磁性粒子粒径和填充度对磁性纸性能的影响

杨 欣 龙 柱

(1.金东纸业 (江苏)股份有限公司，江苏 镇江，212132;2.江南大学纺织服装学院，江苏 无锡，214122;3.江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡，214122)

磁性纸就是在浆料里添加磁性材料或在原纸上涂一层磁性材料而制得的具有磁性能的功能纸。除了具备其他磁性记录介质的功能外，还具有隐蔽性，可直接在纸张上面印刷。广泛应用在防伪行业、信息记录、医疗保健和农业等领域，如在磁性纸张上印刷图文后制作高级证券纸、高级电脑磁性识别防伪标签纸;在磁性纸上印刷户外广告，可以直接粘附在铁器物质表面上，无需胶黏剂，可以节约资源、保护环境;由于一些细菌在磁性场作用下不易生长，磁性纸也可以用于食物防腐保鲜，如Trebor包装公司推出的蔬菜磁性保鲜包装纸，就是充气包装技术与先进的磁性纸包装技术的结合使用[1-3］。

磁性纸在美国和日本的研究较早，有关磁性纸的填充方面的研究逐渐成熟，我国的江南大学、华南理工大学、天津科技大学等科研机构对此也有所研究。常用的磁性粒子有Fe2O3、Fe3O4、CrO2和钡氧铁磁体等。在磁性中填充的磁性粒子常用Fe3O4。

细胞腔填充磁性纸是在纸浆纤维细胞腔内填充磁性粒子，形成湿纸幅后充磁，再干燥成磁性纸，可广泛应用在防伪行业、信息记录、电磁波屏蔽、医疗保健等领域[1-5］。目前在美国和日本已经使用红麻浆来研究这类磁性纸的实验室工艺，由于纤维细胞腔的内径比较小，如何提高纤维细胞腔的填充度一直是研究的热点之一。只有提高填充在细胞腔内的磁性粒子的密度，才能更深层次地开拓磁性纸的使用价值。国内外研究者[6-12］分别在不同纸浆纤维中填充磁性粒子，取得了一定的效果。

针叶木浆纤维的强度较其他种类造纸纤维的强度高，孔径大[12］，是细胞腔法制磁性纸材料的首选。本实验旨在探讨磁性粒子的粒径和填充度对磁性纸性能的影响。

1 实验

1.1 实验材料和仪器

进口针叶木浆，打浆至游离度 (CSF)710 mL;Fe3O4，分析纯，粒径≤5 μm，纯度≥98%，外购;硫酸铝，分析纯;聚乙烯亚胺 (PEI)，相对分子质量60000，Sigma公司。

S312-250H高速搅拌器，上海申生科技有限公司;ZQJ1-B-Ⅱ纸样抄取器，陕西科技大学机械厂制造;Quanta-200电子显微镜，荷兰 Fei公司生产。

纸张抗张强度、耐破度和耐折度均按国家有关标准方法进行测定。

1.2 磁性粒子填充实验方法

将磁性粒子Fe3O4分散在Al2(SO4)3水溶液中，经过搅拌制备成填料悬浮液，另取针叶木浆分散于另一相同浓度 Al2(SO4)3水溶液中，在转速为2500 r/min的实验室搅拌器下解离30 min后，向其中加入已经制备好的Fe3O4悬浮液并高速搅拌一定时间，磁性粒子Fe3O4进入纤维细胞腔，并有一部分附着在纤维表面。然后，向浆液中添加PEI，在低搅拌速度 (600 r/min)下处理浆料数小时。处理后，在纤维筛分仪 (325目筛网)流水剧烈冲洗填充后的纸浆纤维表面，以便冲洗掉纤维表面多余的Fe3O4填料，然后用纸样抄取器抄片。

1.3 填充度测量

纸样在105℃下干燥12 h，然后在900℃高温下灼烧4 h，测定灰分含量，用灰分含量表征细胞腔的填充度。

1.4 磁性能分析

磁特性通过EV5振荡样品磁强计(VSM，ADE Corp)进行检测。放置在支架上的纸样垂直振动，纸样的磁性偶极子在一对线圈里感应出一个AC信号[13］。

2 结果与讨论

2.1 填充不同粒径磁性粒子磁性纸的磁性能

饱和磁强度Ms是将磁性粒子达到最大的磁饱和强度时外磁场需要施加的磁场强度;剩余磁饱和强度Mr为外界磁场撤销后，磁性纸所保留的磁场强度;矫顽力Hc是将磁性纸的磁性消除需要施加的反向磁场的强度。

填充不同粒径的磁性粒子与磁性纸的填充度和磁性能的关系如表1所示。

表1 不同粒径的磁性粒子与磁性纸填充度和磁性能的关系

从表1可以看出，磁性粒子的粒径对磁性纸的磁性能影响非常大，1#磁性粒子的粒径最小，其磁性纸的填充度、饱和磁强度Ms和剩余磁饱和强度Mr都最大，说明磁性粒子的粒径越小，越有利于填充，到达纤维细胞腔内的磁性粒子数量越多，填充度也越高;3#磁性粒子的粒径最大，填充到纤维细胞腔中的量最少，但是矫顽力Hc最大，是由于矫顽力与填充的磁性粒子的种类、粒径有关;2#的剩磁比最大，即外界磁场消失后，它所保留的磁性最强。因此，需要根据磁性材料的用途，来选择合适的粒子粒径。

2.2 不同填充度磁性纸的磁性能

通过改变不同的工艺条件，使磁性纸内的相同粒径磁性粒子的填充度 (灰分含量)分别达到10%、11%、12%、13%、16%、17%。不同填充度的磁性纸的磁性能见表2。

从表2可以看出，采用相同粒径的磁性粒子，磁性纸磁饱和强度Ms和剩余磁饱和强度Mr随填充度的增加而增加，填充度从10%增加到17%，磁饱和强度Ms和剩余磁饱和强度Mr分别从7.92 emu/g和1.10 emu/g增加到10.97 emu/g和1.57 emu/g，说明这两种磁性强度指标和填充在纤维细胞腔内的密集程度有关;矫顽力Hc的大小基本上不受填充度的影响，保持在148 oe左右 (同种磁性粒子相同粒径的矫顽力相同)。

表2 相同粒径不同填充度磁性纸的磁性能

图1 填充前的纸张

图2 填充后的纸张

图3 填充度对纸张强度的影响

2.3 填充度对磁性纸物理强度的影响

图1和图2分别是填充磁性粒子前后纸张截面的电镜照片。从图2可以看出，填充后仍有部分磁性粒子黏附在纤维表面，降低了纤维间的氢键结合，造成纸张抗张指数、耐破指数和耐折度不同程度的下降。

图3所示为填充度对纸张强度的影响。从图3可以看出，与原纸的物理强度相比，填充磁性粒子后的纸样抗张指数缓慢下降，耐破指数降低的幅度不大，耐折度有一定程度的下降，这是由于冲洗阶段流失的细小纤维以及长纤维分丝帚化处残留的磁性粒子造成物理强度下降的综合表现。

3 结论

实验研究了磁性粒子粒径和填充度对磁性纸性能的影响。

3.1 小粒径的磁性粒子更容易填充到纤维细胞腔中，而磁性纸的矫顽力与磁性粒子的粒径有关，粒径越小，矫顽力也相应减小。

3.2 对于填充同种类的磁性粒子，磁性纸的磁饱和强度和剩余磁饱和强度与填充度有关。

3.3 填充磁性粒子后的磁性纸物理强度低于原纸，尤其是耐折度降低程度最大。

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