低黏度瓜爾膠的制備及其增強(qiáng)性能研究:
低黏度瓜爾膠的制備及其增強(qiáng)性能研究,以雙氧水為氧化劑，對羥丙基瓜爾膠進(jìn)行氧化降解， 使其黏度從2390mPa.s降到10mPa.s以下。將降解后的瓜爾膠對 濾嘴棒紙進(jìn)行涂布，研究其增強(qiáng)性能，考察其對紙張抗張指 數(shù)、裂斷長、撕裂度、耐破度和耐折度的影響。得出低黏度瓜 爾膠氧化降解的較佳工藝為：密封，過氧化氫用量為8.6%、反 應(yīng)溫度65°C、反應(yīng)時(shí)間4h。選出效果較優(yōu)的低黏度羥丙基瓜 爾膠，研究涂布濃度和涂布溫度對其增強(qiáng)性能的影響。最后 將制備的低黏度瓜爾膠與改性淀粉對濾嘴棒紙的增強(qiáng)性能 做了比較。
在制漿造紙工業(yè)中瓜爾膠已成為性能優(yōu)越的壞保型助劑，低黏度瓜爾膠的制備及其增強(qiáng)性能研究,但 一直以來主要依靠進(jìn)口，價(jià)格昂貴?，F(xiàn)國內(nèi)已研發(fā)了多種瓜爾膠， 價(jià)格較為便宜，為它的廣泛使用提供了條件。改性瓜爾膠可用作施 膠劑，并具有助留助濾、增強(qiáng)的作用[5]。但由于瓜爾膠黏度較大，不 利于表面涂布，因此其在表面施膠、涂布等領(lǐng)域的應(yīng)用較少。為促 進(jìn)壞保型助劑的發(fā)展，擴(kuò)大瓜爾膠的使用范圍，使其能夠在濾嘴 棒紙領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，本實(shí)驗(yàn)將羥丙基瓜爾膠進(jìn)行氧化降解，利用 雙氧水作為氧化劑以一種低成本、易處理、無殘毒的方法來降低 其黏度，使其用于涂布，實(shí)現(xiàn)對濾嘴棒紙的增強(qiáng)作用。
1材料與方法
i.i主要設(shè)備儀器
NDJ-5S數(shù)字旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)：上海精科；DHG-9123A型電 熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海恒科；JJ -1型精密電動攪拌器：金 壇雙捷；KCC-101型自動涂布機(jī)：IKA; ZSE-1000型紙張撕 裂度測定儀：長春永興；ZZD-25B型紙張耐折度測定儀：長 春小型實(shí)驗(yàn)機(jī)廠TTM-500A型電腦抗張實(shí)驗(yàn)機(jī)：杭州博科； DCP-NPY1200電腦測控紙張耐破度儀：四川長江；ZBK - 100型紙張表面吸收重量測定儀：長春永興。
1.2主要原料和試劑
羥丙基瓜爾膠：無錫金鑫科技有限公司；濾嘴棒紙：青島 天隆紙業(yè)有限公司；雙氧水：30%濃度，分析純，煙臺三和化 學(xué)試劑有限公司；無水乙醇：分析純，煙臺三和化學(xué)試劑有限 公司；氧化淀粉：青州晨鳴變性淀粉有限公司。
1.3低黏度瓜爾膠的制備
將一定量的雙氧水溶液，噴灑在羥丙基瓜爾膠中，攪拌 均勻，密封后放入烘箱中，在特定溫度下反應(yīng)一段時(shí)間，得到 低黏度瓜爾膠粗產(chǎn)品。將其用一定濃度的乙醇溶液進(jìn)行多次 浸泡、洗滌、過濾，干燥、粉碎、過篩后得純化的低黏度瓜爾 膠產(chǎn)品。將其配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為的水溶液，并測定其黏度。
1.4涂布
將制備的低黏度瓜爾膠配成一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液，在全 自動涂布機(jī)器上用刮棒對濾嘴棒原紙進(jìn)行單面一次性涂布。 涂布完成后在105C烘箱中干燥。
1.5紙頁物性檢測
將涂布后的濾嘴棒紙進(jìn)行恒溫恒濕處理后，按照相應(yīng)國 標(biāo)，進(jìn)行抗張指數(shù)、裂斷長、撕裂指數(shù)等機(jī)械強(qiáng)度的測定。
2結(jié)果與討論
2.1反應(yīng)條件對羥丙基瓜爾膠黏度及其增強(qiáng)性能的影響
改變氧化降解反應(yīng)條件，考察雙氧水用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng) 時(shí)間對羥丙基瓜爾膠降解程度的影響，測其1%水溶液的黏度。 并將不同反應(yīng)條件下制得的產(chǎn)品配成8%的溶液，用恒溫磁力攪 拌器攪拌的同時(shí)升溫至60~70"C，并在此條件下攪拌0.5h后在 自動涂布機(jī)上對濾嘴棒紙進(jìn)行涂布，考察不同的反應(yīng)條件對瓜 爾膠增強(qiáng)性能的影響。其中未經(jīng)過瓜爾膠涂布的濾嘴棒紙?jiān)?強(qiáng)度指標(biāo)：抗張指數(shù)5.43N. m/g;裂斷長5.525km;撕裂指數(shù) 14.74mN‘ m2/g;耐破指數(shù)2.31kPa‘ m2/g，耐折度51 次。
雙氧水用量越大，瓜爾膠降解程度越大，其 黏度越低；用于涂布后，對紙張機(jī)械強(qiáng)度的性質(zhì)增強(qiáng)效果越 明顯。相比于未涂布的濾嘴棒紙，降解后的低黏度羥丙基瓜 爾膠用于紙張表面涂布后，紙張物理性質(zhì)有明顯增強(qiáng)。
一般來說，隨著反應(yīng)時(shí)添加的雙氧水用量增大，制得的瓜 爾膠對紙張性能的增強(qiáng)效果越好。其原因是雙氧水用量越大， 降解效果越好，羥丙基瓜爾膠的黏度越低，表面涂布量就越 大，因而增強(qiáng)效果越明顯。耐折指數(shù)隨雙氧水用量的增加先變 大后減小，其可能的原因是涂布量越大，紙張定量較大，反而 會影響其耐折度。涂布后，紙張撕裂指數(shù)增幅較小，由此可見， 低黏度羥丙基瓜爾膠對紙張撕裂度的增強(qiáng)作用并不明顯。
2.1.2反應(yīng)溫度
從表2可以看到，紙張的各項(xiàng)指標(biāo)增長效果隨反應(yīng)時(shí)溫 度升髙先上升后下降，當(dāng)溫度為45C、55C、65C、75C,羥丙 基瓜爾膠顏色由淺黃色漸漸變淺，最終接近于無色。低黏度瓜爾膠的制備及其增強(qiáng)性能研究,但當(dāng)反 應(yīng)溫度為85C時(shí)，羥丙基瓜爾膠顏色變深成為黃褐色，可能是
表1雙氧水用量對瓜爾膠黏度及其增強(qiáng)性能的影響
編過氧化氫黏度抗張指數(shù)裂斷長撕裂指數(shù)耐破指數(shù)耐折
號用量％mPa.sN.m/gkmmN.m2/g kPa.m2/g 度次
#18.63.477.047.18315.253.4580
#26.44.096.936.6515.133.3989
#34.34.756.456.56815.123.3283
#42.15.176.1 26.1 2114.873.1980
#51.16.265.455.7014.993.1579
注：反應(yīng)溫度為65°C、反應(yīng)時(shí)間為4h。過氧化氬用量為所占羥丙基瓜爾
肢絕干質(zhì)量的百分比。
表2反應(yīng)溫度對瓜爾膠黏度及其增強(qiáng)性能的影響
編反應(yīng)溫度黏度抗張指數(shù) 裂斷長 撕裂指數(shù)耐破指數(shù)耐折
號CmPa.sN.m/gkmmN.m2/g kPa.m2/g 度次
#1457.025.835.75915.043.1076
#2555.115.925.78815.783.2388
#3653.477.047.18315.953.4580
#4753.035.555.90415.202.9078
#585變質(zhì)-----
注：過氧化氬用量為8.6%，反應(yīng)時(shí)間為4h。
表3反應(yīng)時(shí)間對瓜爾膠黏度及其涂布性能的影響
編反應(yīng)時(shí)間黏度抗張指數(shù) 裂斷長 撕裂指數(shù)耐破指數(shù)耐折
號hmPa.sN.m/gkmmN.m2/g kPa.m2/g 度次
#143.477.047.18315.953.4580
#235.776.366.52415.243.1577
#327.876.1 96.33014.903.1378
#419.296.1 96.53614.313.0471
#50.521.9-----
注：反應(yīng)溫度為65^、過氧化氬用量8.6%。
別的是對裂斷長來說，在涂布濃度為6%、涂布溫度為50C時(shí)，增 強(qiáng)效果最佳，與抗張指數(shù)的最佳涂布條件在溫度上稍有差別。
圖3與圖1、圖2比較，涂布溫度對紙張各項(xiàng)物理性質(zhì)的影響 有較大的相似度。耐破指數(shù)也隨涂布溫度升髙先增加后降低。但 是涂布濃度對紙張機(jī)械性能的影響有所不同，涂布濃度越髙，紙 張的耐破指數(shù)也越髙。耐破指數(shù)在涂布溫度60C、涂布濃度8%時(shí) 達(dá)到最大值。由此可見，低黏度瓜爾膠的制備及其增強(qiáng)性能研究,涂布濃度對每一項(xiàng)機(jī)械性能的影響不盡 相同，對不同機(jī)械性質(zhì)存在最適合的涂布溫度和涂布濃度。
由圖4可以看出，紙張的撕裂指數(shù)與前面其它物理性質(zhì)
40'~50'~60'~70
涂布溫度。C
5 4 3 2 1 0 6.6.6.6.6.6.6.5.
I-z is
304050607080
涂布溫度。 C
髙溫導(dǎo)致了瓜爾膠過熱變質(zhì)。
由表2可知，雖然溫度越髙，氧化降解程度越髙，制得的 瓜爾膠黏度越低，但是溫度超過一定范圍后，其對紙張?jiān)鰪?qiáng) 效果卻下降。原因可能是髙溫導(dǎo)致瓜爾膠結(jié)構(gòu)改變，失去了 其應(yīng)有的性質(zhì)，因此涂布后效果變差。
2.1.3反應(yīng)時(shí)間
從表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，反應(yīng)時(shí)間越長，瓜爾膠降解的 程度越大，黏度也越低，涂布后效果越好。跟未涂布的原紙相 比，各項(xiàng)強(qiáng)度性質(zhì)都得到提升。在反應(yīng)時(shí)間只有〇.5h時(shí)，瓜爾 膠氧化降解不充分，其8%溶液黏度非常大，難以涂布。
綜合考慮雙氧水用量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對瓜爾膠降 解程度的影響，及其各樣品用于表面涂布后對紙張強(qiáng)度性能 的增強(qiáng)效果比較，可以得到在過氧化用量為8.6%、反應(yīng)溫度 65C、反應(yīng)時(shí)間4h的條件下制備的低黏度羥丙基瓜爾膠涂布 后增強(qiáng)效果最好。以在此條件下得到的產(chǎn)物再進(jìn)行接下來的 實(shí)驗(yàn)，探究涂布中影響紙張?jiān)鰪?qiáng)性能的其它因素。
2.2涂布條件對瓜爾膠增強(qiáng)性能的影響
探討了涂布溫度及低黏度瓜爾膠涂布濃度對濾嘴棒紙 強(qiáng)度的影響。其中涂布溫度為30*C、40*C、50*C、60*C、70-C、 80C;涂布濃度為2%、4%、6%、8%的瓜爾膠水溶液。將涂布 后的濾嘴棒紙進(jìn)行干燥、恒溫恒濕處理后，進(jìn)行抗張指數(shù)、 裂斷長、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)、耐折度的測定。
由圖1可知，同一涂布濃度下，隨著涂布溫度的升髙，紙 張的強(qiáng)度先升髙后降低?？傮w來說，涂布溫度50~60C的增 強(qiáng)效果較好。溫度越髙，瓜爾膠黏度越小，流動性越好。流動 性太小，可能造成涂布不均勻，因而影響涂布質(zhì)量；另外低溫 下溶脹不充分，瓜爾膠跟紙張纖維接觸不夠緊密，且黏度較 髙，導(dǎo)致不能有效地滲透到纖維之間，因而涂布效果不佳。而 溫度過髙，雖然瓜爾膠流動性能得到改善，易于涂布，但是髙 溫會破壞瓜爾膠結(jié)構(gòu)，使瓜爾膠失去其本來的效果。
在涂布濃度為4%和6%時(shí)，溫度對涂布后抗張指數(shù)的影 響最大。而在同一溫度下，隨著涂布濃度的增加，抗張指數(shù)也 是先升髙再下降，在涂布濃度為6%時(shí)，低黏度瓜爾膠的制備及其增強(qiáng)性能研究,抗張指數(shù)最髙。瓜爾 膠濃度低時(shí)，增強(qiáng)效果不明顯，隨濃度升髙，抗張指數(shù)逐漸增 加。但到一定濃度后，瓜爾膠流動性能降低，不利于表面涂布 和涂料向紙頁滲透，因而抗張指數(shù)反而下降。在涂布溫度為 70C,涂布濃度為4%時(shí)，濾嘴棒紙抗張指數(shù)最大。
從圖2可以看出，裂斷長和抗張指數(shù)隨涂布濃度及涂布溫度 的變化趨勢相似，都隨濃度和溫度的升髙，裂斷長數(shù)值先升髙 再降低。裂斷長和抗張指數(shù)都可以用來表示紙張的抗張強(qiáng)度性 質(zhì)。形成這現(xiàn)象的原因與抗張指數(shù)趨勢所形成的原因類似。
隨涂布濃度的升髙，撕裂指數(shù)先升髙后降低，但是涂布 溫度對撕裂指數(shù)的影響較小。對撕裂指數(shù)來說，最佳涂布濃 度是6%,雖然溫度對撕裂指數(shù)影響不大，但是綜合其他幾個(gè) 指標(biāo)來看，涂布溫度仍選擇60°C為佳。
從圖5可以看出，涂布后濾嘴棒紙的耐折度隨溫度的升 髙先增加再降低，而隨涂布濃度的升髙而升髙。在濃度為 8%、溫度為60C下進(jìn)行涂布，紙張的耐折度達(dá)到最大值。其 變化趨勢與耐破指數(shù)相似。
綜上各圖，針對不同的機(jī)械性能，最佳表面涂布溫度和涂 布用瓜爾膠濃度不盡相同。但總體而言，所制備的低黏度瓜爾 膠產(chǎn)品最佳涂布溫度范圍為50~60C,最佳涂布濃度范圍為4% ~8%,根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)對紙張機(jī)械性質(zhì)的要求來選擇不同的濃度
圖5涂布溫度和濃度對紙張耐折度的影響 表4不同涂料對濾嘴棒紙強(qiáng)度的影響
涂料類型裂斷長耐破指數(shù)撕裂指數(shù)耐折度 km kPa.m2/g mN.m2/g 次
低黏度羥丙基瓜爾膠6.3003.3915.0793
磷酸酯淀粉6.0902.7314.9947
接枝淀粉與磷酸酯淀粉復(fù)配5.0503.0215.0292
氧化淀粉3.7202.9414.7754
16肀竿取貧第33卷第2期2〇12年1月
及溫度，以達(dá)到不同的增強(qiáng)目的。瓜爾膠的流動性能和涂布量 是影響涂布后紙張強(qiáng)度性質(zhì)的主要因素。在氧化降低瓜爾膠的 黏度，以保證它能更好地滲透時(shí)，要盡可能少地破壞瓜爾膠的結(jié) 構(gòu)以保證它能更好地與纖維結(jié)合，以求獲得更好的紙張強(qiáng)度。 2.3低黏度瓜爾膠與改性淀粉對濾嘴棒紙?jiān)鰪?qiáng)性能的比較 將制備的低黏度瓜爾膠產(chǎn)品與磷酸酯淀粉（實(shí)驗(yàn)室自 制）、接枝淀粉（實(shí)驗(yàn)室自制）及氧化淀粉（市售）對濾嘴棒紙 進(jìn)行涂布，并比較其增強(qiáng)性能。
從表4可以看出，相比于其他產(chǎn)品，低黏度瓜爾膠的制備及其增強(qiáng)性能研究,本實(shí)驗(yàn)制得的低黏度 羥丙基瓜爾膠的增強(qiáng)作用較好。裂斷長達(dá)到6.300km,耐折 度明顯髙于磷酸酯淀粉和氧化淀粉。研究發(fā)現(xiàn)接枝淀粉與磷 酸酯淀粉進(jìn)行復(fù)配的效果優(yōu)于其分別單獨(dú)使用的增強(qiáng)效果。
3結(jié)論
3.1氧化降解羥丙基瓜爾膠的較佳工藝為：過氧化氫用量為 瓜爾膠質(zhì)量的8.6%,反應(yīng)溫度為65C,反應(yīng)時(shí)間為4h,密封反 應(yīng)。使得其1%水溶液黏度從2390mPa. s降到3.47mPa. s。
3.2低黏度羥丙基瓜爾膠對濾嘴棒紙的涂布較佳工藝條件 為：涂布溫度50-60C,涂布濃度為6%~8%,增強(qiáng)效果最佳， 其中抗張指數(shù)增長29.7%,裂斷長增長30.0%,撕裂指數(shù)增長 3.5%,耐破指數(shù)增長49.4%,耐折度增長56.9%。
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