不锈钢衬纸的研究进展

李春

（国家造纸化学品工程技术研究中心 杭州市化工研究院，杭州310014）

在冷轧卷取过程中，不锈钢衬纸是为防止摩擦而插入不锈钢板之间的一种专用纸。 冷轧温度一般在180℃左右，但随着冷轧卷取速度的不断加快，冷却时间缩短，轧机速度提高，冷却钢板用油量减少，不锈钢板所散发的热量更少、 温度更高，因此纸张所需承受的温度进一步提高。现代轧钢工艺要求纸张应耐200 ℃左右的高温。

不锈钢衬纸首先要具有较高的表面强度、抗张强度等物理性能，以防止纸张在轧钢过程中掉毛掉粉，并可以确保在使用过程中纸张不至于损坏或粘附在不锈钢板表面，特别是纸张进行多次使用后，若强度不好，就更容易出现问题。 其次纸张的匀度要较好，厚度均匀，平滑度较好，纸张的尘埃度尽量控制最低，有利于纸张有较好的强度，也可以保证卷取的不锈钢卷厚度均匀。 再次纸张要呈中性，Cl-含量小于100 mg／kg，含量小于150 mg／kg，以减少对钢板的腐蚀。 同时纸张对油应有较好的吸收性，以吸收在轧钢过程中冷却润滑钢板时残留的油。

目前国内在研发耐高温不锈钢衬纸中大多采用添加耐温助剂、 优化纤维原料和使用表面施胶剂等方法来提高不锈钢衬纸的耐高温性能。 这方面的研究取得了较大的进展。

1 耐温助剂

耐温助剂包括耐高温的增强剂和耐高温的纤维保护剂。在不锈钢衬纸的生产过程中，添加耐温助剂是改善耐高温效果最有效的方法之一。

耐温助剂最好是无机物，不与其他化学助剂发生反应，也不影响其他化学助剂的应用效果，对抄造过程无其他不良影响，在高温过程中，不会对不锈钢板产生任何不良影响。 在热量吸收到一定程度后，耐温助剂发生分解，生成一种惰性物质，此惰性物质也能吸收大量热能，并释放出水分，使受热纸张纤维不会糊化，从而保证纸张强度和其他性能，避免了粘贴钢板和掉毛掉粉现象。

杜敏等[1]分别考察了无机耐高温助剂、有机耐高温助剂以及两者结合使用时不锈钢衬纸的耐高温效果。添加无机耐高温助剂高温处理后，纸张的抗张指数和耐破指数都有所下降，且添加量越大，下降幅度越小。 可见，纸张的物理性能受高温的影响而降低。 在添加有机耐高温助剂高温处理后，纸张的抗张指数基本保持不变，且与未添加时差别也不大。可见，有机耐高温助剂比无机耐高温助剂的耐高温效果要好，它不会造成纸页原始强度损失。将两种助剂结合起来使用时，抗张指数较未添加助剂时的变化率与高温处理前后抗张指数的变化率基本一致，可见无机耐高温助剂和有机耐高温助剂的结合使用，使纸张的耐热性能大大改善，在纸张原始物理强度下降不大的情况下，基本达到了进口不锈钢衬纸的耐高温性能指标。

杨飞等[2]利用两种耐温助剂来降低高温对纸张纤维的降解。 一种是A 助剂，主要是通过其在高温时分解吸收热量而保护纸张，尽可能减少植物纤维的降解，保证纸张强度；另一种是自行合成的B 助剂，该助剂在170 ～190 ℃下会产生交联作用，不会恶化纸张强度，起增强作用。 在纸浆中添加1.0%的A 助剂、0.2%的B 助剂，纸张的耐高温性能大大改善，190 ℃高温4 h 后，其裂断长的保留率达到95.7%，而未添加助剂的纸张高温后裂断长保留率仅为75.2%。

2 纤维原料

纸张纤维中含有半纤维素和少量木素，这些组分受热会发生热降解、氧化降解等，其中以热降解为主。 纤维素的热降解分为四个阶段[3]：首先物理吸附水解吸，其次葡萄糖基开始断裂，再次糖甙键开始断裂，最后残余部分芳环化，形成石墨结构。纤维的降解对纤维强度影响很大，纤维聚合度降低到700 ～800 以前，纤维的断裂强度和断裂伸长下降很少，但在700 以下，机械性能迅速下降，到达200 以下时，则不具有纤维特征。

杨飞等[2]考察了市场常用的纤维原料——针叶木浆和阔叶木浆，且都各自抽取了三种样品进行分析，并测定了各种纤维原料的耐高温性能。用PFI 磨浆机在相同条件下磨三种针叶木浆，综合考虑，选取打浆度低和Cl-含量最低的2 ＃ 针叶木浆，由于其原始强度高，高温后相对下降的比例略大，因而需通过添加化学品提高其高温后的强度。三种阔叶木浆性能相差较大，选取Cl-含量最低、耐高温性能最好的4 ＃ 阔叶木浆，190 ℃下4 h后，裂断长和耐破指数都较高，远远超过了另外两种阔叶木浆高温后的强度，综合考量，耐高温不锈钢衬纸中的纤维原料以2 ＃ 针叶木浆和4 ＃ 阔叶木浆为宜。

慈元钊等[4]选用60%本色亚硫酸盐木浆混合40%未漂麦草浆，本色亚硫酸盐木浆强度好、纤维长，纤维化后交织中形成大量的空隙；而麦草纤维细而短、具有较强的吸附能力，有利于填充纤维间的空隙。在打浆过程中，本色亚硫酸盐木浆的长纤维不仅保护了短纤维，减少了麦草纤维的切断，而且麦草纤维在本色亚硫酸盐木浆纤维的夹裹下带进盘磨齿面间，增加了对麦草短纤维的挤压、摩擦、扭曲，同时本色亚硫酸盐木浆的长纤维也得到了适当的切断。

3 表面施胶剂

对表面施胶剂的研究正逐渐引起学者们的关注，一方面废纸的利用率越来越高，浆料质量越来越差，表面施胶剂可以改善、弥补这一缺陷，提高纸张的质量。 另一方面表面施胶的成本大大低于浆内施胶，且可控性好，采用表面施胶后湿部系统可以减少对施胶剂的依赖，白水的清洁度和循环回用率大幅提高，废水的处理压力得到降低。

纸张经过表面施胶后，许多性能会随之发生变化，不仅可以明显改善纸张表面性能，如表面强度、抗水性、两面性、平滑度及印刷适印性等[5]，还可以提高纸张的物理强度、纸的耐久性和耐磨性，减少纸张的两面性。表面施胶剂可节省胶料，减少流失。 施胶剂留着率接近100%，使用效率高。

AKD 可以用于纸张表面施胶，但它有熟化期，对纸张的在线涂布有影响。 熟化后的AKD 可赋予纸张表面很高的抗水性，但AKD 的本质是蜡，会降低纸张表面的摩擦系数，从而影响纸张在印刷机上的运行性能[6]。AKD 在高温下易水解，用量过大时纸张表面容易掉粉，严重影响纸张的应用性。与传统的施胶剂相比，高分子表面施胶剂是专门为表面施胶而设计的，是目前表面施胶的主流产品，在现代造纸工业中具有广阔的应用前景。

聚氨酯是一种高分子表面施胶剂，相对分子质量低，本身含有交联基，在固化过程中形成三维网络结构，在纸的表面成膜而不发生渗透。 聚氨酯由二异氰酸酯和含羟基的多元醇等聚合而成[7]，主链结构是由氨基甲酸酯键等硬段以及酯基、醚键等软段嵌段结合组成的。聚氨酯结构中的离子基团是聚合物主链或侧链上的羧基被胺中和成盐的亲水基团，它可以使聚氨酯均匀分散在水中，并增加乳液的稳定性。 在纸张的施胶过程中，聚氨酯胶液与淀粉溶液混用，可改善纸张的许多表面性能，如可增加表面强度[8]，抗掉毛和抗涂料渗透等。

徐建峰等[9]以甲苯二异氰酸酯、聚酯二元醇、1，4-丁二醇和亲水扩链剂为原料，合成了聚氨酯乳液，并将其和木薯淀粉复配，制备聚氨酯表面施胶剂。 讨论了亲水扩链剂的种类和用量、 中和方式、 扩链温度等对聚氨酯乳液及其涂膜性能的影响，并将聚氨酯表面施胶剂用于纸张表面施胶。结果表明： 选用质量分数9%的N-甲基二乙醇胺作为亲水扩链剂，选择先中和再乳化的中和方式，扩链温度为60 ℃，乳液的综合性能较好。 聚氨酯表面施胶剂的施胶效果良好，对纸页的表面性能具有明显的改善作用。

郭玉花等[10]利用聚酯多元醇、异佛尔酮二异氰酸酯和二羟甲基丙酸等单体，通过预聚体法制得聚氨酯表面施胶剂，并研究了异氰酸酯和醇的配比以及二羟甲基丙酸含量对聚氨酯施胶纸张抗水性能、表面性能以及强度性能的影响。随着异氰酸酯和醇配比的增大，纸张抗水性能提高，当配比为2 时，Cobb 值是未施胶纸的31.5%；光泽度提高，到配比为1.8 时，达到最大值，是未施胶纸的10.3 倍，而后开始下降；平滑度也明显提高，当配比为1.8 时，施胶后纸张的平滑度是未施胶纸的4倍；抗张指数逐渐增大；纸张横向裂断长先有所提高，而后又逐渐降低，纵向裂断长持续上升。 当二羟甲基丙酸用量越少时，纸张的抗张指数、 耐折度、裂断长等强度性能越好；当用量为3.5%时，施胶纸的Cobb 值是未施胶纸的29.8%，抗水性明显增加，但随着用量的增加，纸张抗水性能降低； 纸张的光泽度先是大幅度上升，然后趋于平缓； 当用量为4.5%时，纸张的平滑度大幅度提高，是施胶前的3.9 倍。

硅丙树脂也是一种高分子表面施胶剂，它是由含有不饱和双键的有机硅单体与丙烯酸酯单体进行乳液聚合制得，利用Si—O 键具有良好的柔韧性，可形成表面能低、表面张力小的链段，使硅丙树脂具有优异的耐水性、耐候性、耐温变性、耐污染性[11]。 丙烯酸酯具有许多突出的优点，如：优异的耐候性、耐腐蚀性、附着力、柔韧性和透明度等，丙烯酸酯一般为链状线型结构，属于热塑性材料，对温度极为敏感，表现为“热粘冷脆”现象[12]。有机硅是分子主链中含有硅元素的有机高分子合成材料，因其结构中含有高键能的Si—O 键，使得有机硅具有抗热分解和抗氧化等性能。

郑平萍等[13]采用丙烯酸酯单体与端羟基硅油、 聚氧乙烯基醚进行自由基聚合反应和羟基缩合反应，制得了含有羟基的有机硅改性丙烯酸酯树脂，探索了羟基与异氰酸基的配比、聚氧乙烯基醚的含量、 有机硅的含量等反应条件对产物耐热性及力学性能的影响。 异氰酸基的加入量太多或太少，都会使耐热性能下降；引入聚醚链段后，抗弯折性和冲击强度没有变化，而耐热性得到提高。随着醚含量的增加，分子链变得更加柔顺，耐热性却有所下降；随着有机硅含量的增加，耐热性得到提高，冲击强度、抗弯折性没有明显变化，但表面硬度和附着力都有所下降，若加入量过多，力学性能受影响。 故在羟基与异氰酸基的配比为1.05∶1，聚氧乙烯基醚的含量为6%，有机硅含量为5%～10%的情况下，制得的硅丙树脂具有良好的耐热性和力学性能。

刘晓国等[14]将端烯基硅氧烷预聚体与丙烯酸酯单体在引发剂作用下共聚，制得了有机硅改性丙烯酸酯树脂。该树脂呈淡黄色透明液体，固含量25%，通过红外光谱分析表明，端烯基聚硅氧烷已接枝进入了丙烯酸酯共聚物的骨架中。 在耐热性实验中，该树脂可以耐温达180 ℃。

新型表面施胶剂的开发与应用，是表面施胶技术发展的一个重要方面。 国内表面施胶剂的研发并不成熟，尤其是不锈钢衬纸的整个市场几乎被国外公司的产品所垄断，研发能够改善不锈钢衬纸耐热性能的表面施胶剂仍然是学者们亟待攻克的难题。表面施胶剂的分子结构可调，同时可以赋予纸张表面更多更优异的性能，因此，表面施胶剂在不锈钢衬纸中的应用越来越多。

综上所述，对于几种常见的提高不锈钢衬纸耐温性的方法的研究表明，适当添加耐温助剂、优选纤维原料或使用表面施胶剂，对于提高其耐温性是非常有效的。为满足现代轧钢工艺的要求，研发耐更高温度的不锈钢衬纸迫在眉睫，尽管我国目前使用的耐高温不锈钢衬纸大部分依赖进口，但开发国产的衬纸替代国外产品，对于降低生产成本、增强市场竞争能力具有重要的意义。

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