安俊健

（湖北工業(yè)大學(xué)制漿造紙學(xué)院，湖北 武漢，430068)

1 前言

氫氧化鋁是一種重要的造紙化學(xué)品，可以用作阻燃劑[1]，也可以用來(lái)涂布以改善紙張的表面性能。另外，它還可以用作填料[2]，非常適合充當(dāng)二氧化鈦的替代品，具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。由于氫氧化鋁粒度細(xì)且分布均勻，磨耗較小，可延長(zhǎng)刮刀的使用壽命。通常造紙用氫氧化鋁粒度d＜1μm，白度＞99%，用它代替二氧化鈦，在不降低紙張白度及不透明度的前提下，能節(jié)約成本，提高成紙的光澤度，改善印刷性能。同樣，由于氫氧化鋁粒度較小，因此留著率較低，另外，加填往往造成紙張強(qiáng)度的下降，因此本文開(kāi)發(fā)一陽(yáng)離子淀粉為助留劑和增強(qiáng)劑，以氫氧化鋁為助留劑的新型加填體系，期望在保證紙張強(qiáng)度的前提下，獲得較好的加填效果。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 原料及藥品

實(shí)驗(yàn)原料：商用漿板（水分26.8%)、實(shí)驗(yàn)室用麥草原料、闊葉木漿，陽(yáng)離子淀粉（工業(yè)級(jí)用品)；氫氧化鋁，天津福晨化學(xué)試劑廠(chǎng)；鹽酸，成都科龍化工試劑廠(chǎng)；氫氧化鈉，成都科龍化工試劑廠(chǎng)。

2.2 抄紙及紙張性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)主要儀器如表1所示。

2.2.2 抄紙工藝

打漿濃度1.5%；絕干漿360g；定量70g/m2；抄片面積 0.0314m2。

2.2.3 工藝流程

打漿→取樣測(cè)打漿度→抄片→烘干（≥10min)→性能檢測(cè)。

2.3 結(jié)果與討論

2.3.1 陽(yáng)離子淀粉對(duì)氫氧化鋁留著率及紙張性能的影響

陽(yáng)離子淀粉對(duì)氫氧化鋁留著率的影響如圖1所示。從圖中可以看出，隨著陽(yáng)離子淀粉用量的增加，氫氧化鋁的留著率迅速增加。眾所周知，纖維帶有一定量的負(fù)電荷，另外，造紙工業(yè)中普遍使用的填料往往本身不帶有電荷，但由于破碎使顆粒表面產(chǎn)生電子缺陷，在液體中其外表牢固地吸附一些負(fù)電性基團(tuán)，導(dǎo)致其表面帶負(fù)電。而陽(yáng)離子淀粉分子鏈中含有較強(qiáng)的季銨鹽基團(tuán)，是一種線(xiàn)性高分子，分子量在400萬(wàn)左右。由于高分子鏈中帶有一個(gè)完整正電荷的季銨鹽基團(tuán)，它與帶有負(fù)電性的纖維和填料結(jié)合力較強(qiáng)，助留劑本身帶有陽(yáng)離子性的單體與非離子型的單體共聚，因而在分子鏈中陽(yáng)離子基團(tuán)分布也均勻，故也能賦予紙張較好的留著效果。

圖1 陽(yáng)離子淀粉用量對(duì)氫氧化鋁留著率的影響

陽(yáng)離子淀粉對(duì)紙張的抗張強(qiáng)度和耐折度的影響分別如圖2和3所示。從圖中可以看出隨著陽(yáng)離子淀粉用量的增加，紙張抗張強(qiáng)度和耐折度均出現(xiàn)增加的趨勢(shì)。由于陽(yáng)離子淀粉與造紙漿料中的帶負(fù)電性長(zhǎng)纖維、細(xì)小纖維以及填料上的負(fù)電位置進(jìn)行靜電結(jié)合，形成離子鍵，導(dǎo)致陽(yáng)離子淀粉緊緊地吸附在纖維、填料的表面上，吸附造成的附加氫鍵力的形成又強(qiáng)化了纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度，并把細(xì)小纖維、填料和長(zhǎng)纖維連接在一起，形成一個(gè)有結(jié)合力的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而增加了紙張的強(qiáng)度。

圖2 陽(yáng)離子淀粉用量對(duì)紙張抗張強(qiáng)度的影響

圖3 陽(yáng)離子淀粉用量對(duì)耐折度的影響

陽(yáng)離子淀粉對(duì)紙張平滑度的影響如圖4所示。從圖中可以看出，隨著陽(yáng)離子淀粉用量的增加，平滑度出現(xiàn)先上升，接著基本不變最后下降的趨勢(shì)，但總體變化趨勢(shì)不大。

綜上所述，陽(yáng)離子的添加量對(duì)紙張的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均和氫氧化鋁的留著率有顯著的影響。在紙料中添加陽(yáng)離子淀粉后，纖維間的氫鍵結(jié)合數(shù)目顯著增加，纖維間的結(jié)合力也大大增加，使得紙張的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均有不同程度的增加。綜合分析各項(xiàng)指標(biāo)，可以看出，當(dāng)陽(yáng)離子淀粉用量在3.0%以下時(shí)，陽(yáng)離子淀粉用量的增加能夠顯著提高紙張的抗張強(qiáng)度和氫氧化鋁留著率，對(duì)耐折度也有所提高。當(dāng)陽(yáng)離子淀粉用量達(dá)到3%時(shí)，繼續(xù)增加用量，各項(xiàng)指標(biāo)增長(zhǎng)的速度都減慢。所以陽(yáng)離子淀粉的最佳用量為3%。

圖4 陽(yáng)離子淀粉用量對(duì)平滑度的影響

2.3.2 氫氧化鋁用量對(duì)加填后紙張性能的影響

氫氧化鋁用量對(duì)加填后紙張的抗張強(qiáng)度和耐折度的影響如圖5和6所示。從圖中可知，在沒(méi)有陽(yáng)離子淀粉添加的情況下，隨著氫氧化鋁填料的增加，紙張的抗張強(qiáng)度和耐折度均出現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)樘盍媳旧頍o(wú)結(jié)合力，其加入量的增加必然影響纖維的量和結(jié)合力，從而導(dǎo)致強(qiáng)度的下降。但同樣條件下，加入陽(yáng)離子淀粉，其下降的趨勢(shì)則大大減緩，這表明陽(yáng)離子淀粉具有較好的補(bǔ)強(qiáng)作用。

圖5 氫氧化鋁用量對(duì)抗張強(qiáng)度的影響

圖6 氫氧化鋁用量對(duì)耐折度的影響

氫氧化鋁對(duì)加填后紙張的白度和平滑度的影響如圖7和8所示。從圖中可以看出，紙張的白度和平滑度均隨著氫氧化鋁用量的增加出現(xiàn)增加的趨勢(shì)。一般來(lái)講，由于填料的白度和光散射系數(shù)均高于纖維，因而加填可提高紙的光學(xué)性能。從圖7和圖8可以看出，紙張的白度隨著氫氧化鋁用量的增加而增加，當(dāng)用量在15%以下時(shí)，氫氧化鋁用量的增加能夠顯著提高紙張白度，當(dāng)氫氧化鋁用量達(dá)到15%到20%時(shí)，再繼續(xù)增加氫氧化鋁用量時(shí)，紙張的白度的提高開(kāi)始變得較為緩慢。增長(zhǎng)變得緩慢的原因是氫氧化鋁的留著已經(jīng)快達(dá)到最大。同樣，加填可提高紙張的平滑度，有填料存在時(shí)，紙張對(duì)水和油墨的吸收更均勻。填料對(duì)紙張孔隙率的影響取決于填料顆粒的尺寸和形態(tài)，適當(dāng)添加填料，填料堵塞纖維空隙，并牢固黏著纖維空隙，有助于提高紙張的平滑度。

綜上所述，氫氧化鋁的添加量對(duì)紙張的各項(xiàng)性能指標(biāo)均有顯著的影響。其中對(duì)白度和平滑度的影響最大。綜合分析各項(xiàng)指標(biāo)，可以看出，當(dāng)氫氧化鋁用量為15%左右時(shí)，白度和平滑度雖沒(méi)有達(dá)到最大值，但增長(zhǎng)也趨于平緩。而抗張強(qiáng)度、耐破度和耐折度則在氫氧化鋁用量達(dá)到15%后，下降速度都加快。所以氫氧化鋁的最佳用量為15%。

圖7 氫氧化鋁用量對(duì)白度的影響

圖8 氫氧化鋁用量對(duì)平滑度的影響

2.3.3 漿料種類(lèi)對(duì)氫氧化鋁留著率和紙張性能的影響

漿料種類(lèi)對(duì)氫氧化鋁和紙張性能的影響分別如圖9～12所示。從圖9可以看出，針葉木漿的氫氧化鋁的留著率較高。由圖10、圖11、圖12可知，相比于草漿和闊葉木漿而言，針葉木漿的紙張的抗張強(qiáng)度、撕裂度、耐折度均明顯好得多。這是因?yàn)槭紫壤w維的組成不同，草漿相對(duì)于木漿木素含量過(guò)多，其次它們的纖維形態(tài)和物理狀況也不同，針葉木纖維較長(zhǎng)，闊葉木纖維短，草類(lèi)纖維中長(zhǎng)寬比高。因?yàn)槔w維的長(zhǎng)度直接影響到紙張的各項(xiàng)物理性能，所以木漿的各方面的物理性能均要好與草漿。其中針葉木漿性能更是好于闊葉木漿。

從原理上講，填料的聚集會(huì)增加粒度，引起光散射能力的降低，但實(shí)際上對(duì)光散射能力的降低的幅度不大。一般來(lái)講，由于填料的白度和光散射系數(shù)均高于纖維，因而加填可提高紙的光學(xué)性能。所以加填氫氧化鋁會(huì)提高紙張的白度，但是由于草漿制造工藝及其纖維的特點(diǎn)導(dǎo)致白度相對(duì)于木漿要低。從圖11可知闊葉木和針葉木的白度基本上沒(méi)有差別。

通常，加填可提高紙張的平滑度，有填料存在時(shí)，紙張對(duì)水和油墨的吸收更均勻。填料對(duì)紙張孔隙率的影響取決于填料顆粒的尺寸和形狀，適當(dāng)添加填料，填料堵塞纖維空隙，并牢固黏著纖維空隙，有助于提高紙張的平滑度。從圖12可以看出木漿的平滑度明顯優(yōu)于草漿的，針葉木漿優(yōu)于闊葉木漿。

綜上所述，漿的種類(lèi)對(duì)紙張的各項(xiàng)性能指標(biāo)及氫氧化鋁的留著率均有顯著的影響。綜合分析各項(xiàng)指標(biāo)，可以看出，針葉木漿加填氫氧化鋁的效果最佳。

圖9 漿的種類(lèi)對(duì)氫氧化鋁留著率的影響

圖10 漿的種類(lèi)對(duì)紙張抗張強(qiáng)度的影響

圖11 漿的種類(lèi)對(duì)白度的影響

圖12 漿的種類(lèi)對(duì)平滑度的影響

2.3.4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

由單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，相比其他影響因素，漿的種類(lèi)能明顯改善各項(xiàng)物理性能，陽(yáng)離子淀粉能顯著提高紙張的耐折度和抗張強(qiáng)度，氫氧化鋁能顯著提高紙張的白度和平滑度。由單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可得，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)時(shí)氫氧化鋁用量分別為10%，15%，20%;漿的種類(lèi)為針葉木，闊葉木，麥草漿；陽(yáng)離子淀粉用量為1%，3%，5%。設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)可獲得三者的最佳用量比。

表2 正交實(shí)驗(yàn)方案

表3 正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

由實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)可知，紙張的白度和平滑度的主要影響因素是氫氧化鋁填料的加入量。由于氫氧化鋁的白度和光散射系數(shù)均高于纖維，因而加填可提高紙的白度，氫氧化鋁粒度很小，能堵塞纖維空隙，并牢固黏著纖維空隙，有助于提高紙張的平滑度。對(duì)紙張物理性能(包括抗張強(qiáng)度和耐折度)的主要影響因素是漿種的選擇，且隨著漿料的不同，紙張的物理性能均呈上升趨勢(shì)。這是因?yàn)樘盍媳旧頍o(wú)結(jié)合力，其漿料的不同必然影響纖維的量和結(jié)合力。陽(yáng)離子淀粉的用量是影響紙張物理強(qiáng)度的重要因素，淀粉的加人能夠增加纖維間的結(jié)合力，有利于提高紙張物理強(qiáng)度。

三個(gè)因素綜合影響的主次順序?yàn)闈{料種類(lèi)，氫氧化鋁用量，陽(yáng)離子淀粉用量。由表2和表3分析，中性造紙的優(yōu)異條件為氫氧化鋁用量為15%，最合適的漿料為針葉木漿，陽(yáng)離子淀粉用量為3%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1)陽(yáng)離子淀粉的添加量對(duì)紙張的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均和氫氧化鋁的留著率有顯著的影響。實(shí)驗(yàn)得出陽(yáng)離子淀粉的最佳用量為3%。

（2)氫氧化鋁的添加量對(duì)紙張的各項(xiàng)性能指標(biāo)均有顯著的影響。對(duì)紙張物理性能(包括抗張強(qiáng)度度和耐折度)的主要影響因素是氫氧化鋁的加入量，且隨著填料量的增加，紙張的物理性能均呈下降10%～20%。氫氧化鋁的添加有助于紙張白度和平滑度的提高。結(jié)果表明，氫氧化鋁的最佳用量為15%。

（3)漿料種類(lèi)對(duì)填料留著率以及紙張性能的影響。經(jīng)過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，討論得出最佳的原料種類(lèi)為針葉木漿。

（4)兩種填料以適當(dāng)比例添加，既能達(dá)到良好的光學(xué)性能和物理性能，又能使填料價(jià)格降到最低。綜合所有因素，三者的最佳用量為：氫氧化鋁8%，針葉木，陽(yáng)離子淀粉3%。

[1]肖亞明，馮曉明.改善氫氧化鋁阻燃性能的研究[R].中國(guó)粉體技術(shù)2005(11):6-10.

[2]李建民，王樹(shù)棟，韓輝，閻愛(ài)萍.填料氫氧化鋁的物化性能對(duì)其使用及制品性能的影響[J].化工進(jìn)展2004(1):31-35.