聚乙烯醇对提高纸张物理性能影响的研究

赵亚伦 刘忠 惠岚峰 衣然

天津科技大学造纸学院，天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457

聚乙烯醇对提高纸张物理性能影响的研究

赵亚伦 刘忠 惠岚峰 衣然

天津科技大学造纸学院，天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457

主要研究了聚乙烯醇（PVA）纤维与棉浆纤维的配比以及聚乙烯醇作为施胶剂进行表面施胶对手抄片物理性能的影响。结果表明：聚乙烯醇纤维单独使用对手抄片的撕裂强度提高非常明显，在PVA纤维的配比量为20%时，手抄片的撕裂指数提高了约59%；聚乙烯醇作为施胶剂进行表面施胶，对于提高手抄片的抗张强度和耐折性能具有显著效果，在施胶剂中PVA含量为10%，施胶量为6 g/m2左右时，抗张指数提高了27%，耐折性能可提高90%；在配抄与表面施胶同时进行时，可有效提高手抄片的物理强度。

聚乙烯醇纤维，配抄，表面施胶，物理强度

造纸工业中浆内添加增强剂是提高纸张强度的方法之一，除液体状增强剂之外，纤维状增强剂也可供选择使用[1]。聚乙烯醇的来源丰富，价格低廉，亲水性好，并可在热水中熔化[2]，故聚乙烯醇纤维可作增强剂用于造纸工业。同时聚乙烯醇还具有良好的成膜性[3]、粘结力和乳化性等，可有效的提高纸张的物理强度[5,6]，故被广泛地用作施胶剂。

1 实验

1.1 实验原料

棉浆，聚乙烯醇纤维取自纸厂，聚乙烯醇颗粒取自化工厂。

1.2 实验设备、仪器

标准纸页成型器（RK-ZA-KWT，PTI公司，奥地利），标准疏解器（73-18，AMC 公司），撕裂度测试仪（SE009970290型，L&W 公司），肖波尔耐折度仪(S135050000，FRANK公司，德国)，表面施胶机（K303，RK 公司，英国）

1.3 实验方法

1.3.1 聚乙烯醇纤维与棉浆配抄

将一定打浆度的棉浆与不同比例的聚乙烯醇纤维一起放入标准疏解器中进行疏解，疏解20000转，转移出来，在标准纸页成型器上抄制手抄片。

1.3.2 施胶剂的熬制

玉米淀粉的糊化：配置浓度为8%的淀粉糊，加入一定量的过硫酸铵，将其转移至烧瓶中，在90℃的水浴锅中熬制30min（搅拌速度300 r.min-1），停止搅拌，将糊化好的淀粉糊转移至65℃的水浴锅中保温。

聚乙烯醇的溶解：向烧瓶中加入8 g的聚乙烯醇和92 g的水，放入水浴锅中，在90℃的温度下熬制（搅拌速度70r.min-1），直到完全熔解得到浓度为8%的聚乙烯醇溶液。将熬制好的聚乙烯醇溶液转移至65℃的水浴锅中，密封保温。

将淀粉糊与聚乙烯醇溶液按照一定比例混合，得到含有聚乙烯醇不同比率的施胶剂

1.3.3 表面施胶

用表面施胶机对纸张进行表面施胶，采取双面施胶的方式，施胶量采用差重法进行测定。

1.3.4 纸样的制备及测定

在标准纸页成型器上抄制定量100 g·m-2的手抄片，然后按照 GB/T 12914-2008、GB/T 455-2002、GB/T 457-2008的标准检测纸张的抗张指数、撕裂指数、耐折度。

2 结果与讨论

2.1 聚乙烯醇纤维作为增强剂对手抄片物理性能的影响

2.1.1 棉浆与PVA纤维进行不同的配比对手抄片物理性能的影响。

将打浆度为48°SR的棉浆与PVA纤维进行不同比例的配抄，得到的手抄片的物理性能如表1所示。

表1 棉浆与PVA纤维的不同配比对手抄片物理性能的影响

由表1可以看出，PVA纤维对于手抄片的抗张强度以及耐折性能提高不明显，但是对于手抄片的撕裂指数有很明显的提高效果。在PVA纤维的配抄量为20%时，手抄片的撕裂指数提高了约60%，达到了 30.74 mN·m2·g-1，并且随着配抄量的进一步增大，撕裂指数随之增加，手抄片的耐折度提高了约5%，达到了5530次，在PVA纤维的配抄量为10%时，手抄片的抗张指数提高了约3%，达到了49.06 N·m·g-1。故可以认为，聚乙烯醇纤维可以用于提高手抄片的撕裂强度。

PVA纤维的耐热水性差，在含有一定水分的前提下，当温度达到某一温度时，PVA纤维开始熔解，当温度降低时，PVA又转为固态，故PVA纤维对手抄片的部分增强效果可以认为主要是由于其熔解而产生的粘结功能[4]，例如手抄片的抗张强度，耐折性能的提高可以认为是PVA纤维熔解产生的粘结功能，但是当PVA纤维的含量达到一定含量之后，随着PVA纤维含量的进一步增加，棉浆纤维之间的氢键结合力就会随之下降，两种效果的共同作用会导致抄纸时，随着PVA纤维含量的逐渐提高，手抄片的抗张强度以及耐折性能会出现先上升后下降的趋势；但是由于PVA纤维在手抄片中未完全熔解，同时PVA纤维的强度大于棉浆纤维的强度 （PVA纤维拉伸强度为12 cN·dtex-1，棉纤维拉伸强度不大于2.9 cN·dtex-1）故手抄片的撕裂强度会随着PVA纤维的增加出现上升趋势。

2.2.2 不同的烘干时间对成纸的物理性能的影响

棉浆与合成纤维PVA的配抄，因耐折性能提升较为困难，故选择耐折性能较好的配抄比，即在PVA配比为20%时，探讨在烘干温度为94℃时，不同烘干时间对手抄片的耐折性能的影响如图1所示。

图1 烘干时间对手抄片的耐折度的影响

由图1可以看出，随着烘干时间的延长，手抄片的耐折度先增大后减小，前期由于烘干时间不够，合成纤维的熔化不彻底，故粘结效果不明显同时提高了松厚度，不能起到对手抄片耐折度增强的效果；烘干时间过长，PVA纤维熔解后部分溶出，能够有效起到粘结效果的PVA量降低，同时长时间的干燥过程有可能使得棉纤维的刚性增强，柔韧性下降[9]，从而导致手抄片的耐折度下降。

不同烘干时间对于手抄片抗张性能的影响如图2所示。

图2 烘干时间对手抄片抗张指数的影响

随着烘干时间的增长，手抄片的抗张指数先急剧增加，超过9 min之后，抗张指数开始出现下降趋势。开始烘干时，随着烘干时间的增长，PVA纤维起到的粘结作用增大，手抄片的抗张强度增大；烘干时间超过9 min之后，随烘干时间的进一步增加，部分PVA开始溶出，起到粘结效果的PVA量降低，手抄片的抗张强度开始下降。

加入PVA纤维后由扫描电镜观察得到的手抄片形态如下图3所示。

图3 加入PVA纤维后的扫描电镜图

由上图3可以看出，完全熔解PVA纤维的能够在纤维之间起到粘结的作用，从而提高手抄片的物理性能；未熔解或未完全熔解的PVA纤维不能很好的起到粘结作用，同时降低了手抄片成纸的紧度，从而导致手抄片的抗张强度和耐折性能的下降。

表2 不同施胶量对手抄片物理性能的影响

2.2 表面施胶对手抄片物理性能的影响

2.2.1 不同施胶量对手抄片物理性能的影响

采取双面施胶的方式对手抄片进行表面施胶，在施胶剂中PVA含量为10%时，得到不同施胶量下手抄片的物理性能，如表2所示。

由表2可以看出以PVA进行施胶得到的手抄片具有良好的物理性能，手抄片的抗张强度和耐折度等都有了大幅度的提升，在施胶量超过5.3 g·m-2时手抄片的抗张指数达到了60.49 N·m·g-1，提高了27%；手抄片的耐折度超过了10000次，提高幅度超过了90%；但是手抄片的撕裂强度随着表面施胶的进行，出现了小幅度的下降。总体来看，表面施胶对于提高手抄片的物理性能具有很好的效果。

2.2.2 施胶剂中不同PVA含量对手抄片物理性能的影响

施胶量在5.3 g·m-2~7.3 g·m-2之间时，手抄片具有很好的物理性能，采用6.0 g·m-2的施胶量，研究施胶剂中PVA的含量对于手抄片物理性能的影响，得到结果如表3所示。

表3 施胶剂中不同PVA含量对手抄片物理性能的影响

由表3可以看出，随着施胶剂中PVA含量的增加，手抄片的物理强度出现了先增加后下降的趋势，在施胶剂中PVA所占比率为10%时，手抄片的物理性能较好，抗张指数可以达到60.00 N·m·g-1，耐折度可以超过10000次。

2.3 配抄与表面施胶对于手抄片物理性能的影响

PVA纤维配抄对于手抄片的撕裂强度提高效果非常明显，PVA施胶剂进行表面施胶对于提高手抄片的抗张强度以及耐折性能效果显著，故研究配抄与表面施胶的双重作用对于手抄片的物理性能的影响。采取最优条件，PVA纤维的配抄比例20%，表面施胶的施胶量6.0 g·m-2，施胶剂中 PVA所占比率为 10%，得到结果如表4所示。

表4 配抄与表面施胶对手抄片物理性能的影响

由表4可以看出，PVA纤维的配抄与PVA施胶剂的表面施胶的共同作用，可以有效的提高手抄片的物理强度，手抄片的抗张强度、撕裂强度和耐折度都有了大幅度的提升，抗张指数提高了40%，撕裂指数提高了约20%，耐折度达到了15000次。

PVA纤维的配抄时，在PVA纤维未完全熔解时可以有效的提高手抄片的撕裂强度；表面施胶时，施胶剂可以渗入到纸页的纤维间隙中，可以提高手抄片内部纤维间的结合强度[4]，渗入纸页中的PVA施胶剂与纸页中配抄的PVA纤维结合，像焊接一样使其结为一体，可有效的提高手抄片的物理强度。

在PVA纤维配抄的前提下，未进行表面施胶与进行了表面施胶的手抄片的横截面，由显微镜在放大100倍下观察得到下图4所示。

图4 施胶前后手抄片横截面的扫描电镜图

由上图4可以看出，表面施胶之后的手抄片结合紧密，宛如一体，切割时横截面保持完整；未进行表面施胶的手抄片，结构较为松散。故经过施胶的手抄片可以大幅度的提高手抄片的抗张强度和耐折性能。

3 结论

3.1 PVA纤维配抄可以有效的提高手抄片的撕裂强度，在配抄比为20%时，手抄片的撕裂强度提高了约59%。

3.2 PVA作为施胶剂进行表面施胶可以大幅度的提高手抄片的抗张强度和耐折度，在施胶剂中PVA所占比率为 10%(绝干量)，施胶量为 6 g·m-2时，手抄片的抗张指数提高了约28%，耐折度可以达到10000次以上。

3.3 PVA纤维配抄与表面施胶共同作用可以全方面提高手抄片的物理强度，在最优条件下进行配抄与表面施胶，手抄片的强度得到了大幅度的提升，抗张指数提高了40%，撕裂指数提高了约20%，耐折度达到了15000次。

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