白泥纤维的表面改性及其对纸张性能的影响

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白泥纤维的表面改性及其对纸张性能的影响
王楠1，苏秀霞1，郑小鹏2，毛敏1，吕檬夷1
(1.陕西科技大学教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室,西安710021；2.上海洁联环保科技有限公司，上海201721)
摘要：白泥纤维是近几年新兴的一种矿物纤维，针对其脆性大、刚性强、易断裂的缺点进行改性。利用聚乙烯醇对白泥纤维进行表面改性，研究改性剂的用量、改性温度、改性时间等对白泥纤维改性效果的影响。通过纤维过筛率、纸张性能如抗张强度、环压强度、耐折度对纤维改性结果进行评估。研究结果表明，最佳改性条件为：改性剂用量3%，改性温度50℃，改性时间1.5h。最后通过扫描电镜对改性结果进行分析。
关键词：白泥纤维；聚乙烯醇；表面改性;纸张性能；改性条件；扫描电镜
中图分类号：TS727文献标识码：A文章编号：1001-6309(2014)02-0028-03
白泥纤维是以造纸工业的副产物白泥[1-3]为主要原料，与煤矸石、粉煤灰等矿物经过适当的配比混合后，再经过多道工艺处理制成的无机矿物纤维[4]，白泥纤维具有良好的耐热性、阻燃性和电绝缘性，并且具有防火、吸湿变形性小、防蛀等独特的优点[5]，将白泥纤维用于造纸，可节约植物纤维用量，减少对环境造成的污染，降低造纸成本。但白泥纤维脆性大、易断裂，而且不含有可以与植物纤维相互作用的基团，将其用于造纸时将使纸张强度降低。所以需要对白泥纤维进行处理，使其得到更高的利用价值。
聚乙烯醇是一种优良的纤维增强剂，其成膜性及韧性较好[6,7]，其分子链上带有大量游离的极性羟基，以它作为成膜物质包覆在白泥纤维表面，其分子链上游离的羟基可与植物纤维中的羟基相互作用形成氢键结合力[8]。但聚乙烯醇分子链上不含能与白泥纤维相互作用的基团，其分子链上无离子存在，不易于包覆在白泥纤维表面。所以，还需对聚乙烯醇进行改性处理。
本文试图利用聚乙烯醇与硫酸铝合成一种阳离子改性剂，包覆在白泥纤维表面，使白泥纤维表面的界面张力发生变化，使白泥纤维与植物纤维通过改性剂作用，更好地交织在一起，从而达到增强纸张强度的目的。
1·实验
1.1原料及药品
聚乙烯醇(1788)，硫酸铝（分析纯），过氧化氢（30%），氢氧化钠（分析纯），白泥纤维，定性滤纸，去离子水。
1.2实验方法
1.2.1改性剂的制备
室温下，将一定量的聚乙烯醇粉末加入到三口烧瓶中，加入适量的水，冷凝回流，搅拌溶解，升温至85℃继续搅拌至固体完全溶解。调节pH至碱性，加入一定量的过氧化氢对上述溶液进行降解，降解程度用黏度计测量。
将上述溶液降温至50℃左右，加入适量的硫酸铝反应30min。制得白泥纤维表面改性剂。
1.2.2白泥纤维的改性
在烧杯中加入一定量的水，将其加热到一定温度后，向体系中加入改性剂，充分摇匀，再向体系中加入一定量的白泥纤维，搅拌使其分散，待体系反应一定时间后，使改性纤维降至室温，抽滤得到改性的纤维，然后将纤维烘干备用。
1.2.3抄片实验
将改性后的白泥纤维与植物纤维按一定配比混合，在纸样抄取器上进行抄片，在105℃下压榨并干燥10min。抄造的纸页经48h吸水平衡后，按国家标准方法测试其物理性能。
2·分析与表征
2.1白泥纤维SEM图分析
将改性前和经改性聚乙烯醇改性的白泥纤维制成测试样片后喷金，扫描电子显微镜(SEM，S4800）在加速电压0.5~30kV，0.1kV/步，放大倍率20~800000的条件下来观察和研究不同条件下白泥纤维的表面形貌。
2.2纤维改性效果评价
过筛法：白泥纤维属于无机矿物纤维的一种，纤维之间没有氢键或其他化学键的结合力，所以经研磨后，其过筛率极高。而改性后的白泥纤维表面包覆一层聚乙烯醇改性剂，使得纤维之间通过化学键作用，增加了纤维本身的强度，过筛率明显降低。将纤维烘干至恒重，研磨30s后用200目筛网进行过筛，计算其过筛率[9]。
过筛率=(M1-M2)/M1×100%式中：M1—过筛前纤维的干重，g；M2—过筛后剩余纤维的干重，g。过筛率大小表征了改性剂对纤维的软化程度。过筛率越大，表明纤维的改性效果越差，反之越好。
2.3纸张性能测试
采用DC-KY3000A型电脑测控压缩试验仪及ZL-300A纸与纸板抗张试验仪、DCP-MIT135A电脑测控耐折度仪，分别测定纸张的环压强度、抗张强度、耐折度。
3·结果与讨论
3.1白泥纤维的改性
由于白泥纤维的表面存在大量的SiO-和AlO-，使得白泥纤维表面带负电荷[10]。将白泥纤维在水中分散，这两种带负电荷的基团吸附水分子中的正电荷H＋离子，使水分子发生极化，正电端吸附在纤维表面，负电端朝向纤维外端[11]，所以本实验使用改性剂使白泥纤维表面阳离子化。在改性过程中，改性剂可以与白泥纤维通过静电作用，使改性剂包覆在白泥纤维表面。由于聚乙烯醇具有良好的水溶性，且有很好的成膜性和韧性，可在一定程度上对纤维进行包覆。所以在实验中使用阳离子化聚乙烯醇改性剂对白泥纤维进行改性。在合成改性剂以及白泥纤维的改性过程中，影响改性结果的因素有：改性剂用量、改性温度和改性时间。
3.1.1改性剂用量对改性结果的影响
由表1可知，随着改性剂用量的增加，纤维的过筛率依次降低，纸张的抗张强度、环压强度、耐折度都随改性剂用量的增加而增大。这是由于随着改性剂用量的增加，越来越多的改性剂与白泥纤维通过静电作用结合在一起，改性剂包覆在白泥纤维表面，使得纤维之间的连结强度增大，从而使纤维的过筛率降低。改性剂用量达到3%时，纸张的性能参数变化不明显。这是由于随着改性剂加入量的增加，白泥纤维表面包覆了一层改性剂，改善了白泥纤维的表面形态，改性剂用量为3%时纤维表面的改性剂吸附量达到饱和，所以再增加改性剂的用量纸张性能变化不再明显。由以上可知改性剂最佳用量为3%。

3.1.2改性温度对改性结果的影响
由表2可知，随着改性温度的升高，纤维的过筛率依次降低，纸张的抗张强度、环压强度、耐折度都有不同程度的增加，这是由于本实验所用的改性剂为PVA-Al体系，温度对其黏度影响较大。温度较低时黏度太大，改性剂不能均匀包覆在纤维表面，起不到较好的改性效果，随着温度的升高溶液黏度逐渐降低，分子热运动加快，使改性剂容易包覆在纤维表面。温度较高时分子能量高，分子热运动过快，影响反应进程，使得部分改性剂解吸。综合考虑，改性最佳温度为50℃。

3.1.3改性时间对改性结果的影响
由表3可知，随着改性时间的增加，过筛率逐渐降低，纸张的抗张强度、环压强度、耐折度都呈增长的趋势。这是由于，随着改性时间的延长，改性剂在白泥纤维表面的包覆量增加，时间达到1.5h后，白泥纤维表面改性剂的包覆量已经达到饱和，纸张性能参数变化不明显，所以改性最佳时间为1.5h。

3.2改性前后白泥纤维表面形貌分析
对比图1和图2，可明显看出改性前后白泥纤维表面形貌不同，改性前的白泥纤维明显呈现单根圆柱状，且表面光滑无粘附物。经过改性后的白泥纤维，表面均匀包覆一层聚乙烯醇改性剂，纤维之间通过改性剂作用连结在一起。通过改性前后的效果对比图可以明显看出，改性是成功的。

4·结论
（1）白泥纤维的最佳改性条件为：改性剂最佳用量3%，改性最佳温度50℃，改性最佳时间1.5h。
（2）白泥纤维通过改性剂改性后，白泥纤维表面有一层均匀包覆物，且纤维之间通过改性剂作用连结在一起，取得较为明显的改性效果。
（3）改性后白泥纤维与植物纤维混合抄片的纸张与改性前白泥纤维与植物纤维混合抄片的纸张相对比，纸张的抗张强度、环压强度、耐折度都有明显的提高。
参考文献：
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