原位合成硅酸钙制备保温隔热纸

2011-11-22莫继承刘嘉维

中国造纸 2011年6期

关键词：硅酸钙氯化钙原位

莫继承于钢刘焱刘嘉维

(1.东北林业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨,150040;2.牡丹江医学院药学院,黑龙江牡丹江,157011)

原位合成硅酸钙制备保温隔热纸

莫继承1于钢1刘焱1刘嘉维2

(1.东北林业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨,150040;2.牡丹江医学院药学院,黑龙江牡丹江,157011)

研究了在阔叶木浆纤维的细胞腔或细胞壁中原位合成硅酸钙的工艺条件及用其制备隔热纸的可行性。实验结果表明,隔热纸的最佳工艺条件:氯化钙浓度 1.25 mol/L,纸浆打浆度 57°SR,搅拌速度 300 r/min,反应温度 60℃,混合时间 30 min,反应时间 20 min。在此条件下,隔热纸的灰分可达到 24.6%,表面温度比空白样低 19℃。采用扫描电子显微镜-能谱 (SEM-EDAX)、X射线衍射仪 (XRD)、红外光谱 (FT-IR)对合成产物及隔热纸张的结构、性能进行了表征。结果表明,制备条件较易实现;硅酸钙在纤维表面、纤维细胞壁、纤维细胞腔中均有沉积。

原位合成;硅酸钙;隔热纸

采用良好的保温隔热材料有利于降低保温产品的能耗,降低生产成本,增加设备使用寿命等,具有可观的社会经济效益[1]。硅酸钙是一种最为常用的优良保温隔热材料,由于其质量轻、导热率小、抗折抗压强度高、遇水不变形、使用寿命长、易加工等独特的物理化学性能和矿物学特征,被广泛用于塑料、橡胶、聚合物、涂料、染料、陶瓷、冶金、建材、环保及石棉的代用品等方面,使其在保温材料中占据首位[2-3]。但硅酸钙存在难分散、易絮聚、强度低等缺点,在制作保温材料时往往要加入分散剂、增强剂、胶黏剂以达到使用要求[4]。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[5],因此在植物纤维的细胞腔和细胞壁上合成硅酸钙,即可得到理想的保温隔热材料。

保温隔热纸可用于微波炉的烘烤纸盘、电热锅隔热底层、快餐食品包装、保温杯以及高温炉炉衬等[6-9]。保温隔热纸的制备方法主要有两种,即矿物纤维与植物纤维配抄,以及植物纤维细胞内原位合成保温纤维制备[4-5]。本实验通过化学共沉淀技术,在纸浆纤维的细胞腔和细胞壁中原位合成硅酸钙,用这种纤维制备低温保温隔热纸,这种低温保温隔热纸可应用于保温杯、快餐食品包装等。实验确定合成的最佳工艺条件,并对硅酸钙在纤维上的沉积情况及隔热纸的结构和保温隔热性能进行表征。

1 实验

1.1 实验原料及药品

漂白阔叶浆板,黑龙江某公司提供;无水氯化钙(分析纯)、硅酸钠 (分析纯),天津市恒兴化学试剂制造有限公司提供。

1.2 实验仪器与设备

ZQS2-23型槽式打浆机,陕西科技大学机械厂;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;YQ-Z-48A型白度颜色测定仪,杭州轻通仪器开发公司;红外测温仪;QUANTA 200型扫描电镜及 EDAX能谱仪,美国 FEI公司;Magna I R560型傅里叶变换红外光谱仪,美国Nicolet公司;D/max-2200型 X射线衍射仪,日本理学株式会社;常规纸张强度性能检测仪器。

1.3 实验原理

利用氯化钙和硅酸钠在水介质中生成沉淀的化学反应,在纤维细胞腔内生成硅酸钙沉淀。反应方程式如下:

本实验依据以上原理,在纤维细胞腔内原位合成硅酸钙沉淀,用这种附有硅酸钙沉淀的纤维制备保温隔热纸。

1.4 实验方法

1.4.1 打浆

将疏解后的阔叶木浆料按照 1.56%的浓度在打浆机中进行打浆,将浆料打至预定的打浆度,放置48 h后,测定水分,备用。

1.4.2 保温隔热纤维的制备

根据单因素实验,在同样 300 mL的反应体系中分别加入 1.00、1.25、1.50 mol/L的氯化钙和硅酸钠,结果证明,氯化钙浓度大于 1.25 mol/L时虽然可提高灰分,但对成纸强度及制备过程都不利,所以选用氯化钙用量小于 1.25 mol/L以下。其他条件如表1所示,按硅酸钙合成影响因子和数理统计方法[10-12],以六因素五水平设计正交实验,以纸张的灰分为衡量标准。

根据表1条件进行合成实验,先将水浴调至预定的恒定温度,将氯化钙和硅酸钠分别配制成 150 mL溶液,然后称取所需打浆度的用浆量 (纸张定量为80 g/m2)装入三口瓶中,在预定的搅拌速度下让氯化钙溶液充分进入到纤维细胞腔内,达到预定的混合时间后用滤网将浆料滤出,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,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,备用。

健康旅游由来已久，14 世纪比利时建立的温泉疗养地SPA，一般被视为健康旅游的最初形态。20世纪60年代，现代意义上的健康旅游项目在西方国家兴起；80年代，对健康旅游的研究开始出现[3]。21世纪以来，世界卫生组织在南非实施了“健康岛”研究项目，世界旅游组织也提出“重视旅游构建健康生活的命题”。在国内，健康旅游研究尚处于起步阶段，主要集中在概念界定、作用归纳等层面，在发展规律的认识、理论体系的构建等方面还比较欠缺[4]。

表1 正交实验因素水平表[6-7]

1.4.2 保温隔热纸的制备

将实验制得的保温隔热纤维在 ZQJ1-B-Ⅱ型纸页成形器上制成手抄片,烘干备用。同时,取相同量的漂白阔叶木浆抄造空白样,以进行对照。

1.4.3 检测

(1)纸张白度、抗张强度、撕裂度、耐破度、耐折度、灰分分别按相应的国家标准进行检测。

(2)检测纸张隔热性能时,将保温隔热纸纸样平铺在电热板上,加热板表面温度恒定在 100℃,每隔一段时间 (t)测量保温隔热纸不与电热板接触一面的温度 (T),绘制 T～t曲线。

(3)对保温隔热纸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)分析。

2 结果与讨论

2.1 正交实验结果分析

以纸张灰分为主要考察因素,对表1的实验结果进行分析,分析结果见表2。由表2可见,原位合成硅酸钙的最佳方案为 A4、B4、C3、D2、E5、F2,由此可确定最佳工艺条件为:反应温度 60℃,纸浆打浆度 57°SR,混合搅拌时间 30 min,反应时间为 20 min,氯化钙浓度为 1.25 mol/L,搅拌速度为300 r/min。

表2 各因素对纸张灰分量的影响

2.2 隔热纸的物理性能检测

2.2.1 纸张物理性能检测

按照最优工艺条件抄造隔热纸,并与空白样进行对比,隔热纸与空白样性能对比如表3所示。由表3可知,隔热纸的白度比空白样提高了 24.6%,这是由于硅酸钙的白度较高所致;紧度提高了26%,则是由于纸浆中增加了密度相对较大的硅酸钙,这都证明浆中存在硅酸钙,灰分的显著增加也证明了这一点,可以认为硅酸钙主要存在于纤维细胞中或附着在纤维表面。另一方面,表3也显示隔热纸的各项强度指标都较空白样明显下降,纸张强度下降的原因有两个方面,一是在冲洗过程中部分细小纤维的流失,减少了纤维的结合面积;二是冲洗后长纤维分丝帚化处仍黏附的硅酸钙粒子,影响了纤维之间的结合。从这点也可表明,硅酸钙沉积在了纤维上。

表3 空白样与隔热纸的性能对比

2.2.2 纸张隔热性能检测

隔热纸与空白样的 T～t曲线如图1所示。从图1中可以看出,在相同的时间内隔热纸表面升温速率小于空白样;空白样经约60 s后纸张的表面温度趋于稳定,而隔热纸则经约 80 s后纸张的表面温度趋于稳定。热稳定时,空白样表面温度为 79℃,而隔热纸表面温度仅 60℃,降低了 24%。隔热纸的隔热性能较空白样有较大提高,无论是表面升温速率还是表面热稳定温度都低于空白样,表现出较好的隔热性能。

2.3 仪器分析

2.3.1 XRD分析图2为空白样、隔热纸和硅酸钙的XRD图。由图2可知,空白样的衍射曲线最高峰位置约为 2θ=22.6°,在 2θ=34.5°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,隔热纸的衍射曲线最高峰位置约为 2θ=22.5°, 在 2θ=29.5°左右也有一小的窄峰。硅酸钙的衍射曲线在 2θ=29.5°左右有一小的窄峰,说明硅酸钙具有无定形结构[13]。空白样和隔热纸的相关衍射强度数据可知,空白样在 2θ=29.5°处的衍射强度为 333 cps,而隔热纸在 2θ=29.5°处的衍射强度为475 cps。从隔热纸与硅酸钙的峰形和空白样与隔热纸在 2θ=29.5°处的衍射强度都可以说明隔热纸中有硅酸钙沉淀。

图1 隔热纸与空白样的 T～t曲线

图2 空白样、隔热纸、硅酸钙的 XRD图

2.3.2 FT-IR分析

图3 硅酸钙、空白样、隔热纸的 FT-IR谱图

图3为空白样、隔热纸和硅酸钙的 FT-IR谱图。由图3可知,硅酸钙的 FT-IR谱图中,在 970 cm-1处的强峰为 Si—O键振动吸收峰,为硅酸钙的特征吸收峰;空白纸的 FT-IR谱图中,在 3410 cm-1处有一强而宽的峰,这是 H—O基的伸缩振动吸收峰,在2901 cm-1、1431 cm-1、1369 cm-1处为纤维素的特征吸收峰。对比空白纸和隔热纸的 FT-IR谱图可以看出,隔热纸在 2900 cm-1及 1200～1500 cm-1处的吸收峰面积比空白样明显减小;经计算,空白样在 2900 cm-1以及 1200～1500 cm-1处的吸收峰面积分别为1.63和 1.25,而隔热纸在相同波数处的吸收峰面积分别为 1.04和 0.73,这表明隔热纸内的植物纤维在2900 cm-1及 1200～1500 cm-1处的吸收峰被硅酸钙所覆盖,说明隔热纸中含有硅酸钙。

2.3.2 纸浆纤维的 SEM观察和 SEM-EDAX分析

图4和图5分别为空白样与隔热纸的表面 SEM照片。比较图4和图5发现,空白样表面只有交织的纤维,纤维外壁较光滑,而隔热纸表面除纤维外,还有明显的白色沉淀即反应生成的硅酸钙。

图6和图7则反映了空白样和隔热纸的纤维外表面及细胞腔中是否有硅酸钙沉积的情况,从图7可明显的看到,纤维外表面和细胞腔内壁表面中较图6的空白样纤维多了白色的沉积物,即硅酸钙。由于在纤维表面存在较多的硅酸钙,导致制备的隔热纸内纤维间接触受到影响,氢键结合减少,使隔热纸的各项强度性能指标明显低于空白样。

图8为反应温度 60℃,浆料打浆度 57°SR,混合搅拌时间 30 min,反应时间为 20 min,氯化钙浓度为1.25 mol/L,搅拌速度为 300 r/min条件下制得的隔热纤维细胞腔内壁能谱分析定位图,图8中方框内部分的能谱分析结果如图9。由图9可见,隔热纸纤维细胞腔能谱分析有硅、钙元素的峰,表明硅酸钙在细胞腔内壁上有沉积。

图8 隔热纸纤维细胞腔能谱分析定位图

图9 隔热纸纤维细胞腔能谱分析结果

3 结论

通过化学共沉积技术,在纸浆纤维的细胞腔内和细胞壁上原位合成硅酸钙,并用其制备保温隔热纸。

3.1 原位合成法制备隔热纸的最佳工艺条件:氯化钙浓度为 1.25 mol/L,反应温度 60℃,浆料打浆度57°SR,混合时间 30 min,反应时间为 20 min,搅拌速度为 300 r/min。在此条件下,与空白样相比,隔热纸隔热性能优良,较空白样有明显提高,白度也有所提高,但强度性能下降。

3.2 通过扫描电子显微镜-能谱 (SEM-EDAX)、红外光谱 (FT-IR)、X射线衍射 (XRD)分析可知,利用原位合成法可在纤维细胞腔内壁生成硅酸钙。

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Manufacture of Heat Insulation Paper Based on I n-situ Synthesis of Calcium Silicate

MO Ji-cheng1YU Gang1,＊L IU Yan1L IU Jia-wei2
(1.M aterials Science and Engineering College,Northeast Forestry University,Harbin,Heilongjiang Province,150040;2.Phar macy Departm ent,M udanjiang M edical College,M udanjiang,Heilongjiang Province,157011)

The feasibility and process conditions of heat insulation papermanufacture based on in-situ synthesis of calcium silicate in the lumen or cell wall of the hardwood pulp fibers were investigated.Under the optimal experimental conditions the heat insulation paper was made.The concentration of calcium chlorine is 1.25 mol/L,the beating degree of the pulp is 57°SR,the stirring rate is 300 r/min,the reaction temperature,themixing time and the reaction time are 60℃and 30 min and 20 min respectively.Under these conditions,ash content of the heat insulation paper reaches to 24.6%and its surface temperature is 19℃lower than the control sample.The synthetic product,microstructure and properties of the heat insulation paper were observed and measured by SEM-EDAX,FT-I R,XRD analysis,respectively.The results indicated that the manufacture condition is easy to fulfill;the calcium silicate deposits on the fiber surface,in the cellwall and lumen of the pulp fibers;the calcium silicate paper has very good heat insulation property.

in-situ synthesis;calcium silicate;heat insulation paper

TS7611.2

0254-508X(2011)06-0017-05