錢麗穎，劉文濤，何北海，李軍榮

(華南理工大學(xué) 制漿造紙工程國家重點實驗室，廣州 510640)

0 引 言

砂紙是把研磨材料用膠黏劑粘附在柔軟的紙基上而制成的研磨工具的總稱，廣泛應(yīng)用于汽車、機車、船體、儀器儀表以及機床等部件金屬膩子的精磨和拋光，以及家用木制品、電視機等高級油漆制品的漆面拋光。圖1為砂紙截面示意圖。由圖1可知：砂紙主要由砂紙紙基、膠黏劑以及磨料3部分組成[1]，是通過膠黏劑把紙基和剛玉或碳化硅磨料牢固粘結(jié)在一起而形成的涂附磨具。目前，耐水砂紙生產(chǎn)使用的主要膠黏劑為醇酸清漆和脲醛樹脂，需使用溶劑油作為稀釋劑，在砂紙干燥過程中會揮發(fā)產(chǎn)生有機廢氣，對環(huán)境和人體產(chǎn)生危害，同時增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。因此，研究耐水砂紙用水性環(huán)保膠黏劑具有重要的意義。

圖1 砂紙截面示意圖Fig 1 Section diagram of sandpaper

水性酚醛樹脂是生產(chǎn)耐水砂紙常用的環(huán)保型膠黏劑，一般使用乙醇作為稀釋劑，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和良好的可加工性[2]，樹脂與磨粒的結(jié)合強度高、磨削效率高；以其制備的耐水砂紙具有自銳性好、加工表面質(zhì)量好、收縮率小等優(yōu)點[3]；同時酚醛樹脂膠黏劑成本低，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益和社會效益明顯。但是，酚醛樹脂是熱固性樹脂，固化后脆性較大，受外力作用時容易產(chǎn)生裂紋并迅速擴展，易導(dǎo)致膠層及紙基斷裂[4-5]。對酚醛樹脂進行改性，以制備柔韌性好、強度較高、磨削性能更好的砂紙紙基，仍然是目前亟需解決的難題。

目前，研究者對酚醛樹脂進行了不同的改性，其中木質(zhì)素替代苯酚合成改性酚醛樹脂，已成為酚醛樹脂行業(yè)的研究重點之一[6-8]。利用木質(zhì)素改性酚醛樹脂，可以減少使用石油資源制備的苯酚，進而降低對環(huán)境的危害，且改性后可在一定程度上降低樹脂中的游離醛、游離酚含量[9]，但木質(zhì)素改性仍然存在固化速度慢、游離甲醛多、基體脆性大等缺點[10]。如果木質(zhì)素活化反應(yīng)不完全，導(dǎo)致其殘留率高，紙基表面存在膠斑膠粒，不利于后續(xù)耐水砂紙紙基的生產(chǎn)和應(yīng)用，影響植砂及砂紙使用壽命。

增韌劑是一種能增加膠黏劑膜層柔韌性的物質(zhì)，各種增韌劑的增韌效果有所不同，在酚醛樹脂合成過程中加入增韌劑，引入柔性分子鏈可以有效增強酚醛樹脂的韌性，保證紙基物理性能的同時改善其脆性大等缺點[11]。對于耐水砂紙紙基用酚醛樹脂的增韌既要保證酚醛樹脂能夠滲透到紙張中，又要能降低酚醛樹脂的脆性。用聚乙二醇(PEG)增韌劑對聚甲醛進行增韌改性，其拉伸性能和沖擊性能都得到大幅提升，滿足產(chǎn)品增韌需求[12]。用聚乙烯醇(PVA)增韌劑改性的酚醛樹脂在膠合板、發(fā)泡樹脂中應(yīng)用較多，在耐水砂紙上的應(yīng)用還較少。為了使砂紙生產(chǎn)中不使用或者少使用油性有機溶劑，解決酚醛樹脂使砂紙材料脆性變大等缺點，采用可再生資源木質(zhì)素，同時添加PEG或PVA為增韌劑，合成木質(zhì)素改性酚醛樹脂膠，探討用其制備的耐水砂紙性能及應(yīng)用。

1 實 驗

1.1 實驗原料及設(shè)備儀器

改性酚醛樹脂用實驗原料及使用的主要設(shè)備、儀器如表1和2所示。

表1 實驗原料Table 1 Experimental raw materials

表2 主要實驗設(shè)備及儀器Table 2 Main experimental equipment and instruments

1.2 改性酚醛樹脂制備

(1)準確稱取14.40 g溶劑木質(zhì)素和21.60 g苯酚加入到200 mL燒杯中，再加入36.00 g純水后在65 ℃的水浴中加熱攪拌，進行酚化反應(yīng)60 min，得到酚化木質(zhì)素。

(2)將60.00 g苯酚和0.36 g NaOH(溶解在5.00 g純水中)依次倒入帶有冷凝回流器的三口燒瓶中，油浴加熱至95～100 ℃；稱取60.00 g甲醛，用分液漏斗緩慢滴加到燒瓶中反應(yīng)60 min，然后加入質(zhì)量分數(shù)為0～2.0%的不同含量增韌劑(分別加入PVA 1788、PVA 205、PEG 400、PEG 600，添加量以原料總質(zhì)量分數(shù)計)；再將酚化木質(zhì)素緩慢滴加到三口燒瓶中，補加12.00 g甲醛，在95～100 ℃油浴中反應(yīng)2.5 h后停止加熱，立即冷卻出料。

(3)按照GB/T 14074-2006標準測定所制備的溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂的固含量，用無水乙醇將其稀釋到固含量為33%，再使用高速攪拌機在500 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌30 min，得到滾涂用的溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂膠。

1.3 耐水砂紙紙基評價方法

1.3.1 耐水砂紙紙基的制備

裁取長寬分別為200 mm×50 mm的紙條，把紙條放進溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂膠中浸漬約5 s，取出后先在涂布機上用輥筒擠走紙樣表面多余樹脂；然后在滾筒與紙樣接觸處滴上溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂膠，將紙樣與輥筒再均勻滾涂一遍；最后將滾涂樣品放入烘箱中固化，得到耐水砂紙紙基(以下簡稱“紙基”)。

1.3.2 測試與分析

(1)上膠率測定：電子天平稱量未滾涂原紙的質(zhì)量m0(g)和滾涂取出固化后的紙基質(zhì)量m1(g)，利用式(1)計算紙基的上膠率η：

(1)

(2)吸水率測定：將滾涂處理后的紙基裁成150 mm×50 mm的試樣條，電子天平稱其質(zhì)量W1，浸入水中900 s后取出，用濾紙吸干表面水漬，用電子天平稱其質(zhì)量W2，利用式(2)計算紙基的吸水率ρ：

(2)

式中：W1、W2為紙基條浸入水中前后的質(zhì)量，g；T為浸入時間，s；S為試樣條面積，m2；ρ為吸水率，g/(m2·s)。

(3)濕抗張強度測定：把紙基裁成150 mm×15 mm的試樣條，放入水中浸泡30 min，用濾紙吸干表面水分后用L&W抗張強度儀測定。

(4)Z-向抗張強度測定：將紙基裁成50 mm×50 mm的試樣條，浸漬在水中30 min后取出用濾紙吸干表面水分，參照國標GB/T 26203—2010用Z-向抗張強度儀測定。

(5)使用掃描電子顯微鏡觀察紙基滾涂改性酚醛樹脂前后的微觀形貌。

(6)磨削性能測試：依照工廠生產(chǎn)要求，以添加PEG 600后溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂膠浸漬原紙，并在160 ℃下固化10 min得到紙基，將紙基在工廠生產(chǎn)線上植砂，磨粒選擇粒度代號為P600的黑碳化硅，植砂完成后用水潤濕壓平并靜置12 h后，再在水中浸泡30 min后用砂布砂紙磨削試驗機參照JB/T 10155—2012標準進行磨削實驗。

1.3.3 耐水砂紙紙基一般質(zhì)量要求

參照JB/T 7499—2006規(guī)定，紙基基材為C類，其濕抗張強度≥3.0 kN/m。而實際生產(chǎn)時，工廠要求紙基的濕抗張強度≥4.5 kN/m，吸水率ρ≤0.043 g/(m2·s)，且紙基層間強度保證其制成砂紙后磨削負載為10 N時磨削標準鋁棒的磨削時間均能超過30 min，且打磨后砂紙的背基或者背基與植砂層之間未發(fā)生剝離、撕裂現(xiàn)象。

2 結(jié)果與分析

2.1 增韌劑對紙基性能的影響

按1.2的步驟加入不同增韌劑制備溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂膠，得到不同型號改性樹脂膠處理的紙基性能，如表3所示。由表3可知，總體來說，隨著PVA或PEG的加入，紙基吸水率較未加增韌劑時的有所增大，說明紙基抗水性降低。當紙基組號為7時，即加入質(zhì)量分數(shù)為1.0%的PEG 600時的紙基吸水率最低，低于未加增韌劑的溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂膠浸漬時的紙基吸水率；且紙基的濕抗張強度和Z-向抗張強度最大，分別為10.28 kN/m和1 002.7 kPa，此時的紙基性能最優(yōu)。與PVA相比，加入PEG后紙基的吸水率更低、濕抗張強度、Z-向抗張強度明顯變大；同時，將加入PVA或PEG后得到的樹脂處理的2種紙基在同一折痕處對折多次，發(fā)現(xiàn)加入PEG后的柔韌性更好。

表3 不同增韌劑及其添加量對紙基性能的影響Table 3 Effects of different toughening agents and their mass fraction on the properties of paper base

在一定條件下PVA能與醛發(fā)生反應(yīng)，與酚類物質(zhì)和醛的反應(yīng)產(chǎn)生競爭，因此PVA的加入將會影響甲醛與苯酚的反應(yīng)，進而影響合成的酚醛樹脂性能[13]。PVA 1788和PVA 205的醇解度同為88%，但前者的聚合度遠大于后者的，當與醛發(fā)生反應(yīng)時，分子鏈短的PVA 205更容易參與競爭反應(yīng)而結(jié)合到改性酚醛樹脂分子結(jié)構(gòu)中，而分子量較大的PVA 1788參與反應(yīng)的末端官能團含量相對較低，與酚類物質(zhì)的反應(yīng)競爭降低，因此加入PVA 205的溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂膠帶有大量親水性的羥基，使紙基的吸水率大幅上升，對耐水砂紙紙基的性能生產(chǎn)負作用。同時，PVA 1788加入量增加使紙基的吸水率上升、強度降低，這是因為PVA 1788聚合度大，分子鏈較長，與醛反應(yīng)后分子進行擴鏈，大分子在紙基中滲透比較困難，使溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂膠大部分停留在紙基表面，不利于提高紙基內(nèi)部的抗水性和結(jié)合強度。

與此相對應(yīng)的是，PEG分子中只有末端含羥基，當其與酚醛樹脂反應(yīng)后，不會帶入大量的親水性羥基，因此用加入PEG的溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂膠處理紙基的抗水性更好。PEG在酚醛樹脂中導(dǎo)入長的柔性醚鏈，可以提高改性酚醛樹脂的韌性[14]，但也會導(dǎo)致紙基的耐水性下降。由于PEG的分子量均較低，容易參與反應(yīng)，且酚醛樹脂與分子量較高的PEG 600反應(yīng)后引入的柔性分子鏈更長，更有利于提高其柔韌性。同時，PEG的黏度小，與酚醛樹脂的相容性好，在浸漬時比加入PVA的溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂膠更容易滲透到紙基內(nèi)部；在樹脂固化成型中易形成互穿的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使柔性的PEG分子鏈與剛性的酚醛低分子鏈連接在一起，使紙基各層纖維結(jié)合更緊密，從而大幅度地提高紙基的濕抗張強度和Z-向抗張強度。因此，根據(jù)實驗結(jié)果選用PEG 600作為溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂的增韌劑。

2.2 原紙和紙基的微觀形貌

圖2是上膠前的原紙和上膠后的紙基SEM微觀形貌對比。圖2(a)中可以看出，在未上膠前原紙表面較粗糙，有很多孔隙、分絲和細小的填料顆粒；圖2(c)是添加PVA 205后溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂膠滾涂上膠后的形貌，上膠后樹脂包裹在纖維上并且填充了紙張孔隙，其表面纖維較為光滑，孔隙也大幅減少，但仍有一些細小的小孔，這可能是由于加入PVA后改性的酚醛樹脂在紙頁中的滲透性不好，紙頁內(nèi)部仍有較多沒有被填充的空隙，在固化時紙張纖維間的空氣受熱膨脹，易穿透紙張纖維表面的PVA膜而導(dǎo)致的；圖2(e)是添加PEG 600后溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂膠上膠后的紙張表面，其表面非常光滑，并且覆蓋了表面絕大部分的空隙，這也是PEG 600改性酚醛樹脂滾涂后吸水率低的原因。

圖2 上膠前的原紙和上膠后的紙基SEM微觀形貌Fig 2 SEM morphology of original paper before gluing and paper base after gluing

比較圖2(b)、(d)、(f)的原紙和紙基截面可知，未上膠紙張的內(nèi)部有很多空隙，有明顯的單根纖維分層；加入PVA和PEG后改性的酚醛樹脂上膠的紙張截面空隙很少，尤其是加入PEG后改性的紙張基本沒有空隙，空隙已經(jīng)被改性酚醛樹脂完全填充，樹脂與紙張纖維結(jié)合更為緊密。這說明加入PEG改性的酚醛樹脂完全滲透到紙張內(nèi)部，從而使紙張的吸水率降低、濕抗張強度和Z-向抗張強度提高。該結(jié)果也與表3給出的結(jié)論相符。

2.3 不同PEG添加量對紙基性能的影響

吸水率和濕抗張強度是保證紙基在耐水砂紙應(yīng)用中的基本條件，因此首先對PEG添加量對紙基的吸水率和濕抗張強度的影響進行研究。以PEG 600為內(nèi)增韌劑合成溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂，加入不同質(zhì)量分數(shù)的PEG 600后對紙基性能的影響如圖3所示。增韌劑的加入量將直接影響與酚醛樹脂反應(yīng)的柔性鏈段，進而影響溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂膠在紙基中的滲透性、固化后的脆性以及耐水砂紙紙基的吸水率和強度等性能。

從圖3(a)中可以看出，隨著PEG 600的添加質(zhì)量分數(shù)增加，在不同固化溫度下的吸水率都是先下降再上升，說明加入的PEG 600量不能太多。PEG 600添加量較少時改性酚醛樹脂穩(wěn)定性較差；用量較高時，雖然穩(wěn)定性較好，但此時會含有較多的強親水物質(zhì)而形成連續(xù)界面膜[15]，這會導(dǎo)致樹脂分子無法滲透到紙基內(nèi)部，樹脂的滲透性不足，吸水率增大，進而影響紙基耐水性能，因此應(yīng)選擇合適的加入量。

樹脂固化時間和溫度會直接影響其固化程度。溫度太低或時間太短，樹脂未完全交聯(lián)固化，對降低紙基的吸水率和提高其濕抗張強度的效果不明顯。相反溫度太高或時間太長，則會過度交聯(lián)固化。同時，紙基纖維水分減少，導(dǎo)致紙基發(fā)硬、發(fā)脆。當固化溫度為160 ℃，固化時間為10 min時，PEG 600加入質(zhì)量分數(shù)在0.5%～1.0%范圍，吸水率≤0.043 g/(m2·s)，符合工廠要求。

從圖3(b)中可以看出，不同條件下的濕抗張強度σ均滿足≥4.5 kN/m的工廠要求，故紙基具有較高的濕抗張強度，可以減少浸膠固化收卷時出現(xiàn)斷紙等現(xiàn)象。隨著PEG 600的加入，紙基濕抗張強度先提升后下降，但在固化條件為150 ℃、10 min時濕抗張強度提高不明顯，這主要是因為在此條件下酚醛樹脂固化程度不足，無法生成完善的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。升高溫度有助于酚醛樹脂交聯(lián)，溫度較低時，反應(yīng)主要為通過酚核間形成亞甲基鍵而使酚醛樹脂分子鏈增長；溫度升高時，酚醛樹脂分子中未反應(yīng)的官能團則繼續(xù)相互反應(yīng)，通過形成亞甲基橋和醚鍵橋而使其固化，形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)大分子[16-17]。

圖3 不同質(zhì)量分數(shù)的PEG 600對紙基性能的影響Fig 3 Effect of different mass fractions of PEG600 on the properties of paper base

在160 ℃、10 min下，PEG 600加入質(zhì)量分數(shù)為0.5%～1.0%時，濕抗張強度均超過10.00 kN/m，比表3中組號1不加PEG時的濕抗張強度7.54kN/m顯著提高。同時，在加入PEG增韌改性酚醛樹脂后，處理的紙基在吸濕環(huán)境中也會增加其柔韌性。因而在保證紙基濕抗張強度和吸水率的前提下，同時減少樹脂固化后紙基脆性，增加其柔韌性。因此，選取PEG 600添加質(zhì)量分數(shù)為1.0%，固化溫度為160 ℃，固化時間為10 min作為耐水砂紙紙基的生產(chǎn)條件。

2.4 木質(zhì)素種類對紙基性能的影響

木質(zhì)素是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機物，不同的蒸煮分離方法對木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都會產(chǎn)生影響。因此，在加入質(zhì)量分數(shù)為1.0% 的PEG 600時，比較不同來源的木質(zhì)素改性酚醛樹脂膠對紙張吸水率及濕抗張強度的影響，結(jié)果如圖4所示。據(jù)文獻報道[18-19]，采用的溶劑木質(zhì)素是用竹子通過乙酸法制漿黑液中提取的，較好地保留了木質(zhì)素的天然結(jié)構(gòu)，針葉木堿類和闊葉木堿類木質(zhì)素是通過堿法蒸煮制漿中黑液分離得到的，受強堿作用后具有較多縮合結(jié)構(gòu)。

由圖4可知，與未加增韌劑時的比較，3種不同木質(zhì)素在合成木質(zhì)素改性酚醛樹脂時加入相同量的PEG 600，紙基的吸水率都有所降低，但降低的程度各不相同，溶劑木質(zhì)素、針葉木堿木質(zhì)素、闊葉木堿木質(zhì)素降低率分別為16.67%、16.39%、17.46%。對于紙基的濕抗張強度，與未加增韌劑時比較，溶劑木素提高的效果最好，針葉木堿木質(zhì)素的基本不變，而闊葉木堿木質(zhì)素的則有所降低，但3種木質(zhì)素的濕抗張強度都遠大于工廠生產(chǎn)砂紙要求的不小于4.5 kN/m。

圖4 不同來源木質(zhì)素改性下的紙基性能Fig 4 Paper base properties modified by lignin from different sources

含柔性鏈的PEG中的-OH基團可與酚醛樹脂形成部分氫鍵，在其中引入長的柔性鏈，且以半互穿網(wǎng)絡(luò)的形式存在于樹脂中[20-21]，因而經(jīng)過PEG增韌的改性酚醛樹脂膠滾涂到紙張上會提高其柔韌性。實驗還發(fā)現(xiàn)：對于不同種類的木質(zhì)素改性酚醛樹脂，無增韌劑的改性樹脂處理后的紙基脆性較大，紙基在對折一次后就會斷裂；但加入PEG600后的改性樹脂處理的紙基柔韌性有所增加，在同一折痕處對折5～6次才會斷裂。因此，不同種類的木質(zhì)素改性酚醛樹脂都可以通過加入PEG600進行有效增韌，提高紙基的耐折性能。

2.5 合成反應(yīng)時間的影響

根據(jù)酚醛樹脂的反應(yīng)機理，合成時間對產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)具有重要的影響。反應(yīng)初始階段的產(chǎn)物主要為各種羥甲基苯酚的混合物；隨著反應(yīng)時間的延長，羥甲基苯酚之間發(fā)生自縮聚反應(yīng)，使產(chǎn)物的分子量增大，這會對改性酚醛樹脂的滲透性及固化過程產(chǎn)生影響。在保證紙基吸水率和濕抗張強度滿足要求的基礎(chǔ)上，提高Z-向抗張強度可以使紙基在磨削過程中不易出現(xiàn)分層剝落等情況。使用質(zhì)量分數(shù)為1.0%的PEG 600增韌溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂，采用150 ℃、10 min(條件Ⅰ)和160 ℃、5 min(條件Ⅱ)以及160 ℃、10 min(條件Ⅲ)的固化條件，在60～150 min合成反應(yīng)時間下，反應(yīng)時間對紙基吸水率、濕抗張強度及Z-向抗張強度的影響見圖5。

從圖5中可以看出，相同的固化條件下，隨著改性酚醛樹脂合成反應(yīng)時間延長，紙基的吸水率基本上逐漸下降，而濕抗張強度和Z-向抗張強度逐漸提高。如固化條件Ⅲ下，改性酚醛樹脂反應(yīng)時間從60 min增加到130 min，吸水率從0.044 g/(m2·s)下降到0.035 g/(m2·s)，下降了20.45%；此時的濕抗張強度在反應(yīng)時間為150 min時達到最高，為10.28 kN/m，比反應(yīng)時間60 min時的8.41 kN/m提高了22.23%；Z-向抗張強度從反應(yīng)時間為60 min時的764.4 kPa提高到150 min時的1 002.7 kPa，提高了31.17%。這說明在一定時間范圍內(nèi)，延長反應(yīng)時間有助于改善改性酚醛樹脂處理后紙基的性能。

由圖5還可知，延長反應(yīng)時間后，要使吸水率和濕抗張強度等達到項目合作企業(yè)生產(chǎn)耐水砂紙紙基的性能要求，只需要較短的固化時間或者較低的固化溫度。如合成反應(yīng)時間在60 min時，固化條件為Ⅲ時的吸水率為0.044 g/(m2·s)；當反應(yīng)時間延長到150 min時，固化條件為Ⅱ時的吸水率比在Ⅲ時的吸水率還低，而此時紙基的Z-向抗張強度基本相同，濕抗張強度雖有下降，也能滿足工廠濕抗張強度≥4.5 kN/m的生產(chǎn)要求。這樣紙張滾涂后固化時間減少了5 min，大大提高了工廠生產(chǎn)效率。

圖5 改性酚醛樹脂的合成反應(yīng)時間對紙基性能的影響Fig 5 Effect of reaction time on the properties of modified phenolic resin

在一定的固化條件下，延長合成反應(yīng)時間能保證酚醛樹脂反應(yīng)充分，生成的樹脂分子量分布相對更加均勻。苯酚與甲醛發(fā)生加成反應(yīng)后，要保證合成的酚醛樹脂為線型的甲階酚醛樹脂，在不過度交聯(lián)的情況下，有助于降低游離酚含量、提高樹脂質(zhì)量，進而提高紙基各種性能。但酚醛樹脂合成是一個不斷縮合的反應(yīng)，當反應(yīng)達到一定程度時會發(fā)生急劇縮合，使其分子量迅速變大并發(fā)生交聯(lián)，得到的酚醛樹脂黏度太高，很難滲透到紙基內(nèi)部，致使耐水砂紙在使用過程中的紙基與砂層發(fā)生剝離，這是影響砂紙摩擦性能、磨損率、機械性能和微觀結(jié)構(gòu)的重要因素[20]。

2.6 改性酚醛樹脂固含量的影響

紙基滾涂上膠時，將改性酚醛樹脂的固含量調(diào)節(jié)到合適范圍，既可保證紙張各項性能又能減少酚醛樹脂用量，降低生產(chǎn)成本。使用添加PEG 600為增韌劑、合成反應(yīng)時間為150 min的溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂，用無水乙醇稀釋得到不同固含量的樣品，將其滾涂到原紙上，固化條件為溫度160 ℃，固化時間為10 min，得到樹脂固含量對紙基性能的影響如表4所示。

實驗發(fā)現(xiàn)，當溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂膠固含量從33%稀釋到15%時，質(zhì)量分數(shù)0.8%和1.0%的 PEG 600為增韌劑改性的酚醛樹脂的上膠率分別由26.8%和26.1%下降到17.0%和16.5%，上膠率下降對紙頁性能影響較大。如表4所示，用質(zhì)量分數(shù)0.8% 的PEG 600增韌的改性酚醛樹脂滾涂，固含量從33%稀釋到15%時，紙張的吸水率不斷增大，濕抗張強度、Z-向抗張強度不斷下降。這說明上膠率降低會造成樹脂滲透到紙張內(nèi)部的量不足，導(dǎo)致紙張的吸水率升高，濕抗張強度和Z-向抗張強度降低；當加入質(zhì)量分數(shù)為1.0% 的PEG 600且樹脂固含量為25%時，紙基的吸水率最低，濕抗張強度最大，Z-向抗張強度適中，分別為0.036 g/(m2·s)、10.56 kN/m和886.4 kPa。這說明對于1.0%的 PEG 600增韌劑改性的酚醛樹脂，可以適當降低酚醛樹脂固含量，保證樹脂能夠滲透到紙張內(nèi)部，從而提高其濕抗張強度和降低吸水率。在不影響紙基性能的條件下，降低固含量有利于控制上膠量和生成成本。

表4 樹脂固含量對紙基性能的影響Table 4 Effect of resin solid content on paper base properties

2.7 耐水砂紙磨削性能評價

根據(jù)紙基吸水率≤0.043 g/(m2·s)、紙基濕抗張強度及Z-向抗張強度較高的實驗條件，為了探討制備的木質(zhì)素改性酚醛樹脂膠對不同原紙的適用性，選擇定量一致并符合工廠生產(chǎn)要求的2種不同產(chǎn)地的原紙，再選用加入質(zhì)量分數(shù)分別為0.8%和1.0%的PEG 600為增韌劑制造的溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂，用其稀釋成固含量分別為25%和33%的樹脂膠。利用改性樹脂膠處理原紙后，在160 ℃下固化10 min，得到紙基。砂紙生產(chǎn)時，選擇粒度代號為P600的黑碳化硅磨料，將紙基裁成400 mm×400 mm樣片貼在生產(chǎn)線大幅卷紙上，再經(jīng)過工廠砂紙生產(chǎn)工藝按紙基上膠、固化、收卷、植砂等工藝制備耐水砂紙。

用制造好的耐水砂紙在東莞金太陽研磨公司進行現(xiàn)場磨削實驗，圖6為耐水砂紙成品現(xiàn)場磨削實驗圖。圖6中的實驗機型號為SS175Ⅱ-W，鄭州青山磨具裝備研究所生產(chǎn)，其外形尺寸為500 mm×300 mm×460 mm，磨盤直徑為175 mm。參考JB/T 10155-2012標準和企業(yè)磨削實驗要求，按照磨盤直徑將砂紙裁成外徑175 mm、內(nèi)徑約10 mm的圓片，在水中浸泡30 min后將其固定在磨盤上，安裝直徑12 mm的標準鋁棒，磨削壓力為10 N，打開水閥，使水沖在鋁棒和試樣接觸處。磨削時的磨盤轉(zhuǎn)速為320 r/min，長往復(fù)行程(即試棒沿磨盤半徑的移動距離)為50.0 mm，10次/min；短往復(fù)行程為4.5 mm，30次/min；磨削時間設(shè)定為30 min。常溫下勻速運轉(zhuǎn)，磨削軌跡的內(nèi)徑為87.0 mm，環(huán)寬度為16.5 mm。實驗時觀察砂紙的背基或者背基與植砂層之間是否發(fā)生剝離、撕裂等，測量砂紙磨削鋁棒的時間及觀察砂紙打磨面的形貌、鋁棒光潔度等情況。

圖6 耐水砂紙現(xiàn)場磨削實驗Fig 6 Field grinding experiment of water-resistant sandpaper

表5為耐水砂紙的磨削情況，其中表5中的合格標準是當砂紙在磨削負載為10 N時磨削標準鋁棒的磨削時間均能超過30 min，且打磨后砂紙的背基或者背基與植砂層之間未發(fā)生剝離、撕裂現(xiàn)象，砂紙的打磨表面雖有磨痕但無大而明顯的劃痕，且鋁棒表面光潔。由表5可知，當以質(zhì)量分數(shù)為0.8%和1.0%的PEG 600為增韌劑制造的溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂處理原紙A和B，上膠率在21.0%～25.8%時，所制備的耐水砂紙磨削加工都合格，亦即砂紙紙基也都滿足要求。然而，砂紙上膠率過高不僅造成生產(chǎn)成本提高，還會影響砂紙硬化程度，最終影響產(chǎn)品韌性。因此，工廠實際生產(chǎn)時可適當降低改性酚醛樹脂固含量以控制上膠量，使得紙基上膠量較低時亦能滿足砂紙磨削性能要求。

表5 紙基砂紙的磨削情況Table 5 Grinding of paper-based sandpaper

圖7為磨削后的耐水砂紙試樣。從圖7(a)中可以看出，砂紙表面磨削后有一道圓環(huán)狀的磨痕，磨損面的連續(xù)性較好，且表5中的6個試樣磨削30 min后其紙基都沒有出現(xiàn)撕裂或者剝離等現(xiàn)象。從磨痕放大后的SEM圖7(b)中可以看出：砂紙磨削面的碳化硅磨料中只有尖端被磨削，周圍有被磨削掉的細小顆粒，磨削面粗糙程度有所降低，但并沒有打磨到紙面基體上。紙基、膠黏劑和磨料三者之間結(jié)合緊密，未出現(xiàn)磨料顆粒脫落現(xiàn)象，說明使用以上方法處理得到的耐水砂紙紙基與磨料之間具有良好的結(jié)合強度、抗張強度及抗水性，通過工廠生產(chǎn)工藝制造的砂紙具有良好的打磨性能。

圖7 耐水砂紙磨削試樣Fig 7 Water-resistant sandpaper grinding sample

總之，利用本文中經(jīng)PEG增韌的木質(zhì)素改性酚醛樹脂膠制備的耐水砂紙，其磨削時間均達到30 min及以上，砂紙無剝離、撕裂現(xiàn)象，達到項目合作企業(yè)生產(chǎn)合格要求。

3 結(jié) 論

(1)利用溶劑木質(zhì)素和聚乙二醇增韌劑對酚醛樹脂進行改性，添加質(zhì)量分數(shù)為1.0%的PEG 600，反應(yīng)時間為150 min制備溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂膠，當改性樹脂固含量為25%時，紙基的固化溫度為160 ℃、固化時間為10 min條件下，紙基的吸水率最低，濕抗張強度最大，Z-向抗張強度適中，分別為0.036 g/(m2·s)、10.56 kN/m和886.4 kPa。

(2)PEG 600能夠?qū)Χ喾N木質(zhì)素改性酚醛樹脂起到較好的增韌作用，其中PEG 600增韌的溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂對紙基性能的提高最大。改性酚醛樹脂的合成時間對紙基性能的影響也較大，當反應(yīng)時間從60 min增加到130 min，紙基的吸水率下降了20.45%；在反應(yīng)時間為150 min時，紙基的濕抗張強度和Z-向抗張強度均達到最高，分別為10.28 kN/m和1 002.7 kPa。當固化溫度為160 ℃不變，固化時間從10 min縮短到5 min，此時的紙基吸水率降低，強度性能雖然稍有下降，但仍滿足要求，因此可大大提高工廠生產(chǎn)效率。

(3)添加質(zhì)量分數(shù)為0.8%～1.0%的PEG 600為增韌劑時，溶劑木質(zhì)素改性酚醛樹脂稀釋的固含量保持在25%～33%，用這些改性樹脂膠處理原紙，在160 ℃下固化10 min后制成紙基，在工廠生產(chǎn)線上進行植砂后得到耐水砂紙，砂紙經(jīng)磨削測試，其研磨時間都達到30 min及以上，砂紙無撕裂或剝落現(xiàn)象，滿足耐水砂紙使用性能要求。