瓜爾膠雖是已知的水溶性最好的天然高分子化 合物之一，但具有溶解速度慢、水不溶物含量高和黏 度不易控制等缺點(diǎn)，使得它難以滿足工業(yè)應(yīng)用的要 求，因此需要進(jìn)行改性，如酯化、醚化等，以擴(kuò)大其應(yīng) 用范圍[w]。為了降低瓜爾膠的水不溶物含量，加快 其水合速度，改善其耐鹽、耐剪切性能，需要對其進(jìn) 行化學(xué)改性。通常的方法是對其進(jìn)行官能團(tuán)的衍生 化。衍生化的方法有很多，根據(jù)取代基與瓜爾膠成鍵 的方式可分為醚化、氧化以及酯化瓜爾膠等;根據(jù)取 代基電荷種類的不同又可分為非離子、陽離子、陰離 子和兩性瓜爾膠等[54]。

瓜爾膠在制漿造紙工業(yè)中已成為性能優(yōu)越的環(huán) 保型助劑，但一直以來主要依靠進(jìn)口，價(jià)格昂貴。 現(xiàn)國內(nèi)已研發(fā)出了多種瓜爾膠，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。但由于瓜爾膠黏度較 大，不利于表面施膠，因此其在表面施膠等領(lǐng)域的應(yīng) 用較少。

本文對羥丙基瓜爾膠進(jìn)行的研磨粉碎和氧化降 解，降低其黏度，制備了納米改性羥丙基瓜爾膠[9_wl， 將其用于濾嘴棒紙的表面施膠，并探討了表面施膠后 紙張的增強(qiáng)效果。

羥丙基瓜爾膠，無錫金鑫科技有限公司；濾嘴棒 原紙，青島天隆紙業(yè)有限公司；雙氧水，煙臺(tái)三和化 學(xué)試劑有限公司。

1.2儀器

XQM變頻行星式球磨機(jī)，南京大冉科技有限公 司;NDJ-5S數(shù)字式旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有 限公司;DHG-9123A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海一 恒科學(xué)儀器有限公司;Z0Z-2型電熱恒溫干燥箱，天 津市泰斯特伩器有限公司;CL*2型恒溫加熱磁力攪 拌器，鞏義市英峪高科儀器廠;JJ-1型精密增力電動(dòng) 攪拌器，金壇市雙捷實(shí)驗(yàn)伩器廠;DZD-15型定距切紙 刀，長春市永興試驗(yàn)儀器制造有限責(zé)任公司； DLD-100定量取樣刀，長春市永興試驗(yàn)儀器制造有限 責(zé)任公司;KCC-101型自動(dòng)表面施膠機(jī)，德國IKA公 司;ZSE-1000型紙張撕裂度測定儀，長春市永興試驗(yàn) 伩器制造有限責(zé)任公司;ZZD-25B型紙張酎折度測定 儀，長春月明小型試驗(yàn)機(jī)有限責(zé)任公司；TTM-500A 型電腦抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)，杭州輕通博科自動(dòng)化技術(shù)有限 公司；DCP-NPY 1200紙張耐破度儀，四川長江造紙 儀器有限責(zé)任公司;ZBK-100型紙張表面吸收重量測 定儀，長春市永興試驗(yàn)儀器制造有限責(zé)任公司。

1*3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1納米改性羥丙基瓜爾膠的制備

將球磨機(jī)研磨粉碎10 h后的羥丙基瓜爾膠倒入 燒杯中，取適量雙氧水，以噴霧的形式噴入羥丙基瓜 爾膠中，攪拌均勻。將混合物密封，放入一定溫度的 烘箱中恒溫反應(yīng)到規(guī)定時(shí)間，洗滌，過濾，干燥，粉 碎，過篩待用。

1.3.2納米改性羥丙基瓜爾膠的黏度測定

稱取247.5 g蒸餾水于250 mL燒杯中，在攪拌 的條件下慢慢加入2.5 g羥丙基瓜爾膠。當(dāng)瓜爾膠完 全加入水中后開始計(jì)時(shí)，攪拌0.5 h后，停止攪拌，靜 置0.5 h;然后再攪拌0.5 h再靜置0.5 h，用NDJ-5S 型數(shù)字旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測定溶液的黏度。

1.3.3表面施股

將制備的納米改性羥丙基瓜爾膠配制成一定質(zhì) 量分?jǐn)?shù)的溶液，在全自動(dòng)表面施膠機(jī)上用刮棒對濾 嘴棒原紙進(jìn)行單面一次性表面施膠。表面施膠完 成后在105 烘箱中干燥。

1.3.4紙張物理性質(zhì)的測定

將表面施膠后的濾嘴棒紙進(jìn)行恒溫恒濕處理并 按照相應(yīng)國標(biāo)，進(jìn)行抗張指數(shù)、裂斷長、撕裂指數(shù)、耐 破指數(shù)和耐折度等機(jī)械強(qiáng)度的測定[11]。

2結(jié)果與討論

將羥丙基瓜爾膠在球磨機(jī)中研磨、粉碎后，采用 氧化降解法制備納米改性羥丙基瓜爾膠:雙氧水用 量為瓜爾膠質(zhì)量的8.6%，反應(yīng)溫度為65丈，反應(yīng)時(shí) 間為4 h，密封反應(yīng)，使得其1%水溶液黏度從2 390 mPa.s 降到 3.47 mPa.s，粒徑為 275.7 nm。

2.1反應(yīng)條件對納米改性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)溫度和反應(yīng)時(shí)間對羥丙基瓜爾膠降解程度的影 響，測其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的水溶液黏度，并將不同反 應(yīng)條件下制得的產(chǎn)品配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的溶 液，用恒溫磁力攪拌器攪拌的同時(shí)升溫至60?70丈， 并在此條件下攪拌0.5 h后在自動(dòng)表面施膠機(jī)上 對濾嘴棒原紙進(jìn)行表面施膠，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 表面施膠的濾嘴棒原紙強(qiáng)度指標(biāo)分別為：抗張指 數(shù)5.43 N.m/g;裂斷長5.525 km;撕裂指數(shù)14.74 mN*m2/g;耐破指數(shù)2.31 kPa*m2/g，耐折度51次。 2.1.1雙氧水用量對羥丙基瓜爾股黏度及其增強(qiáng) 性能的影響

在反應(yīng)溫度為65尤，反應(yīng)時(shí)間為4 h的條件下， 研究了雙氧水用量對羥丙基瓜爾膠黏度及其增強(qiáng) 性能的影響，結(jié)果見表1。

表1雙氣水用量對羥丙基瓜爾膠黏度及其增強(qiáng)性 能的影響

w(雙氧水用量)/%

8.66.44.32.11,1

黏度/(mPa*s)3.474.094.755.176.26

抗張指數(shù)/(N*m*g_1)7.046.936.456.125.45

裂斷長7km7.1836.6506.5686.1215.70

撕裂指數(shù)15.2515.1315.1214.8714.99

耐破指數(shù)/(kPa*m2〇3.453.393.323.193.15

耐折度/次8089838079

由表1可知，雙氧水用量越大，羥丙基瓜爾膠 降解程度越大，其黏度越低，用于表面施膠后，對紙 張機(jī)械強(qiáng)度的性質(zhì)增強(qiáng)效果越明顯。從表1可以看 出，相比于未表面施膠的濾嘴棒原紙，降解后的低 黏度羥丙基瓜爾膠用于紙張表面施膠后，紙張物理 性質(zhì)有明顯增強(qiáng)。

一般來說，隨著反應(yīng)時(shí)雙氧水用量的增大，制 得的羥丙基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，表面施膠量就越大，因而增強(qiáng)效 果越明顯。耐折度隨雙氧水用量的增加先變大、后 減小，其可能的原因是表面施膠量越大，紙張定量 較大，反而會(huì)影響其耐折度。表面施膠后，紙張撕裂 指數(shù)增幅較小，由此可見，納米改性羥丙基瓜爾膠 對紙張撕裂指數(shù)的增強(qiáng)作用并不明顯。

2.1.2反應(yīng)溫度對羥丙基瓜爾膠黏度及其增強(qiáng)性 能的影響

在雙氧水用量為8.6%,反應(yīng)時(shí)間為4 h的條件 下，研究了反應(yīng)溫度對羥丙基瓜爾膠黏度及其增強(qiáng) 性能的影響，結(jié)果見表2。

表2反應(yīng)溫度對羥丙基瓜爾膠黏度及其增強(qiáng)性能 的影響

反應(yīng)溫度/•<：

4555 65 7585

黏度/<mPa，8)7.025.113.473.03 變質(zhì)

抗張指數(shù)5.835.927.045.55 -

裂斷長/km5.7595.7887.1835.904 -

撕裂指數(shù)/(mN*m2*g-〇15.0415.7815.9515.20 -

耐破指數(shù)/(IdW.g，1)3.103.233.452.90 -

酎折度/次76888078 -

從表2可以看到，紙張?jiān)鰪?qiáng)的各項(xiàng)指標(biāo)隨反應(yīng) 溫度升高先上升、后下降：當(dāng)溫度為45、55、65和75 t逐漸提高時(shí)，羥丙基瓜爾膠顏色由淺黃色漸漸變 淺，最終接近于無色。但當(dāng)反應(yīng)溫度為85丈時(shí)，羥 丙基瓜爾膠顏色變深成為黃褐色，可能是高溫導(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 高，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。原因可能是高溫 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 表面施膠后效果變差。

2.1.3反應(yīng)時(shí)間對羥丙基瓜爾膠黏度及其增強(qiáng)性 能的影響

在反應(yīng)溫度為65丈，雙氧水用量為8.6%的條 件下，研究了反應(yīng)時(shí)間對羥丙基瓜爾膠黏度及其增 強(qiáng)性能的影響，結(jié)果見表3。

從表3可知，反應(yīng)時(shí)間越長，瓜爾膠降解的程 度越大，黏度也越低，表面施膠后效果越好。與未 表面施膠的原紙相比，紙張各項(xiàng)強(qiáng)度性質(zhì)都得到提 升。在反應(yīng)時(shí)間只有0.5 h時(shí)，瓜爾膠氧化降解不 充分，其8%溶液黏度非常大，難以表面施膠。

表3反應(yīng)時(shí)間對羥丙基瓜爾膠黏度及其表面施膠

性能的影響

反應(yīng)時(shí)間辦

43210.5

黏 S/(mPa-s)3.475.777,879.2921.9

抗張指數(shù)/(N喻7.046366.196.19-

裂斷長/km7.1836.5246.3306.536-

撕裂指數(shù)/(mNWf1)15.9515.2414.9014.31-

射破指數(shù)/(kPa‘in2V)3.453.153.133.04一

酎折度/次80777871-

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施膠 后對紙張強(qiáng)度性能的增強(qiáng)效果比較，知道在雙氧水 用量為8.6%、反應(yīng)溫度65 和反應(yīng)時(shí)間4 h的條 件下得到的低黏度羥丙基瓜爾膠表面施膠后紙張 增強(qiáng)效果最好。

采用以上述條件下制得的產(chǎn)品進(jìn)行接下來的 實(shí)驗(yàn)，探究表面施膠中影響紙張?jiān)鰪?qiáng)性能的其他

因素。

2.2表面施膠條件對納米改性羥丙基瓜爾膠增強(qiáng) 性能的影響

探討了表面施膠時(shí)的溫度和瓜爾膠濃度對紙 張強(qiáng)度的影響。比較了表面施膠溫度及其低黏度瓜 爾膠表面施膠濃度對濾嘴棒紙強(qiáng)度的影響。其中表 面施膠溫度分別為30、40、50、60、70和80尤；表面 施膠用瓜爾膠水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%、4%、 6%和8%。將表面施膠后的濾嘴棒紙干燥、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)和耐折度的測定。

2.2.1表面施膠條件對抗張指數(shù)的影響

表面施膠時(shí)的溫度和瓜爾膠濃度對紙張抗張 指數(shù)的影響見圖1。

由圖1可知，同一表面施膠濃度下，隨著表面施 膠溫度的升高，紙張的強(qiáng)度先升高、后降低。總體來 說，表面施膠溫度為50?60弋時(shí)的增強(qiáng)效果較好。 溫度越高，瓜爾膠黏度越小，流動(dòng)性越好。流動(dòng)性太 小，可能造成表面施膠不均勻，因而影響表面施膠質(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，且黏度較高，導(dǎo)致不能有效地滲透到纖維 之間，因而表面施膠效果不佳。而溫度過高，雖然瓜 爾膠流動(dòng)性能得到改善，易于表面施膠，但是高溫會(huì) 破壞瓜爾膠結(jié)構(gòu)，使瓜爾膠失去其本來的作用。

在瓜爾膠水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和6%時(shí)，溫 

指數(shù)趨勢所形成的原因類似。有區(qū)別的是對裂斷長 來說，在瓜爾膠水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、表面施膠溫 度為50 ^時(shí)，增強(qiáng)效果最佳，增長了 30.0%,與抗張 指數(shù)的最佳表面施膠條件在溫度上稍有差別。

而在同一溫 度下，隨著瓜爾膠濃度的增加，抗張指數(shù)也是先升 高、再下降，在瓜爾膠水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，抗 張指數(shù)最高。瓜爾膠濃度低時(shí)，增強(qiáng)效果不明顯，隨 濃度升高，抗張指數(shù)逐漸增加。但到一定濃度后，瓜 爾膠流動(dòng)性能降低，不利于表面施膠和涂料向紙頁 滲透，因而抗張指數(shù)反而下降。在表面施膠溫度為 60 "€、瓜爾膠水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，濾嘴棒紙的 抗張指數(shù)增長了 29.7%。

2.2.2表面施肢條件對裂斷長的影響

表面施膠時(shí)的溫度和瓜爾膠濃度對紙張裂斷 長的影響見圖2。

6.8 ■

6.6¬6.4 -一

_304050607080

表面施膠溫度

圖2表面施膠時(shí)的溫度和瓜爾膠濃度對紙張 裂斷長的影響

從圖2可以看出來，裂斷長隨表面施膠用瓜爾 膠濃度及表面施膠溫度的變化趨勢和抗張指數(shù)相 似，都隨瓜爾膠濃度和溫度的升高，裂斷長數(shù)值先 升高、后降低。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)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因與抗張

_304050607080

表面施膠溫度/t

圖3表面施膠時(shí)的溫度和瓜爾膠濃度對紙張 耐破指數(shù)的影響

將圖3與圖1和圖2比較可以看出，表面施膠 的溫度對紙張各項(xiàng)物理性質(zhì)的影響有較大的相似 度，耐破指數(shù)同樣隨表面施膠溫度升髙先增加、后 降低。但是表面施膠用瓜爾膠濃度對紙張機(jī)械性能 的影響有所不同，從圖3來看，瓜爾膠濃度越大，紙 張的耐破指數(shù)也越高。耐破指數(shù)在表面施膠溫度 60丈、瓜爾膠水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)達(dá)到最高值， 耐破指數(shù)增長了 49.4%。由此可見，表面施膠的瓜爾 膠濃度對每一項(xiàng)機(jī)械性能的影響不盡相同。

2.2.4表面施膠條件對撕裂指數(shù)的影響

表面施膠時(shí)的溫度和瓜爾膠濃度對紙張撕裂 指數(shù)的影響見圖4。

由圖4可以看出，紙張的撕裂指數(shù)和前面幾個(gè) 物理性質(zhì)一樣，隨表面施膠用瓜爾膠濃度的增加，撕 裂指數(shù)先升高、后降低，但是表面施膠時(shí)的溫度對撕 裂指數(shù)的影響較小。對撕裂指數(shù)來說，最佳表面施膠 的瓜爾膠水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)是5%，雖然溫度對撕裂指 數(shù)影響不大，撕裂指數(shù)只增長了 3.5%,但是綜合其 他幾個(gè)指標(biāo)來看，表面施膠溫度仍選擇60丈為佳。 2.2.5表面施肢條件對耐折度的影響表面施膠時(shí)的溫度和瓜爾膠濃度對紙張耐折 度的影響見圖5。

針對不同的機(jī)械性能，最佳表面施膠溫度和表 面施膠用瓜爾膠濃度不盡相同。總體而言，所制備的 低黏度瓜爾膠產(chǎn)品最佳表面施膠溫度范圍為50? 60丈，最佳瓜爾膠水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%?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 濃度及溫度，以達(dá)到不同的增強(qiáng)目的。瓜爾膠的流 動(dòng)性能和表面施膠用量是影響表面施膠后紙張強(qiáng) 度性質(zhì)的主要因素。在氧化降低瓜爾膠的黏度時(shí)以 保證它能更好地滲透，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。

3結(jié)論

(1)羥丙基瓜爾膠經(jīng)球磨機(jī)研磨10 h后，將其 氧化降解。采用雙氧水用量為瓜爾膠質(zhì)量的8.6%，反 應(yīng)溫度為65丈，反應(yīng)時(shí)間為4 h,密封反應(yīng)。制得的納 米改性羥丙基瓜爾膠粒徑為275.7 run,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1%的水溶液黏度從2 390 nJVs降到3.47 mIVs。

(2)納米改性羥丙基瓜爾膠對濾嘴棒原紙的 表面施膠的較佳工藝條件為：表面施膠溫度50?60

瓜爾膠水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%?8%。此工藝條 件下對紙張施膠的增強(qiáng)效果較好，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%,耐折指數(shù)增長56.9%。