原位沉积硅酸铝制备隔热纸

2010-11-22刘焱于钢

中国造纸 2010年5期

关键词：硫酸铝隔热性原纸

刘焱于钢

(东北林业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨,150040)

原位沉积硅酸铝制备隔热纸

刘焱于钢

(东北林业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨,150040)

利用原位沉积法所制备的隔热纸具有十分优良的强度性能及隔热性能。通过扫描电子显微镜-能谱 (SEM-EDAX)、红外光谱 (FT-I R)、X射线衍射 (XRD)、X射线光电子能谱 (XPS)的分析表明,硅酸铝在纤维细胞腔中有较高的沉积率。

原位沉积;硅酸铝;隔热纸

隔热材料在工业生产及日常生活中具有重要作用。隔热纸因具有纸张特性,适用于普通隔热材料使用效果较差或难以使用的复杂环境且易于裁剪和包裹,因此具有更高的实用价值[1-2]。目前,隔热纸主要用无机隔热纤维抄造而成,硅酸铝纤维因具有导热系数低、耐高温、抗腐蚀、抗氧化、强度高及质量轻等优点而被较多使用[3-5]。虽然硅酸铝纤维隔热性能优良,但也存在较明显的缺点。首先,硅酸铝纤维在水中容易絮聚或沉淀,难以分散,抄纸时需控制纤维浓度或添加分散剂才能使其分散均匀;其次,硅酸铝纤维之间没有结合力,抄造出的隔热纸强度较低,需在抄纸时添加增强剂或胶黏剂,或者对硅酸铝纤维进行物理或化学预处理,才能保证隔热纸的强度性能符合使用要求[6-8]。

使用植物纤维则可有效改善以上问题,植物纤维在水中容易分散且植物纤维之间具有氢键结合力,成纸强度大。为赋予传统纸张隔热能力,可向纸张中填加隔热填料,但成纸中隔热填料的存在会极大程度影响纤维间的结合,破坏纸张强度性能,无法达到使用植物纤维制造隔热纸的初衷。因此,为充分发挥植物纤维成纸强度高的优点,实验选用原位沉积法制备隔热纸,原位沉积法反应条件温和、工艺简单易控制,可较容易、较大量地在纤维细胞腔内沉积隔热物质,且通过简单易行的工序即可将纤维外部多余的隔热物质去除,最大化利用植物纤维间的氢键结合力,使制备出的隔热纸具备优良的隔热性能和强度性能。

1 实验

1.1 原料

本色落叶松硫酸盐浆,山东某公司提供;硅酸钠、硫酸铝,天津市某化学试剂制造公司提供。

1.2 设备与仪器

HH系列恒温水浴,江苏金坛中大仪器厂;S-212型恒速搅拌器,上海申胜技术有限公司;ZQJ1-B-Ⅱ型纸样抄取器,陕西科技大学机械厂;不锈钢电热板,天津市泰斯特仪器有限公司;Quanta 200型扫描电子显微镜及 EDAX能谱仪,美国 FEI公司;Magna IR 560型傅里叶变换红外光谱仪,美国 Nicolet公司;K-Alpha型 X射线光电子能谱仪,美国 VG公司;D/max-2200型 X射线衍射仪,日本理学株式会社;YQ-Z-48A型白度颜色测定仪,杭州轻通仪器开发公司;常规纸张强度性能检测仪器。

1.3 实验方法

1.3.1 隔热纸的制备

按五因素四水平安排正交实验,以纸张灰分含量,即硅酸铝在纸浆纤维中的沉积率为正交实验衡量标准,实验条件如表1所示。

表1 正交实验因素水平表

按表1所列条件进行实验,分别将硫酸铝以及硅酸钠配制成 200 mL溶液 (硅酸钠溶液浓度为硫酸铝溶液浓度的 3倍),每次称取 3.2 g绝干本色落叶松硫酸盐浆放入三口瓶中,加入已配好的硫酸铝溶液,用电动搅拌器搅拌至瓶内纤维分散,纤维细胞腔内充满硫酸铝溶液,用滤网将浆料滤出,并用清水除去纤维表面残液,将洗后纤维重新放入三口瓶内,将三口瓶置于电热恒温水浴中加热,加入硅酸钠溶液充分搅拌至反应结束。反应结束后用清水洗涤浆料,并将处理后的浆料在纸张成形器上抄造纸样,烘干备用。同时,取相同量的绝干本色落叶松硫酸盐浆抄造原纸,以进行对比。

1.3.2 性能检测

按国家标准检测方法检测恒温恒湿后的纸张强度性能及白度指标[9]。

检测纸张隔热性能时,将待测纸张一面平整贴于加热的电热板上,电热板表面温度恒定为 100℃,每隔一段时间 (t)测量纸张另一面的温度 (T),绘制T～t曲线。

1.3.3 仪器分析

纸张按要求处理后,进行扫描电子显微镜-能谱(SEM-EDAX)、红外光谱 (FT-IR)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱 (XPS)分析。

2 结果与讨论

2.1 正交实验结果

正交实验结果如表2所示。由表2可知,各因素最佳水平分别为 A4、B4、C1、D3、E2,这与实验中 16号实验的水平正好吻合,16号实验的结果也是所有实验中最好的。由此可确定适宜工艺条件为硫酸铝用量 0.25 mol/L、混合时间 50 min、反应时间 40 min、反应温度 70℃,搅拌速度 300 r/min。

表2 正交实验结果

2.2 隔热纸性能

2.2.1 纸张强度性能及白度指标

按照 2.1中确定的工艺条件抄造隔热纸,并与原纸进行对比,隔热纸与原纸的强度性能及白度指标如表3所示。由表3可知,隔热纸的白度仅略高于原纸的,各项强度性能较原纸的仅略有下降。表明隔热纸纤维间的氢键结合基本不受影响,隔热纸强度性能较好,这保证了隔热纸在使用时具有良好的环境适应性。

表3 隔热纸与原纸指标对比

纤维与硫酸铝溶液充分混合后,经滤网滤出,用清水将其表面残液去除再与硅酸钠溶液混合,而非直接向混合体系中加入硅酸钠溶液,也是出于保证隔热纸强度性能的目的。如直接向混合体系中加入硅酸钠溶液,由于体系溶液中存在硫酸铝,纤维细胞腔内有硅酸铝沉积的同时,纤维外部溶液中同样反应产生硅酸铝沉淀,这些存在于纤维间的硅酸铝使得反应结束后纤维外表面较难洗净,容易残留硅酸铝,导致隔热纸抄造成形后,其纤维间存在较多的硅酸铝,对隔热纸强度性能有较大的负面影响。此外,直接向混合体系中加入硅酸钠溶液进行反应,一方面体系中生成的硅酸铝较多,增加了搅拌难度,使得纤维在混合体系中分散较差,对反应进行不利;另一方面,为保证隔热纸强度,纤维外部生成的大量硅酸铝需洗涤除去,造成生成这部分硅酸铝所需化学药品的浪费,导致化学药品利用率较低。而将纤维经滤网滤出,去除表面残液再与硅酸钠溶液反应,则可有效地解决以上问题,既保证隔热纸具有较高的强度性能,又使得搅拌充分,纤维分散均匀,同时滤液可再次与纤维混合,其循环利用可提高化学药品利用率。

2.2.2 隔热性能

隔热纸与原纸的升温曲线如图1所示。从图1中可以看出,隔热纸升温曲线位于原纸升温曲线下方,相同时间内隔热纸表面升温速率小于原纸的;原纸与隔热纸均经约 90 s达到热平衡,热平衡时,原纸表面温度为 53℃,而隔热纸表面温度仅 36℃。表明隔热纸的隔热性能较原纸有较大提高,无论是表面升温速率还是表面热平衡温度都低于原纸,显示出较好的隔热性能。

图1 原纸及隔热纸升温曲线

2.3 仪器分析

2.3.1 SEM-EDAX分析

图2为原纸及隔热纸纤维表面 SEM照片。由图2可知,原纸纤维外表面十分整洁,壁上纹孔清晰可见,而隔热纸纤维外表面、纹孔四周以及纹孔内均有浅色物质存在,即反应生成的硅酸铝,但硅酸铝的量极少,正如 2.2.1中所述,制备的隔热纸内纤维间接触良好,氢键结合几乎没有受到影响,隔热纸的各项强度性能与原纸的差异很小。

图3为原纸及隔热纸纤维细胞腔 SEM照片。对比原纸及隔热纸纤维细胞腔 SEM照片可清楚地看出,原纸纤维细胞腔内没有任何物质,而隔热纸纤维细胞腔内则含有明显的沉积物,表明原位沉积法可在纤维细胞腔内生成目标产物。

图4为隔热纸纤维细胞腔能谱分析定位图,对图4中方框内区域进行能谱分析,结果如图5所示。由图5可知,隔热纸纤维细胞腔内的物质含有 Al、Si、O元素,证明细胞腔内物质为硅酸铝。

2.3.2 FT-I R分析

图6为硅酸铝、原纸和隔热纸的 FT-IR谱图。硅酸铝的 FT-IR谱图中,在 1010 cm-1处的强峰为 Si—O键振动吸收峰,为硅酸铝的特征吸收峰;原纸的 FT-IR谱图中,在 3410 cm-1处有一强而宽的峰,这是氢键缔合的结果,2901 cm-1、1431 cm-1、1369 cm-1处为纤维素的特征吸收峰。对比原纸和隔热纸的 FT-IR谱图可以看出,隔热纸在2900 cm-1及 1200～1500 cm-1处的吸收峰面积比原纸明显减小,而硅酸铝在相同波数处没有吸收峰;经计算,原纸在2900 cm-1以及 1200～1500 cm-1处的吸收峰面积分别为 1.67和 1.81,而隔热纸在相同波数处的吸收峰面积分别为0.75和 0.81,这表明隔热纸内的植物纤维在 2900 cm-1及 1200～1500 cm-1处的吸收峰被硅酸铝所覆盖,即隔热纸中含有硅酸铝。2.3.3 XPS分析

图6 硅酸铝、原纸及隔热纸 FT-IR谱图

图7为原纸及隔热纸的 XPS图。从图7可以清晰看出,原纸在 286.50 eV及 532.87 eV处有强峰,分别为 C元素及 O元素的特征峰,如图8所示;隔热纸不仅在 C元素及 O元素的特征峰位有强峰,在 74.23 eV及 102.49 eV处有较小的峰,分别为 Al元素及 Si元素的特征峰,如图9所示,这是原纸所没有的。表明隔热纸中存在硅酸铝。

2.3.4 XRD分析

图10为原纸、隔热纸和硅酸铝的 XRD图。由图10可知,硅酸铝的衍射曲线在 2θ=27°左右有一大的宽峰,说明硅酸铝具有无定形结构。原纸的衍射曲线最高峰位置约为 2θ=22.3°,在 2θ=34°附近有一小峰,这是纤维的结晶区和非结晶区共同作用的结果。从原纸和隔热纸的相关衍射强度数据可知,原纸在2θ=27°处的衍射强度为 580 cps,而隔热纸在 2θ=27°处的衍射强度为 783 cps,这表明了隔热纸中硅酸铝的存在。根据 Segal经验公式计算,原纸的相对结晶度为 59.8%,隔热纸的相对结晶度为 67.4%,较原纸有所增加,表明硅酸铝只会在纤维的无定形区沉积,而对纤维的结晶区没有影响。纤维的结晶结构没有遭到破坏,即纤维的自身强度得以保留。

图9 Al元素及 Si元素的 XPS图

图10 原纸、隔热纸及硅酸铝 XRD图

3 结论

实验用原位沉积法制备了隔热纸,最大化利用了植物纤维间的氢键结合力,使制备出的隔热纸具备优良的隔热性能和强度性能。

3.1 在硫酸铝用量 0.25 mol/L、混合时间 50 min、反应时间 40 min、反应温度 70℃,搅拌速度300 r/min的条件下,硅酸铝的沉积率可达 30.0%。在此条件下,用原位沉积法制备的隔热纸强度性能优良,与原纸接近;隔热性能优良,较原纸有明显提高。

3.2 通过扫描电子显微镜-能谱(SEM-EDAX)、红外光谱 (FTI R)、X射线衍射 (XRD)、X射线光电子能谱 (XPS)分析可知,利用原位沉积法可在纤维细胞腔内生成硅酸铝。

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[9] 石淑兰,何福望.制浆造纸分析与检测[M].北京:中国轻工业出版社,2003.

Manufacture of Heat I nsulation Paper Based on In-situ Deposition of Alum in ium Silicate

L IU Yan YU Gang＊
(M aterials Science and Technology College,Northeast Forestry University,Harbin,Heilongjiang Province,150040)

Taking the advantage of in-situ deposition can generate the target product in the lumen of the fibers,and the heat insulation paper wasmanufactured by in-situ deposition of aluminium silicate in fiber lumen,which can simply solve the problem of low strength of the paper caused by using inorganic heat insulation fiber as raw material.Studies showed that aluminium silicate in the fiber lumen has a higher deposition rate,strength properties and heat insulation properties of the heat insulation paper are excellent.Combining with SE M-EDAX,FT-IR,XPS,XRD analysis it can concluded thatpreparation of heat insulation paper based on lumen in-situ deposition of aluminium silicate is feasible.

in-situ deposition;aluminium silicate;heat insulation paper

TS761.2

0254-508X(2010)05-0025-05