平 清 偉, 李 海 洋, 黃 寶 鋒, 朝 苗 益 實
( 1.大連工業(yè)大學(xué) 遼寧省制漿造紙重點實驗室, 遼寧 大連 116034;2.日本沖電氣工業(yè)株式會社 日本媒體實驗室, 高崎 370-8585 )
激光打印紙是用于激光打印機的紙張,有出色的打印質(zhì)量,其性能高于普通復(fù)印紙,是辦公用紙最大的一部分。彩色激光打印機是低成本、高效率的優(yōu)質(zhì)彩色打印輸出設(shè)備。近年來,彩色激光打印機的市場需求呈現(xiàn)爆發(fā)性的增長,也促使彩色激光打印紙的市場需求量不斷加大。目前,這種紙張的生產(chǎn)技術(shù)主要掌握在日本、美國等國家,且均用化學(xué)木漿制造,成本較高。本文對彩色激光打印紙進行成分剖析,確定其制漿、抄紙工藝,并用針葉木漿、葦漿、紅麻全稈配比抄造出新型激光彩色打印原紙,可以降低打印機用紙成本,節(jié)約木材用量。
主要原料及藥品:彩色激光打印紙樣紙;氨水、草酸銨、鹽酸、濃硫酸、四氯化碳、乙醇為分析純試劑;沉淀碳酸鈣、陽離子淀粉、AKD、PAE為市售工業(yè)級產(chǎn)品。
主要實驗儀器:電子顯微鏡,XSP-11CE/XSP-11CZ,上海長方光學(xué)儀器有限公司;紅外光譜分析儀,GC-9A型,日本島津制作所。
1.2.1 樣紙剖析
格拉夫C染色劑染色:分離的樣紙,格拉夫C染色劑染色后,在電子顯微鏡下觀察漿料色澤、纖維形態(tài)、測量纖維長和寬度。
樣紙所含有機物添加劑分析:用有機溶劑抽提樣紙,然后對抽提物做紅外光譜分析,通過所得的特征峰推斷可能含有的基團,從而推測紙中所含的有機物[1]。
樣紙所含無機物添加劑分析:按GB/T 2679.12—1993所規(guī)定的方法灼燒樣紙,對所得灰分進行化學(xué)分析(如圖1)[2]和儀器分析(紅外光譜),綜合對照,推斷出紙中所含的無機物。
圖1 灰分化學(xué)分析流程Fig.1 Chemical methods process
1.2.2 打印紙試制
針葉木商品化學(xué)木漿、燒堿法葦漿、紅麻全稈硫酸鹽漿按一定比例并添加相應(yīng)造紙化學(xué)品配抄,并對比試制紙張與樣紙的主要性能指標(biāo)。
2.1.1 制漿方法
格拉夫C染色劑染色樣紙纖維,呈色反應(yīng)為:深藍色到藍紫色。由此可判斷制漿方法為硫酸鹽法或燒堿法[3],由此可初步判定樣紙所用漿料為漂白堿法漿。
2.1.2 纖維原料
(1)纖維長度
數(shù)碼電子顯微鏡測量樣紙所用原料纖維的平均長度是0.899 mm,平均寬度為16.5 μm。
(2)纖維形態(tài)
電子顯微鏡觀察到的纖維形態(tài)如圖2、3所示。從圖2、3 所示纖維形態(tài)可以看出,纖維尖削,相對短小,可能是禾草或闊葉木纖維。結(jié)合所測得的纖維長度、寬度可以斷定樣紙是用同種纖維抄造的。進一步觀察,發(fā)現(xiàn)漿中雜細胞含量較少,并且纖維細胞壁上布有單紋孔,由此可判定所用原料不是禾草,經(jīng)過與《中國造紙原料纖維特性及纖維圖譜》中的相關(guān)圖譜[4]對照,纖維形態(tài)和紋孔特征與楊木纖維一致。由此可斷定樣紙所用纖維為楊木纖維。參照“2.1.1”的分析結(jié)果,加之國外木漿均采用硫酸鹽法蒸煮,所以可以斷定樣紙是用楊木漂白硫酸鹽漿抄造的。
圖2 纖維形態(tài)圖(放大100倍)Fig.2 Fibre morphology (magnify 100 times)
圖3 纖維形態(tài)圖(放大400倍)Fig.3 Fibre morphology (magnify 400 times)
2.2.1 化學(xué)法分析
取約60 cm2樣紙,撕碎,用100 mL蒸餾水煮沸20 min后過濾,取出幾滴濾液加入幾滴0.01 mol/L碘溶液混合,立即顯藍色,說明有淀粉存在。將濾液中加入2 mL濃鹽酸以破壞淀粉的干擾,再煮沸15 min。取幾滴水解液加入幾滴碘溶液,出現(xiàn)黃色說明淀粉完全水解,放置一段時間后不顯藍色后,蒸濃至約25 mL,冷卻。取5 mL溶液于試管中,加入一滴碘溶液和一滴濃鹽酸放置20 min后,不顯藍色,再加入幾顆硼酸晶體,觀察仍然不顯藍色。
通過上面的分析,可斷定樣紙中含有淀粉,但不含PVA[5]。
2.2.2 紅外光譜法分析
稱取5 g樣紙,用四氯化碳溶液抽提10 h,然后將抽提液用紅外光譜儀進行掃描,得到圖4,并與AKD和PAE的紅外光譜圖作比較,詳見圖5、6。
對照比較,抽出物在1463 和618 cm-1處的吸收峰是紙漿中PAE的特征吸收峰(與PAE標(biāo)準(zhǔn)圖譜比較吸收峰位置有偏移)。AKD與紙漿中纖維素上的羥基發(fā)生反應(yīng),四元內(nèi)酯環(huán)打開,產(chǎn)生β-二酮結(jié)構(gòu),而β-二酮結(jié)構(gòu)除在1 720~1 750 cm-1附近有特征峰外,還會在1 610 cm-1附近有一個伴生峰[6],這些特征峰都體現(xiàn)在圖4中。由此可確定樣紙中添加了PAE和AKD。
圖4 樣紙四氯化碳抽出物紅外光譜圖Fig.4 IR spectrogram of CCl4 extraction of pattern paper
圖5 AKD紅外光譜圖Fig.5 IR spectrogram of AKD
圖6 PAE紅外光譜圖Fig.6 IR spectrogram of PAE
2.3.1 化學(xué)法分析
按圖1的方法分析灰分,經(jīng)稀鹽酸處理后全部溶解,有氣體產(chǎn)生,說明灰分全部為酸溶灰分。濾液中加草酸銨,煮沸有白色沉淀,說明含有鈣基,而其他步驟中現(xiàn)象不明顯,由此可推斷灰分中含有碳酸鈣。
2.3.2 紅外光譜法分析
碳酸鈣的標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜譜圖見圖7,樣紙灰分的紅外光譜譜圖見圖8。
圖7 CaCO3紅外光譜圖Fig.7 IR spectrogram of CaCO3
圖8 樣紙灰分紅外光譜圖Fig.8 IR spectrogram of the ash
從圖7中可以看出,碳酸鈣有3個特征吸收峰,分別出現(xiàn)在1 422(強而寬)、875(弱而尖)和712(弱而尖)cm-1[7]處。圖8樣紙灰分紅外譜圖在1 451(強而寬)、873(弱而尖)和712(弱而尖)cm-1處也出現(xiàn)特征吸峰,對比圖7、8,兩者特征峰出現(xiàn)的位置與強度基本吻合,少許偏移是灰分中含有其他雜質(zhì)造成的。由此可斷定樣紙中添加的填料是碳酸鈣。
2.4.1 漿料配比
以漂白硫酸鹽針葉木漿、漂白燒堿葦漿和漂白硫酸鹽紅麻全稈漿的打漿度、配比為變化因素做正交試驗,確定最佳條件為:m[針葉木漿(21°SR)]∶m[葦漿(35°SR)]∶m[紅麻全稈(65°SR)]=20∶50∶30。
2.4.2 紙內(nèi)添加物
以CaCO3用量、淀粉用量、AKD用量、PAE用量為變化因素做正交試驗,確定紙內(nèi)添加物最佳條件為:CaCO3用量14%、淀粉用量1%、AKD用量0.5%、PAE用量0.8%。
2.4.3 與樣紙作比較
按“2.4.2”最佳條件抄紙并與樣紙作比較,見表1。
表1 研制紙與樣紙性能比較Tab.1 The performance comparison between trial-manufacter paper and the pattern paper
由表1可見,以草漿為主研制的紙張,除裂斷長偏低外,其他指標(biāo)已接近或達到樣紙要求。
(1)樣紙采用楊木漂白硫酸鹽漿抄造。
(2)樣紙采用碳酸鈣做填料。
(3)樣紙采用淀粉類增強劑、AKD中性施膠劑,并用PAE做AKD的增效劑。
(4)用m[漂白硫酸鹽針葉木漿(21°SR)] ∶m[漂白燒堿葦漿(35°SR)] ∶m[漂白硫酸鹽紅麻全稈漿(65°SR)]=20∶50∶30的配比配抄,并添加14% CaCO3做填料、1% 陽離子淀粉作增強劑、0.5% AKD作施膠劑、0.8% 的PAE,所試制出的彩色激光打印紙,除裂斷長偏低外,其他指標(biāo)已接近或達到樣紙要求。
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