定。D为重量平均粒径，U为粒度分布。

（5）混合乳液UV的测定。混合溶液配成一定的浓度，在紫外可见分光光度仪上测样品的UV谱图，壁池厚度为1 cm。

（6）混合液Zeta电位测定。取200 mL混合乳液，在搅拌均匀的条件下用Colloidal Dynamics Zeta probe测定混合液的电位值。

2　结果与讨论

2.1硼砂（YWY）用量对阳离子分散松香胶（YSR）施胶度的影响

固定硫酸铝（抄纸时添加）和施胶剂用量分别为绝干浆的1.0%和0.25%，将YWY与YSR预混合，改变混合液中YWY相对于YSR的质量分数wt%，考察其施胶效果。

由图1可见，未添加YWY时，YSR的施胶度只有85 s，随着YWY用量逐渐增大至10%，纸页的施胶度达到最大，为112 s,比YSR的施胶度增大了31.8%；继续增大YWY用量，纸页施胶度急剧下降。说明一定量的YWY对YSR有施胶增效作用。本文将从以下几个方面解析YWY对YSR的作用机理。

图1　YWY用量对YSR施胶度的影响

2.2硼砂（YWY）与阳离子分散松香胶（YSR）混合液的接触角的变化

由表1可知，随着YWY质量分数的增大，混合液的接触角呈现先增大后减小的趋势。当YWY质量分数达到10%时，接触角最大，其值为91.34°,说明一定量的YWY可以提高YSR的疏水性，从而提高混合液的施胶性能。这可解释为:硼砂在溶液中一般先水解为B(OH)4-离子，而在有机化学反应中，硼酸氧化物、硼酸或硼酸根离子可以和羧酸发生一定程度的相互反应得到B(OCOR)3，使得松香胶表面的亲水基团被包埋，从而提高了松香胶的疏水能力；而当YWY过量时，由于其本身的水溶性又增大了混合液的亲水性，导致接触角变小。

表1　YWY用量对YWY/YSR混合液接触角的影响

2.3硼砂（YWY）与阳离子分散松香胶（YSR）混合液的粒径及zeta电位变化

由图2及图3可知，随着混合液中YWY的质量比增大，混合液胶粒的粒径先急剧增大后减小，而Zeta电位则先减小后增大。当w(YWY)=10%时，混合液的粒径达到最大值，为9.016 µm，而Zeta电位则降至最低值，为46.5 mV。这进一步说明一定量的硼砂在混合液中可以与阳离子分散松香胶的羧酸基团发生反应，使松香胶粒间形成聚集现象，所以导致混合液中松香胶粒的粒径剧增。混合液粒子的电位降低的原因有两个:一是由于硼砂本身Zeta电位较阳离子分散松香胶而言小很多，即硼砂的Zeta电位值为2.4 mV，而阳离子分散松香胶的Zeta电位值为63.8 mV，所以当硼砂取代一部分的阳离子分散松香胶后，混合液的Zeta电位就自然的降低了；二是由于松香粒子发生聚集时，粒子表面的阳电荷密度减小，所以导致双电层的Zeta电位值降低。

图2　YWY用量对YWY/YSR混合液平均粒径的影响

图3　YWY用量对YWY/YSR混合液 Zeta电位值的影响

2.4硼砂（YWY）与阳离子分散松香胶（YSR）混合液的紫外光谱分析

由图4与图5可知，随着混合液中YWY的质量分数增大，混合液的紫外吸收峰强度并非呈现线性变化。当YWY质量分数小于6%时，其特征吸收峰位置与阳离子分散松香胶中松香酸的特征吸收峰位置相同，且随着YWY质量分数增大，峰强度呈现减弱的趋势。当YWY质量分数增至10%，峰强度大幅减弱。这是由于此时YSR胶粒表面的羧基已基本全部与YWY结合，YWY与YSR在此时聚集程度大，粒子的粒径较大，它们之间的相互作用使松香酸的特征吸收峰值大幅降低。继续增大YWY的质量分数，过量的硼氧酸根离子和硼酸分子大面积地包围着YSR中的松香胶粒，所以YSR的特征吸收峰出现蓝移，即靠近YWY的特征吸收峰。

图4　YWY的紫外光谱

图5　不同YWY用量的YWY/YSR混合液的紫外光谱

3　结束语

（1）YWY对YSR具有施胶增效作用，且当w(YWY)=10%时，纸页施胶度最大，比单一的YSR提高了31.8%。

（2）当w(YWY)=10%时，混合液的接触角最大，为91.34°，而粒径达到最大值，为9.016 µm，Zeta电位则降至最低，为46.5 mV，紫外吸收峰强度大幅降低。这是由于YWY本身具有架桥作用，当YWY加入YSR时，YWY的水解产物与YSR的羧酸基团发生反应，使松香胶粒发生聚集，提高了YSR疏水能力。

［1］陈梅燕， 陈温霞， 刘鹏. 硫酸铝在阳离子分散松香胶施胶中的作用 ［J］. 中国造纸学报， 2008（23）：86-89.

［2］陈燕红， 郑清皇， 吴宗华. 阳离子型无机物/苯丙共聚物的共混物对阳离子分散松香施胶剂的增效作用［J］. 造纸化学品， 2011（6）：9-11.

［3］张国运. 阳离子松香施胶剂的研究进展 ［J］. 中国造纸，2005（24）：57-61.

［4］沈静， 刘温霞， 苏文强. 阳离子微粒乳化中性分散松香胶的制备与应用 ［J］. 中国造纸， 2006（25）：22-25.

［5］沈静. 阳离子微粒乳化中性分散松香胶的制备与应用［D］. 山东轻工业学院， 2005.

［6］张亨. 硼砂生产研究进展 ［J］. 杭州化工， 2012（42）：7-11.

电话：18344937411

吴宗华教授；研究方向：高分子界面科学。

Tel：13625083702；

E-mail：wuzonhua@fjnu.edu.cn.

Effects and Mechanism of Borax on Promoting Sizing Performances of Cationic Rosin Emulsion

YAO Xiaoou， CHEN Yanhong， CAO Jiale， CAI Jianquan， WU Zonghua
（College of Materia Science and Engineering， Fujian NormalUniversity， Fuzhou 350007， China）

With the borax （YWY） as the promoting agent of cationic rosin emulsion （YSR）， the effects of the dosage of YWY to YWY/YSR mixture on the sizing performances was investigated， and the mechanism of action of YWY were explained by means of the contact angle， particle size， zeta potential and UV absorption spectra of the mixed emulsion. The results indicated that when the dosage of YWY to YWY/YSR mixture was 10%， the sizing degree reach the top， increased by 31.8% compared with a single YSR. Meanwhile， the contact angle and particle size of the emulsion were also the maximum， the zeta potential value was the minimum and the intensity of ultraviolet absorption peak decreased substantially， which means that the carboxyl groups on the YSR colloidal particle reacted with borax mostly， so the sizing performance was also best.

borax；cationic rosin emulsion；sizing；promoting agent

姚小鸥（1988—）女在读硕士研究生福建师范大学材料科学与工程学院；