基于浆内助剂的纸浆模塑制品强度性能研究

2020-03-05 02:38岑蕾张新昌
当代化工 2020年1期
关键词:助剂纸浆试样

岑蕾 张新昌

摘      要: 以原生纸浆为材料,浆内添加各类助剂制备纸浆模塑试样,分别测试耐破度、撕裂度及抗张强度,以分析助剂对纸模制品强度性能的影响。试验分析表明,浆内添加一定比例的CS、PVA、CPAM及CMC均可增强试样的强度,且较优的助剂配方为:CS1.4%、PVA0.6%、CPAM0.05%、CMC0.8%,此时试样耐破度为5.38 kgf/cm?,撕裂度为1 405 mN,抗张强度为5.51 N/mm。

关  键  词:纸浆;助剂;耐破度;撕裂度;抗张强度

中图分类号:TQ 047.1      文献标识码: A       文章编号: 1671-0460(2020)01-0083-04

Research on Strength Performance of Pulp Molded

Product With Slurry Additives

CEN LeiZHANG Xin-chang

(College of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Jiangsu Wuxi 214122, China)

Abstract: Pulp molded samples were prepared from raw pulp by adding various additives. The bursting, tearing and tensile strength of the samples were respectively tested to analyze the influence of the additives on the strength properties of the pulp molded products. The experimental analysis showed that the addition of a certain proportion of CS, PVA, CPAM and CMC in the slurry enhanced the strength of the sample, and the preferred additive formula was determined as follows: CS 1.4%, PVA 0.6%, CPAM 0.05%, CMC 0.8%. The sample prepared with the preferred additive formula had the bursting strength of 5.38 kgf/cm2, the tear resistance of 1 405 mN, and the tensile strength of 5.51 N/mm.

Key words: Pulp; Additives; Bursting strength; Tearing resistance; Tensile strength

紙浆模塑作为一种环保型材料,具有缓冲性能好、耐热性佳等特点,广泛应用于各类产品的包装领域[1]。但目前对纸模制品的研究大多为工艺参数[2]及缓冲性能[3]的研究,具体到制品强度方面的研究则不多。纸模制品的强度性能主要与纤维间的结合力有关,纤维的比表面积越大,表面电荷越多,系统中氢键的数量越多,则纤维的结合力越大,与之对应制品的强度越高[4]。因此,本研究引入具备增强剂效果的化学助剂,通过浆内添加的方式令其与纤维发生作用,在纤维表面引入活性或极性基团,从而增大表面张力,提高纤维结合力。根据这一原则及前期试验,选用的助剂包括阳离子淀粉(CS)、聚乙烯醇(PVA)、阳离子聚丙烯酰啊(CPAM)以及羧甲基纤维素(CMC)。同时,试验选用原生纸浆为原料,经前期试验确定合适的浆料配比为针叶木浆20%∶竹浆52%∶甘蔗浆28%。由于纸模制品行业未制定相关标准,考虑到其原料为纸浆,所得制品具备纸和纸板的基础性能,故选用耐破度、撕裂度及抗张强度作为测试指标,分析各助剂对制品强度性能的影响。

1  实验部分

1.1  试验原料

试验原料采用原生纸浆,包括针叶木浆、竹浆以及甘蔗浆,均由昆山市裕锦环保包装有限公司提供。

1.2  试验助剂

本研究用到的助剂及其参数如表1所示。

1.3  试验方法

1.3.1  磨浆

取20%的针叶木浆,52%的竹浆及28%的甘蔗浆,将其撕成约30 mm×30 mm 的碎片,在水中浸泡约2 h后,借助TD7-PFI立式磨漿机对其进行磨浆处理,磨浆时间约为15 min,磨浆时需控制纸浆游离度为(460±20)mL。

1.3.2  试样的制备

将各助剂溶于水配置成一定浓度的水溶液,在6~9的pH条件下,依次添加至纸浆模塑湿部生产线。纸浆模塑经真空吸滤成型及模内干燥后,得最终制品。所制试样的定量约为120 g/m2,用于性能测试前需在(23±2)℃和(50±10)%相对湿度的条件下调节24 h。

1.3.3  强度测试

耐破度测试按照国标“GB/T 454-2002[5]纸耐破度的测定”,撕裂度测试按照国标“GB/T 455-2002[6]纸和纸板 撕裂度的测定”,抗张强度测试按照国标“GB-T 12914-2008[7]纸和纸板 抗张强度的测定”。

2  结果与讨论

2.1  助剂对试样强度性能的影响

为研究不同助剂的作用效果及其合适的施用量,试验进行了一系列单因素试验测试。每组试验制做5个试样,制样后分别测定试样的耐破度、撕裂度以及抗张强度,以研究各助剂对试样强度性能的影响。

2.1.1  CS对试样强度性能的影响

CS对试样强度性能的影响如表2所示,在不添加助剂时,试样的耐破度为4.39 kgf/cm?,撕裂度为1 202 mN,抗张强度为4.17 N/mm。随着CS用量的增加,3项指标的数值均有所增大,至1.5%时基本保持稳定。这是因为纤维的基本组成成分为纤维素,而纤维素分子上的羟基非常多,同时阳离子淀粉从分子结构上来看也是含有相对多羟基的高分子聚合物,当其与纤维素分子间形成氢键结合时,可增强纤维间的结合力,从而增加制品的强度[8-10]。继续增大CS用量,3种指标均无明显提高,考虑到实际应用中的成本问题,确定CS比较合适的用量为1.5%左右。

2.1.2  PVA对试样强度性能的影响

PVA是一种一种含有大量羟基的高分子聚合物,有较好的亲水性能,当其与水充分接触时,就会发生吸水和润胀行为。干燥阶段温度达到PVA溶解温度时,PVA就会在制品内部发生明显的溶解,与纤维反应随着脱水过程而形成氢键,增加了纤维间的结合面积(RBA),从而增强了纤维间的结合力[11]。如表3,随着PVA用量的增加,试样的耐破度逐渐增大,至0.75%时达到最大,继续增加用量耐破度反而减小。同时,试样的撕裂度及抗张强度趋势也大致相同,在0.5%的用量时达到最大,继续增大指标数值反而减小。这可能是由于PVA疏解过程中容易产生起泡现象,用量过大时难以消泡,进而影响强度性能。故综合考虑确定PVA比较合适的用量范围为0.5%~0.75%。

2.1.3  CPAM对试样强度性能的影响

CPAM对试样强度性能的影响如表4所示,随着CPAM用量的增加,3项测试指标的数值均明显增大,且分别在0.06%、0.04%、0.04%的用量时达到最大。这是由于CPAM中的酰胺基团能够与纤维素分子中的羟基形成氢键,在纤维之间形成一种“架桥”作用,从而提高纤维间的结合强度[12]。但是,随着CPAM用量的进一步增加,3种指标的数值均有所下降,这可能是CPAM用量大时容易析出细小晶体引起。故综合考虑确定CPAM比较合适的用量范围为0.04%~0.06%。

2.1.4  CMC对试样强度性能的影响

CMC是纤维素通过化学改性而制得的一种高聚合纤维醚,具有胶黏剂的功效[13]。将CMC加入到纸浆中,由于羟基和羧甲基的存在,可将纸浆纤维包覆起来发生化学水合作用,并适当增加结合面积,改变单位结合面积上的结合力,在制品干燥成型的过程中,分子间通过氢键牢固结合,从而使制品强度得到提高[14-16]。如表5,随着CMC用量的逐渐增大,试样的3项强度指标均同样逐渐增大,但在0.75%后数值增大的程度显著减弱。故综合考虑及效率成本问题,确定CMC比较合适的用量范围为0.75%~ 1.00%。

2.2  助剂添加正交试验

在单因素试验的基础上,试验可采用助剂复配的方法以达到较好的改善效果,常用的方法为正交试验。考虑到4种助剂及其用量范围,本研究选用L9(34)正交表进行四因素三水平正交试验,具体的试验方案如表6所示。

2.2.1  正交试验测试结果

正交试验使用的浆料同前述单因素试验,共分为9个试验号,每个试验号同样制做5个试样。将制得的试样分别进行耐破度、撕裂度及抗张强度的测试,测试结果如表7所示。其中耐破度较好(>5.30 kgf/cm?)的为试验号2和试验号5;撕裂度较好(>

1 400 mN)的为试验号2、4、6、8;抗张强度较好(>5.50 N/mm)的为试验号2、4、7。故综合三项测试指标,初步判定试验号2(A1B2C2D2)效果最优,其次为试验号4(A2B1C2D3)。

对3个测试指标分别进行比重法的无量纲化,所得数值均在0~1之间,考虑到3个指标均为正向指标,故对其的赋权保持一致,将其无量纲化的数值直接相加得到综合评分,具体如表7所示。由此可知,綜合评分最高的是试验号2(2.36),其次为试验号4(1.82),进一步证明了试验号2的助剂复配对纸浆模塑制品的综合强度改善效果最优,其所用配方为A1B2C2D2,即CS1.4%、PVA0.6%、CPAM0.05%、CMC0.8%,此时试样耐破度为5.38 kgf/cm?,撕裂度为1 405 mN,抗张强度为5.51 N/mm,综合评分达到最高值2.36。

2.2.2  正交试验极差分析

正交试验结果的综合评分即代表试样的综合强度,对其进行极差分析,结果如表8所示。极差越大,证明因素对综合强度的影响越大。通过水平1,2,3三次和的极差,确定各因素的主次顺序为: CMC(极差3.30)>PVA(极差2.03)>CPAM(极差1.42)>CS(极差1.30)。故试验首选助剂为CMC,其次为PVA。

对于各因素的3水平之和,同样其值越大即证明效果越佳,故取各因素水平之和的最大值,即为理论上来讲最优的助剂配方。如图1,CS、PVA、CPAM及CMC均在水平2时综合强度达到最大,故理论上较优的助剂配方A2B2C2D2,即CS1.5%、PVA0.6%、CPAM0.05%及CMC0.8%。这一配方与试验2的配方大致相同,仅是CS的用量稍有改变,故推断两者的改善效果类似,皆可用于实际生产,以提高纸浆模塑制品的强度性能。

3  结论

试验分析表明,浆内助剂的添加可明显提高纸模制品的强度性能,由于所用助剂具有增强剂的功效,故各助剂添加后,试样的耐破度、撕裂度及抗张强度均有大幅提高。通过单因素试验,可确定4种化学助剂及其合适用量分别为:CS用量在1.5%左右、PVA用量0.5%~0.75%、CPAM用量0.04%~ 0.06%、CMC用量0.75%~1.00%。

通过四因素三水平正交试验,能够得出较优的助剂配方为A1B2C2D2,即CS1.4%、PVA0.6%、CPAM0.05%及CMC0.8%,此时试样的耐破度为5.38 kgf/cm?,撕裂度为1 405 mN,抗张强度为5.51 N/mm,其综合评分达到最高值2.36,证明试样的综合强度性能在此时达到一个较高的水准。通过极差分析,可确定各助剂影响纸浆模塑强度的主次顺序为CMC>PVA)>CPAM>CS,且理论上来讲另一较优的助剂配方为CS1.5%、PVA0.6%、CPAM0.05%及CMC0.8%,与前述配方基本相同,在生产应用时两者皆可采用。

参考文献:

[1]韩娟,于江.绿色包装材料一纸浆模塑[J].上海包装,2009(02): 28-29.

[2]吴福胜.精品工业包装纸浆模塑制品成型工艺技术[D].华南理工大学,2016.

[3]王宏涛,骆光林.纸浆模塑包装缓冲特性研究进展[J].中国包装,2007,(03):79-81.

[4]谢晶磊,张红杰,李志强.纸浆纤维表面性能及其分析方法研究进展[J].中国造纸,2016,35(09):72-77.

[5]GB/T 454-2002 纸耐破度的测定[S].

[6]GB/T 455-2002纸和纸板 撕裂度的测定[S].

[7]GB-T 12914-2008 纸和纸板 抗张强度的测定[S].

[8]颜进化.造纸化学品[M].华南理工大学出版社.2015:205-207.

[9]王俊明.阳离子淀粉的制备及其在纸张增强中的应用研究[D].浙江大学,2015.

[10]王香爱,张洪利.低取代度阳离子淀粉的制备及在造纸上的应用[J].化工科技,2007,(02):20-23.

[11]王彪.PVA纤维对纸页结构与性能的影响[D].天津科技大学,2015.

[12]徐清凉,廖昌吕.PAM增干强剂在牛皮箱板纸抄造中的应用[J].造纸化学品,2009,21(5):34-36.

[13]施兆江,倪俊俊,胡瑶,等.新型环保固体胶的研制与性能研究[J].当代化工,2017,46(9):1764-1767.

[14]安郁琴,刘忠.制浆造纸助剂[M].中国轻工业出版社,2007:148-150.

[15]胡艳君,孟松.CMC在抄纸湿部系统的应用[J].中华纸业,2015,36(12):27-29.

[16]曾婉鑫,陈洋,唐瑶.羧甲基纤维素作为造纸助剂在纸张生产中的应用[J].造纸化学品,2015,26(2):38-41.

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