自制纸张透明剂的应用性能研究

田龙钢 高玉杰 高立敏 袁晓娇

(天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室,天津，300457)



·透明剂·

自制纸张透明剂的应用性能研究

田龙钢 高玉杰 高立敏 袁晓娇

(天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室,天津，300457)

采用复配法制备了纸张透明剂,并对透明剂的性质及其应用性能进行了系统研究。透明剂的性能可以在常温和较长时间内保持稳定,不会出现溶液分层或浑浊等现象。采用优选出的透明剂处理纸张后,纸张透明度可达到70%以上，相比原纸，透明度提高30个百分点以上,但同时纸张强度性能有所下降。透明剂可在常温下快速渗透,最佳浸渍时间为5 s。扫描电镜分析表明,透明剂可有效存留于纸张内部,填充纤维间的空隙,黏附在纤维表面。

透明剂；透明度；透明纸；物理强度

(*E-mail: tianlg@126.com)

由于透明或半透明纸的光学特殊性,目前生产主要靠的是选择合适的纤维原料,采用提高浆料打浆度、超级压光等方式提高纸张紧度的方法来达到,在一定程度上缩小了纤维原料的使用范围[1-2]；同时高打浆度打浆造成了设备电耗的增加,限制了透明纸或半透明纸的产量提升和品种发展[3]。利用纸张透明剂通过浸渍等方式生产透明纸或半透明纸,在纸张透明度和强度等方面满足质量指标,更有利于降低生产成本,改善生产操作,且有利于增加纸张品种。目前,透明剂这一新型造纸化学品正逐步进入造纸工业领域[4-5]。

目前,我国纸张透明剂的研究与使用还刚刚起步,所生产的透明或半透明纸品种较少,产品质量与国外的同类产品相比差距较大[6-7]。因此,为尽快改变我国透明或半透明纸生产的落后状况,必须加强对纸张透明剂的研究开发[8]。本实验采复配法制备了与纤维素纤维折光系数相近的透明剂,通过浸渍的方法将纸张内部空隙填充,使纸张趋于均一光学介质,从而提高纸张透明度。

1 材料与方法

1.1 实验原料

漂白针叶木浆,聚酯改性聚二甲基硅氧烷BYK-310,清漆,石蜡,渗透剂JFC,乳化剂OP-10,异丙醇等。

1.2 实验仪器与设备

HB43自动快速水分测定仪,美国Mettler-Toledo公司；ZQS2-23 Vally打浆机,陕西科技大学机械厂；ZDJ-100打浆度测定仪,国营宜宾造纸厂；KRK SE0808098湿纸张压榨机、NO.7047.S标准纸张成型器,英国MAVIS公司；970154浆料疏解器、SE062抗张强度测定仪、SE009撕裂强度测定仪、969920耐破强度测定仪,瑞典Lorentzen&Wettre公司。

1.3 实验方法

1.3.1 透明剂的制备

采用复配法制备透明剂。选用折光率与植物纤维相近的透明剂主料,按一定比例加入乳化剂0P-10、渗透剂JFC、速干剂、固化剂等助剂充分搅拌,混合均匀后加入溶剂将其稀释,观察并测定其固含量、黏度和折光率等指标。

1.3.2 透明剂的分析

透明剂固含量的测定：称取4～5 g透明剂乳液置于称量瓶中,在105℃的烘箱中烘干24 h直至恒质量,计算固含量,测量5份取平均值。

黏度的测定：在25℃时,采用BROCKFIELDLVDV-Ⅱ+黏度仪，1号转子,在转速为120 r/min的条件下,测量乳液的黏度。

折光率的测定：本实验需测定的折光率应为透明剂成膜后的折光率,即将透明剂烘干成膜后剪取合适形状大小,贴于折射仪的测试平台,然后检测得到折光率[5]。

1.3.3 透明剂的应用分析

抄纸：漂白针叶木浆打浆至39oSR,抄造定量40～60 g/m2手抄片，作为原纸，考察透明剂的应用效果。

浸渍：将一定量的透明剂置于专用器皿中,原纸放入透明剂溶液中一定深度进行浸渍,一定时间后取出,用钢丝刮棒除去纸张表面多余的透明剂,在鼓式干燥器上干燥。分别考察透明剂浸渍时间、浸渍温度和透明剂固含量对其应用效果的影响。

原纸和浸渍后的纸张经恒温恒湿处理后,按国家标准方法检测有关指标,分析透明剂应用性能并确定其最佳使用条件。

2 结果与讨论

纸张中除含有的木素和其他物质会降低透明度外,主要组分之间折光系数的差异是影响纸张透明性能的直接因素。表1为纸张常见组成成分的折光系数。

从表1可见，纸张中纤维素纤维折光系数是1.530,与空气折光系数差别较大,光线照射到纸张上时发生折射,导致纸张透明度较低。因此纸张透明度的高低,与纸张中气泡空隙的多少有直接关系。本实验通过用与纤维素纤维折光系数相近的透明剂尽量填充纸张中的气泡空隙来提高纸张的透明度。

表1 纸张常见组成成分的折光系数

2.1 固含量对透明剂应用性能的影响

2.1.1 对透明剂黏度的影响

透明剂黏度将会影响其在浸渍纸张时向纸张内部的浸渍速度。因此,采用黏度计测定了不同固含量的透明剂的黏度值,分析不同固含量的透明剂的黏度值变化,结果如图1所示。

图1 透明剂固含量对黏度的影响

图1表明,随着透明剂固含量的增加,透明剂溶液的黏度随之增大。固含量从10%变化到20%时,上升趋势平缓；固含量从30%变化到50%时,上升幅度较大。综合来看,可以认为透明剂固含量在一定范围内变化时其黏度有所上升,在总体上黏度水平不高。在实际应用时,可以在保证较好浸透性能的基础上适当提高透明剂的固含量,使透明剂中的主剂更多地保留在纸张内部,以利于改善纸张透明度。

2.1.2 对纸张性能的影响

实验制备了不同固含量的透明剂,在相同的条件下(室温25℃；相同浸渍液位；浸渍时间30 s)浸渍处理纸张,考察透明不同剂固含量对浸渍后的纸张透明度及强度等性能的影响,如表2所示。

表2的结果表明,在一定范围内,随着透明剂固含量的提高,透明剂对纸张的有效浸渍量也有所增加,同时纸张的透明度相应地得到改善,但纸张的相关物理强度指标也有所降低。透明剂中的主剂承担使纸张介质均一的任务,随着透明剂固含量的增大,进入纸张空隙中的有效组分增多,使得有效浸渍量增加,孔隙填充率提高,介质更加均一,所以纸张透明度提高值有所增大。

表2 透明剂固含量对纸张性能的影响

此外,自制的透明剂即使在固含量较高(如30%)时,其黏度也仍保持在较低的水平(参考图1),所以,从实验结果来看,透明剂固含量在30%以下时,黏度的变化不会过多地影响透明剂对纸张的浸透性。值得注意的是,在固含量高于20%以后，纸张透明度上升趋势平缓,当固含量高于30%以后,纸张透明度又有所降低,这是因为透明剂固含量越高,黏度也越大,流动性和浸透性都变差,甚至会在纸张表面固化成膜,导致进入纸张的透明剂的有效量减少,纸张透明度降低。因此该浸渍纸张的透明剂固含量以30%为宜。

2.2 浸渍时间对透明剂应用性能的影响

透明剂对纸张的浸渍时间决定了其在纸张内的有效留着率并进而影响纸张的透明度、强度等性能。在其他条件相同的情况下,较长的浸渍时间,液体进入纤维孔隙的量应该就越多,但是纸张纤维网络孔隙的量也是有限的,当浸渍时间足够长,液体填充纤维孔隙会达到或接近饱和,所以再继续延长浸渍时间,也不会增加透明剂的浸渍量。实验在透明剂固含量为30%,浸渍温度为室温时,考察了浸渍时间对纸张透明度、强度等性能的影响。

2.2.1 对纸张透明度的影响

图2所示为浸渍时间对纸张透明度的影响。从图2可以看出,当浸渍时间为5 s时,纸张透明度此时达到了70.6%,纸张透明度比原纸提高34.2个百分点。随着浸渍时间的延长,浸渍时间为60 s时，纸张透明度比原纸提高36.8个百分点,略高于浸渍5 s时的提高值。因此,此时通过继续提高浸渍时间来提高纸张透明度已没有意义。可以认为透明剂具有快速渗透的特点。浸渍时,透明剂可快速进入纸张内部,填充到纤维的孔隙中,在较短时间内使纸张内的透明剂迅速达到或接近饱和,从而有利于实际生产应用。

2.2.2 对纸张强度性能的影响

图3、图4及图5分别为浸渍时间对纸张耐破度、抗张强度及撕裂度的影响曲线。

图3～图5的结果表明,透明剂处理纸张后,在较大幅度提高纸张透明度的同时,对纸张的强度性能有一定的不利影响。浸渍时间对纸张耐破指数和抗张指数的影响趋势一致,浸渍时间为5 s左右时,即在自制透明剂处理纸张的初期,耐破指数和抗张指数的下降幅度较大,而后继续延长浸渍时间,两个物理指标基本上无明显变化。同样,撕裂指数在浸渍前期降低较多,而后略有提高,超过20 s之后基本上变化不大。

透明剂对纸张强度的影响主要体现在浸渍初期,即液体进入纸张时,在较短时间内即对纸张透明度和纤维之间的结合力有较大程度的影响,再继续延长浸渍时间则对纸张强度的影响程度变小；同时,要增加透明剂对纤维之间空隙的填充并最大限度地提高纸张透明度,适当延长透明剂处理时间对提高纸张透明度是有利的。但是综合考虑纸张物理强度的变化,以及延长浸渍时间对生产效率、生产成本、纸机操作等的不利影响等,确定实际生产中最佳浸渍时间为5 s。

图2 浸渍时间对纸张透明度的影响

图3 浸渍时间对纸张耐破指数的影响

图4 浸渍时间对纸张抗张指数的影响

图5 浸渍时间对纸张撕裂指数的影响

2.3 浸渍温度对透明剂应用性能的影响

固定透明剂固含量为30%,浸渍时间为5 s,在25～65℃范围内改变浸渍温度,研究了浸渍温度对透明剂浸渍纸张后纸张透明度、强度等性能的影响。

2.3.1 对透明度的影响

表3和图6分别为浸渍温度对其渗透性和纸张透明度的影响。

表3 浸渍温度对透明剂浸透性能的影响

图6 浸渍温度对纸张透明度的影响

由表3和图6可以看出,在一定范围内,随着浸渍温度的提高,透明剂浸渍纸张后的有效浸渍量和透明度总体上变化不大。随着浸渍温度的提高,纸张透明度提高值变化趋势并不明显,在45℃时,透明度达到70.9%,透明度比原纸提高值34.5个百分点,继续提高浸渍温度,透明度提高值反而略有下降。

理论上,随着温度的升高,透明剂分子运动剧烈,黏度减小,更有利于透明剂较充分地填充纸张空隙,从而提高浸渍量和纸张透明度。但是,实验中发现,随浸渍温度的提高,反而会影响透明剂的浸渍性能。透明剂较易受热挥发,使之变得黏稠而不易流动,阻碍了透明剂有效成分向纸张内部的渗透,导致进入纸张空隙的透明剂有效成分减少。因此温度过高,有效浸渍量和透明度提高不明显或有所降低。

2.3.2 对纸张强度性能的影响

图7～图9分别为浸渍温度对纸张耐破指数、抗张指数及撕裂指数的影响曲线。

图7 浸渍温度对纸张耐破指数的影响

图8 浸渍温度对纸张抗张指数的影响

图9 浸渍温度对纸张撕裂指数的影响

从图7～图9可以看到,浸渍温度对纸张耐破指数、抗张指数和撕裂指数的影响趋势基本相同,即当透明剂的浸渍温度从25℃提高到65℃时,纸张的耐破指数、抗张指数和撕裂指数均呈下降趋势。因此,透明剂的浸渍温度不宜过高。

综合纸张透明度和强度性能等因素,认为可以在35～45℃范围内对纸张进行透明剂浸渍处理较为适宜。

2.4 扫描电镜观察透明剂渗透情况

扫描电镜采用极细的电子束在样品表面扫描,将产生的二次电子用特制的探测器收集,形成电信号运送到显像管,在荧光屏上显示物体[9]。通过扫描电镜可以观察纤维表面形态。

纸样经切片、固定、镀金后,在扫描电子显微镜上观察,图10和图11为原纸、透明纸(经透明剂处理后)的扫描电镜照片。

图10 原纸的扫描电镜照片

图11 透明纸的扫描电镜照片

用扫描电镜对纸样照相,通过对放大500倍和1000倍的观察发现,原纸(图10)纤维表面界限明显,纤维间孔隙较多而且较大。从图11中可以发现,纤维表面明显黏附着油质发亮的物质,纤维直径大于原纸纤维直径,纤维间的孔隙变小且更加模糊,纤维趋向于均匀介质。纤维表面和纤维间能够清晰地看见透明剂存在,说明透明剂在原纸中有较好的留着。如此亦能说明透明剂提高纸张透明度的原因是透明剂黏附在植物纤维上,填充原纸的孔隙或使较大孔隙变小,排走了孔隙中的部分空气,使其介质均一度提高,所以使浸渍透明剂后的原纸透明度提高。

3 结 论

采用自制纸张透明剂浸渍处理纸张,纸张的透明度可以达到70%以上,比原纸提高30个百分点以上。适当提高透明剂固含量有助于纸张透明度的提高,浸渍纸张的透明剂固含量以30%为最佳。透明剂具有快速渗透的效果,最佳浸渍时间为5 s；浸渍温度在35～45℃范围内可有效浸渍纸张,纸张透明度可以达到较好效果。扫描电镜分析表明,透明剂可有效地存留于纸张内部,填充纤维间的孔隙,黏附在纤维表面,使纸张光学介质更加均一。

透明剂浸渍纸张一定程度上会降低纸张的强度性能。随着浸渍时间的延长,纸张强度降低会更加明显,但较短时间的浸渍可以满足某种特种纸张透明度和强度要求。

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(责任编辑：马 忻)

Preparation and Application of Pape Transparent Agent

TIAN Long-gang*GAO Yu-jie GAO Li-min YUAN Xiao-jiao

(Tianjin Key Lab of Pulp & Paper, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin, 300457)

In this paper, the GWT transparent agent was prepared with complex formulation and the properties and applications of the transparent agent were studied in detail. The GWT transparent agent was a pale yellow emulsion with solids content 30% wt, refractive index 1.51 and viscosity 18.8mPa·s at 25℃. The GWT transparent agent could keep a stable property without layering and feculent in a long time under room temperature. The transparency of the paper treated with GWT transparent agent increased by 32.95% compared to the base paper, namely from 38.66% to 71.61%. At the same time, the mechanical strengthes of the paper were decreased. The transparent agent can be permeated into the paper rapidly under room temperature, the optimal permeating time was 5 seconds. The scanning electron microscopy analysis showed that, the transparent agent had a good retention rate in base paper with its adhesive ability to the fiber surface, and also the transparent agent could fill in the interspace beteeen the fibers.

transparent agent; transparency; transparent paper; physical strength

田龙钢先生，在读硕士研究生；主要研究方向：纸用透明剂的研究与开发。

2014- 12- 07(修改稿)

TS727+.2

A

0254- 508X(2015)05- 0023- 05