汪 欣， 張新昌*，2

(1．江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫214122;2．江南大學(xué)江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫214122)

隨著現(xiàn)代工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，紙漿模塑制品已成為公認(rèn)的綠色包裝材料。其緩沖性能優(yōu)越，原料來(lái)源廣泛，成本低廉，包裝整體性好，且具有優(yōu)良的環(huán)保特性，因此具有廣闊的市場(chǎng)和發(fā)展前景［1-3］。隨著紙漿模塑制品的推廣應(yīng)用，消費(fèi)者對(duì)其生產(chǎn)提出了越來(lái)越高的要求，希望紙漿模塑制品表面光潔平整無(wú)雜質(zhì)、具有良好的視覺(jué)效果和繽紛的色彩等［4-5］。因此，研究解決紙模制品生產(chǎn)中困擾已久的表觀不足問(wèn)題對(duì)提高國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。

本研究擬借助常用于造紙漿內(nèi)施膠的助劑AKD、CS和CPAM對(duì)紙漿懸浮液作用，通過(guò)控制各助劑的添加量研究其對(duì)紙漿模塑制品表觀平滑度和勻度的影響，以期獲得改善紙模表觀性能的最優(yōu)助劑配方并用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1．1 試驗(yàn)原材料

制漿原料，國(guó)產(chǎn)廢舊單面瓦楞紙板;AKD乳液，陽(yáng)離子型高分子化合物，固含量 (15±0．5)%，青州金昊化工有限公司;HSCS-02季銨型陽(yáng)離子玉米淀粉，聊城市高科化工有限公司;陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM)，分子質(zhì)量2 000萬(wàn)，固含量≥90%，河南鞏義市東佳凈水材料有限公司。

1．2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備Tab．1 Experimental apparatuses and equipments

1．3 試驗(yàn)材料制備方法

平板狀紙漿模塑制品制備工藝流程:浸泡廢紙→碎漿→洗漿→配漿→添加助劑→攪拌均勻→成型→脫?！稍铩巍銣睾銤裉幚?。

將國(guó)產(chǎn)廢舊單面瓦楞紙板撕裂成約25 mm×25 mm的碎片，在水中浸泡約12 h進(jìn)行碎漿、過(guò)濾和清洗，并添加適量的蒸餾水配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的紙漿懸浮液，分別加入不同質(zhì)量且預(yù)先制備好的CS糊化液、CPAM或AKD乳化液;在300 r/min的速率下攪拌均勻，加入紙漿模塑成型機(jī)的儲(chǔ)漿池，固定好指定小型模具，進(jìn)行紙漿模塑試樣成型并脫模。在85℃條件下干燥2 h至試樣含水率約為30% ～35%［6］后取出，在XLB 400×400平板硫化機(jī)上經(jīng)整形得到試驗(yàn)試樣。按照《GB/T 10739—2002紙、紙板和紙漿試樣處理和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件》對(duì)試樣進(jìn)行恒溫恒濕處理后［7］，按要求取樣并進(jìn)行性能測(cè)定。

CS糊化液的制備過(guò)程:稱(chēng)取一定量的CS粉末，加入適量的蒸餾水配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的淀粉溶液，放置90℃恒溫水浴鍋中以300 r/min進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁銣厮?0 min左右，加入一定量的蒸餾水將糊化液稀釋到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，60℃ 保溫備用。

1．4 試樣性能測(cè)試方法

平滑度是紙和紙板的表面性質(zhì)之一，它是評(píng)價(jià)紙和紙板表面凹凸程度的技術(shù)指標(biāo)，是表示紙和紙板表面平整、光滑的物理量［8］。紙制品的表觀平滑度指紙制品表面在自由狀態(tài)下的平滑度［9］。平滑度的概念也同樣適用于評(píng)價(jià)紙漿模塑制品的表面性能。作為工業(yè)包裝用品的紙漿模塑，若擁有較好的平滑度，則能給消費(fèi)者在視覺(jué)上以舒服、高檔、有質(zhì)感等美的感受。

勻度是指紙制品表面的均勻性。紙張的勻度定義為紙張?jiān)谝欢娣e上質(zhì)量或定量的真實(shí)分布情況。如果分布是均勻一致的，則稱(chēng)紙張勻度好;如果分布是參差不齊，則稱(chēng)紙張勻度是差的。紙制品的勻度是評(píng)價(jià)其質(zhì)量的一個(gè)很重要指標(biāo)，勻度不但影響制品外觀，同時(shí)也影響到制品的物理性能和光學(xué)性能。好的勻度是紙制品取得優(yōu)美外觀和良好強(qiáng)度的必要條件［10］。

1．4．1 表面平滑度測(cè)試 對(duì)于同一接觸表面而言，比較兩個(gè)不同紙模制品的平滑度即相當(dāng)于比較這兩個(gè)制品分別與該特定接觸表面間的摩擦系數(shù)，其中摩擦系數(shù)低的則代表其表觀平滑度更好。本研究中，將通過(guò)測(cè)定不同紙漿模塑試樣針對(duì)某一特定紙面的摩擦系數(shù)來(lái)表征該試樣的平滑度。

采用 MXD-01型摩擦系數(shù)儀器，按照《GB10006—88塑料薄膜和薄片摩擦系數(shù)的測(cè)定方法》［11］，將平板狀紙模制品裁成63 mm ×63 mm的尺寸，測(cè)試其摩擦系數(shù)，每組取3個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)量，然后取平均值。

1．4．2 勻度指數(shù)測(cè)試方法 目前評(píng)價(jià)勻度最簡(jiǎn)單最直觀的方法為目測(cè)法，即將要檢查的紙樣迎光目測(cè)，觀察紙樣透光的情況，通過(guò)明暗對(duì)比，分辨出絮凝的纖維塊的厚薄大小及相互間的距離，并和企業(yè)自定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)紙樣對(duì)比來(lái)評(píng)判是否合格。但這種方法沒(méi)有數(shù)據(jù)，很難準(zhǔn)確進(jìn)行評(píng)定。

結(jié)合本研究現(xiàn)有的試驗(yàn)條件，測(cè)定紙模制品表觀勻度時(shí)采用的具體方法為:從所制得的紙模試樣的中間部位，裁切出56 mm×56 mm的方塊，并劃成4×4，即邊長(zhǎng)為14 mm的小方格，用高精度的分析天平測(cè)定每個(gè)小方格的質(zhì)量，獲得16個(gè)定量數(shù)據(jù)，再求取平均定量G和標(biāo)準(zhǔn)偏差S，并通過(guò)上述公式來(lái)計(jì)算勻度指數(shù)，每組試驗(yàn)做3個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2．1 AKD用量對(duì)紙模制品表觀性能的影響

在制備好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的紙漿懸浮液中分別添加不同質(zhì)量的AKD乳液，使其固體用量(相對(duì)于絕干漿的用量)分別為:0．1%，0．2%，0．3%，0．4%，0．5%，制成試樣后分別測(cè)定其表觀性能。AKD用量對(duì)紙模制品表觀性能的影響如圖1所示。

圖1 AKD添加量對(duì)紙模制品表觀性能的影響Fig．1 Effect of the AKD amount on apparent performance of molded pulp products

從圖1可知，在制備紙漿模塑試樣的漿料中加入AKD可以有效改善其表觀平滑度，其較好的用量為0．2% ～0．3%，且加入AKD后試樣的表面勻度也有所改變，在0．1% 時(shí)效果最佳;當(dāng)AKD用量相對(duì)于絕干漿質(zhì)量比超過(guò)0．4% 后，與AKD反應(yīng)的纖維已達(dá)到飽和狀態(tài)，無(wú)法進(jìn)一步提高制品的成型勻度。綜合考慮確定AKD的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．15% ～0．25%。

經(jīng)進(jìn)一步測(cè)定，當(dāng)AKD添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．25%時(shí)，其表觀平滑度為0．363，勻度指數(shù)為2．278。結(jié)合本試驗(yàn)及文獻(xiàn)閱讀結(jié)果［13-16］，確定在后續(xù)考察其他助劑與AKD共同作用以改善紙模制品表觀性能的效果時(shí)，采用的AKD添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．25%(針對(duì)絕干漿的質(zhì)量比，下同)。

2．2 CS用量對(duì)紙模制品表觀性能的影響

向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的紙漿懸浮液中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的CS糊化液(相對(duì)于絕干漿的用量)1%，2%，3%，4%，5%，并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0．25%的AKD乳液，攪拌均勻后制成試樣并測(cè)定其表觀性能。CS用量對(duì)紙模制品表觀性能的影響如圖2所示。

圖2 CS添加量對(duì)AKD改善紙模制品表觀性能的影響Fig．2 Effect of CS amount on AKD improving apparent performance of molded pulp

從圖2可看出，與空白試樣(僅添加AKD)相比，當(dāng)CS相對(duì)于絕干漿的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1% 到4%的范圍內(nèi)變化時(shí)，試樣的摩擦系數(shù)有不同程度的降低，即在該過(guò)程中試樣的表面平滑度增加了;而CS的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)到達(dá)5%時(shí)，試樣的摩擦系數(shù)略高于空白樣，即此時(shí)CS的加入已不利于提高紙模制品表觀平滑度。隨著CS添加量的增加，試樣的勻度指數(shù)先增加后降低，即勻度先提高后下降。其中，當(dāng)CS添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%到4%范圍內(nèi)時(shí)所測(cè)勻度指數(shù)均低于空白試樣，即在此范圍內(nèi)CS與AKD共同作用，能有效降低制品的成型勻度;但當(dāng)CS添加量超過(guò)4%后，制品勻度則逐步降低，甚至高于空白試樣。

這是由于加入CS后，漿料中的陰離子垃圾等負(fù)電荷首先與其結(jié)合，從而給細(xì)小纖維提供了更多和AKD結(jié)合的機(jī)會(huì)，使得細(xì)小纖維的留著增加，附著在長(zhǎng)纖維表面，從而成型的紙模制品表面更光滑，勻度更高;而當(dāng)CS添加過(guò)多時(shí)會(huì)使得纖維發(fā)生絮聚，降低制品成型勻度和表面平滑度，且過(guò)多的糊狀陽(yáng)離子淀粉可能會(huì)造成塞網(wǎng)。

綜合考慮添加CS對(duì)AKD改善紙模制品表觀平滑度及勻度的促進(jìn)作用，CS的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)以在2% ～3% 范圍內(nèi)(針對(duì)絕干漿的質(zhì)量比)為宜。

2．3 CPAM用量對(duì)紙模制品表觀性能的影響

向質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的紙漿懸浮液中分別加入CPAM 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．02%，0．04%，0．06%，0．08%，0．10%，并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0．25% 的AKD乳液，水浴加熱并攪拌均勻后制成試樣并測(cè)定其表觀性能。CPAM用量對(duì)紙模制品表觀性能的影響如圖3所示。

圖3 CPAM添加量對(duì)紙模制品表觀性能的影響Fig．3 Effect of CPAM amount on AKD improving apparent performance of molded pulp products

由圖3可知，當(dāng)CPAM用量在0．06%以下時(shí)，試樣摩擦系數(shù)隨其添加量增加呈下降趨勢(shì)，且當(dāng)用量為0．06% 時(shí)達(dá)到最小，相比空白樣降低了約18．2%，表明此時(shí)試樣的表觀平滑度得到了較大改善，且比添加CS時(shí)改善效果更明顯;而當(dāng)用量超過(guò)0．06%后，摩擦系數(shù)又逐漸增大;當(dāng)添加量為0．10% 時(shí)，其摩擦系數(shù)已高于空白試樣，表明此時(shí)添加的CPAM降低了制品表觀平滑度。

同時(shí)，隨著CPAM的加入，試樣表面勻度先提高，后降低。這是因?yàn)镃PAM和CS一樣，都是陽(yáng)離子型助劑，加入漿料中后與漿料中的陰離子物質(zhì)反應(yīng)，提高了細(xì)小纖維與AKD結(jié)合的機(jī)會(huì)，使更多細(xì)小纖維留著在漿料中，改善了紙模成型時(shí)的均勻性，因而其表面更光滑。但當(dāng)CPAM過(guò)量時(shí)則會(huì)使纖維產(chǎn)生絮聚現(xiàn)象，使?jié){料濾水性能下降［18］，影響制品成型的均勻性，降低制品的表面性能。而CPAM與CS的改善效果不同可能是由于兩者的分子量及陽(yáng)離子度不同造成的。

綜合考慮添加CS對(duì)制品表觀平滑度和勻度的影響，同時(shí)本著建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的要求，確定CPAM添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍以0．04% ～0．05%為宜。

2．4 3個(gè)因素對(duì)平板紙模試樣表觀平滑度和勻度的綜合影響

在上述單因素試驗(yàn)中，CS和CPAM都是作為陽(yáng)離子助劑，先加入漿料中以中和一部分陰離子垃圾，使AKD能更高效地與細(xì)小纖維結(jié)合，以提高其留著和增強(qiáng)纖維間的結(jié)合力。故可進(jìn)一步考慮采用兩種助劑共同與AKD作用來(lái)改善紙漿模塑制品的表面性能，且正交復(fù)配試驗(yàn)經(jīng)常能達(dá)到“1+1大于2”的效果。

在此基礎(chǔ)上，以CS、CPAM和AKD的添加量為影響因素，進(jìn)行L9(34)的正交試驗(yàn)來(lái)分析各助劑的用量對(duì)平板紙模制品表觀性能的影響。通過(guò)綜合考慮各因素的影響作用，確定出因素水平如表2所示，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 正交試驗(yàn)因素水平Tab．2 Orthogonal factor level table

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab．3 Orthogonal experiment results

對(duì)制品表觀平滑度和勻度指數(shù)分別進(jìn)行極差分析，其結(jié)果如表4，5所示。

表4 表觀平滑度極差分析表Tab．4 Range analysis of apparent smoothness

表5 勻度指數(shù)極差分析表Tab．5 Range analysis of apparent smoothness

從表4可以看出，各因素對(duì)表觀平滑度影響的主次順序?yàn)?AKD用量 ＞CPAM用量 ＞CS用量，其中可能較好的方案為C2B1A2。從表5的極差分析可以看出，各因素對(duì)勻度指數(shù)影響的主次順序?yàn)?AKD用量 ＞CS用量 ＞CPAM用量，其中可能較好的方案為C2B2A1。

綜合分析3個(gè)因素對(duì)平板紙模試樣表觀平滑度和勻度的影響可知，在選擇較好的配方時(shí)應(yīng)以AKD用量為主，CPAM和CS用量則可在綜合比較試驗(yàn)效果的基礎(chǔ)上，本著節(jié)約成本、降低消耗的原則來(lái)確定，分別選擇A1和B1水平。綜合上述分析，優(yōu)方案為A1B1C2，即CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1．5%，CPAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．03%，AKD質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．25%。由于該方案不包含上述正交表中已進(jìn)行的試驗(yàn)方案中，因此按照這個(gè)組合配方制作6個(gè)試樣并分別測(cè)定、計(jì)算其表面平滑度和勻度指數(shù)，結(jié)果顯示其摩擦系數(shù)為0．332，勻度指數(shù)為 2．087，相比于未添加任何助劑所制得的試樣分別提高了24%和19%，表面性能得到較大改善。

3 結(jié)語(yǔ)

在生產(chǎn)紙漿模塑制品的漿料中添加造紙用助劑AKD、CS和CPAM能有效改善制品的表觀平滑度和勻度，其最佳配方為:CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)(針對(duì)絕干漿的質(zhì)量比)為1．5%，CPAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．03%，AKD質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．25%。按照該配方制得的紙漿模塑制品具有優(yōu)良的表觀性能，其表面平滑度相比于空白試樣提高了24%，表面勻度提高了19%。具有良好表觀性能的紙漿模塑包裝制品能給消費(fèi)者帶來(lái)良好的視覺(jué)感受和美的消費(fèi)體驗(yàn)，從而極大地提高其作為包裝制品的附加價(jià)值，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域，這必將推動(dòng)紙漿模塑工業(yè)的更進(jìn)一步發(fā)展。

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