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【 |三E 鹫 ・工艺技术・ 水溶性P V A合成纤维 在低定量纸张中的应用 ■党育红’ 王志杰’ 王丽娴 李鸿魁’ 李博雅’ (1.陕西科技大学造纸工程学院陕西成阳7l208l; 2.西安铁路局宝鸡车务段陕西成阳712000) PVA是聚乙烯醇缩甲醛纤维的英文缩写,简称维纶, 纤维呈白色。水溶性PVA纤维是一种很有发展前途和应 用价值的功能化纤维,不仅具有理想的水溶温度和强度、 伸度,有良好的耐酸、耐碱、耐干热性能,而且溶于水后无 味、无毒,水溶液呈无色透明状,在较短的时间内能自然 分解,是对环境不产生任何污染的绿色环保产品…。PVA 水溶性纤维作为一种新型的造纸添加材料,在水分充足 的情况下,在8O~9O℃的造纸干燥机上会瞬间溶解,并迅 党育红,硕士,高级工程师,主要 从事湿法非织遣布技术及特种纸 的研究。 速粘附在具有一定强度的植物纤维上,形成网络结构,提 高纸张的强度和韧性 J。在造纸中应用水溶性PVA纤维, 主要是利用其独特的水溶性和热压粘合性能。本试验是 将水溶性PVA作为纤维状增强剂添加应用于低定量纸张 中,以探讨其对强度性能的影响。 摘要:在低定量纸中添加水溶性PVA 纤维作为增强剂,研究了水溶 性PVA纤维的加入方式、用量、 打浆条件对增强效果的影响。 1 实验 1.1原料 结果表明:水溶性PVA纤维最 佳应用条件为PVA用量2.O%, 分段磨浆,控制干燥温度70~ 进口针叶木浆;水溶性PVA纤维,四川维尼纶厂生产。 1.2打浆、抄造工艺 针叶木浆疏解并用PFI磨磨至一定转数,然后将水溶 性PVA纤维加入,混合均匀后,继续磨至总转数。磨浆浓 度为lO%。纸张定量为16g/m ;将磨好的混合浆,用标准 75。C,纸张各项强度指标有不 同程度的提高,干抗张指数提 高1 5.0 0%,湿抗张指数提高 2.O6%、撕裂指数提高5,1 5%、 耐折度提高5 5.5 5%。说明水 溶性PVA纤维对低定量纸张增 强效果明显。 浆样疏解器疏解均匀后,在进口纸样抄取器上抄片。并压 榨,然后烘干,控制干燥温度在80~85℃【3】。 1.3纸张性能测试 湿强度的测定:待测纸样按国家标准方法测其湿 关键词:低定量纸张;水溶性;PVA纤 维;强度性能 抗张指数,浸泡lmin和30min湿抗张指数的测定结果 相差不大,为操作方便,均采用lmin浸泡法。 1.4 PVA纤维形态的显微镜观察 中圈分类号:TS722;TS75 文献标识码:A 文|.【编号:1 007--92l1(2006)1 2--0042--04 将水溶性PVA纤维分散,润胀,然后散布于载玻片 上,室温自然干燥,经赫氏试剂染色后制片,在Motic— DMB 多媒体显微镜下观察,并拍照。并用KYKY-1000B 扫描电子显微镜进行观察。 1.5扫描电镜(SEM)观察 42彳单双・摹27‘摹l2囊2ooe丰l2月 维普资讯 http://www.cqvip.com
O-i-Z ̄O丽 用KYKY一1000B扫描电子显微镜观察抄片的断面 形态结构。 入少量即显示出良好的分散效果,抄造出匀度良好的纸 张,同时纸页柔软性和强度都较好,且不影响其它助剂的 功能 】。本实验PEO用量均为0.07%。 (3)干燥温度的影响(见表2、表3) 比较表2、表3可看出,控制干燥温度70~75℃、干燥 时间稍长,但比干燥温度100~110℃效果好。当干燥温度 2结果与讨论 2.1水溶性PVA纤维的纤维特性及纤维形态观察 2.1.1 水溶性PVA纤维的纤维特性(表1) 2.1.2 水溶性PVA纤维的纤维形态观察(图1) 过低、时间过短时,水溶纤维呈半溶化,起不到粘结增强 作用,当干燥温度过高、时间过长时,水溶纤维呈全溶状 由图1可看出,水溶性PVA纤维经赫氏染色剂染色后 纤维呈紫红色,其纤维发生润胀,纤维壁变薄,纤维中间 形成类似空腔的形态。水溶性PVA纤维在赫氏染色剂作 用下呈现的颜色反应及形态特征可作为鉴别水溶性PVA 纤维的重要依据。 态,并充满纸浆纤维间的空隙,抄造的纸张发硬、发脆,强 度低,且水溶性PVA纤维的大量溶解会造成纸页粘缸粘 毛布,难以剥离成形。故实验时干燥温度控制在70~75 ℃,同时使干燥时间稍长。 同时从表2、表3可看出PVA用量超过3%后,各强度 2.2水溶性PVA纤维对纸张强度性能的影响 2.2.1 水溶性PVA纤维经过预处理直接与木浆混合 指标均呈下降趋势。因为用量过高会削弱纤维之间的结 合力,加上PVA纤维比较长,过多地加入引起浆料分散不 均,使得成纸匀度较差,这对于定量较低的纸线原纸影响 (1)水溶性PVA纤维的预处理 由于水溶性PVA分子中碳原子的柔性主链上有许多 亲水性的羟基一oH,会将水分子吸附于大分子间隙之中, 当纤维本身大分子之间的相互作用强度低于水分子与大 分子的相互作用强度时,纤维产生润胀,然后收缩,当纤 维达到最大收缩率时,就会溶成胶状,最后以分子形式溶 更明显,因而用量过高强度下降。本实验中用量确定为1 %~3%。 (4)水溶性PVA纤维水溶温度的影响 为了确定水溶性PVA纤维的水溶温度,对水溶温度 解分散于水中131。 预润胀处理条件为:在恒温水浴中将其悬浮液缓慢 加热升温,至温度低于水溶温度5~1 0℃时,保温1 5~ 60℃和70℃的PVA纤维在添加量、干燥温度及其它条件 相同的条件下与木浆混合抄片,其强度指标检测结果见 表4和表5。 20mint 。使其纤维分散均匀,吸水润胀,从而增加其表面 积,有利于纸张强度的提高。 比较表4和表5可以看出,水溶温度60℃的要比70℃ 的好。说明水溶温度低的水溶性PVA纤维,一般粘结力 大,纸张增强效果'dz大【5】。故实验时选用水溶温度60℃的 PVA纤维。 (2)实验中所用的PVA纤维长度多为4ram,比木浆纤 维要长得多。PEO作为纸浆分散剂,具有粘度高、水溶性 好和润滑性好的特点。无论对植物纤维还是合成纤维,加 表1 水溶性PVA纤维主要性能参数… (5)水溶性PVA纤维用量与纸张性能的关系(见表6) 从表6可以看出:PVA纤维不经过打浆处理而直接 与针叶浆纤维混合,纸张各强度指标随PVA用量的增 加呈现先升后降的趋势,PVA用量为2.0%时增强效果 最好,此时干抗张指数提高3.10%,湿抗张指数提高 16.45%,撕裂指数提高13.79%,耐折度提高110.14 SY-70 704-5 ≥2.5 22±3 40+4 SOt:k5 2 2—4 PVA纤维 SY-60 60士5 ≥2.5 274-3 40士4 ‘ 50士5 1 3 4 %。PVA用量大于2.0%时对抗张指数的提高反而不 利。但是撕裂指数在所添加的范围内一直在提高,同时 湿抗张指数、耐折度有了大幅度提高,可见水溶' ̄PVA 纤维具有良好的增干、湿强作用。这是因为PVA纤维含 有一OH基,亲水性好,干燥过程中,在水分和温度适宜 的情况下膨润、溶解,将与其交叉的纤维粘结,达到增 强目的。在此过程中,纸的水分含量和干燥温度的匹配 十分重要。 2.2.2 水溶性PVA纤维磨浆转数对纸张性能的影响 PVA纤维 不溶纤维≥115》5.0 174-2 / / 1 1 6 (1)打浆工艺条件 图1 水溶性PVA纤维的纤维形态 因为水溶性PVA用量不大,应主要起网络骨架作 c & ,^ Vo1.2724o.12 43 维普资讯 http://www.cqvip.com
礓 陵 ・工艺技术・ 表2 70~75"C时不同用■PVA纤维的纸张物理性能 用,因此,打浆后的水溶性PVA纤维长度应比纸浆纤维稍 长为好,以避免缠绕。 在PVA用量(2%)的情况下,采用分段打浆方式,即 先将针叶木浆经PFI磨至一定转数,然后再添加PVA纤维 l2.0 ‰_铮量纷 : . ’ 3量:i ≤_翻摊 磨至总转数,研究PVA纤维磨浆转数对纸张性能的影响。 . o ・13‘’: 73; ll 1{¨ ≥叩. ,; (2)水溶性PVA纤维磨浆转数对纸张性能的影响(表7) ・9 。 5l.O 17,44;一一。嚣 53. 2l 孑7 誊 .04, 0 99 :。 l 一 负 表7水溶性PVA纤维磨浆转数对纸张性能的影响 6.O ; 注:针叶木莱打莱度为75。SE、湿童为6.01g;PEO用量0.07%。 表3 1 O0~11 0‘C时不同用■PVA纤维的纸张物理性能 2 1500 l6.1 60.77 25,43 . 戳l《’鼍瑚 3 姗 .1 毫《 啊 _ .495 4 350lD 1 .7 弼.驾7 郊 6.3I 5o3 2 0.。 注:针叶木莱打莱度为75 SE、湿童为6.01g;PE0加入量0.07%;PAE入 3.O 17.6 — _ s7 33 : 0_l辫,7-_暑3 ,,- 543lO3 量1.7%;PVA用量2.0%。 4 O ^ ‘ l :1,.1. 、-4 5'、 :5.3蠹 t … 6 嚣 露 ‘ ‘279 5从表7可以看到,在磨浆总转数、PVA添加量相同的 6. 00 _116.7.0 ,9 52.99 £囊 ≯ 醺;6.蘸 - ?娩 13297 , 、 情况下,在所确定的转数范围内,随着磨浆转数的提高, 注:针叶木莱打莱度为75‘SE、湿童为6.01g;PE0加入量0.07%。 纸张的干抗张指数、湿抗张指数、耐折度一直在增加,当 磨浆转数为3500转时,分别比PVA纤维不经过磨浆处理 表4 SY--60PVA纤维用■与纸张强度的关系 直接用于纸张抄造时提高了6.0%、l1.0%、5.0%,实际纸 张强度比未加PVA纤维分别提高了9.1%、27.45%、l15. 14%,但同时可看到随着磨浆转数的提高,撕裂指数呈下 蛰 、 盏 ; ≯ 降趋势,未经磨浆处理的为7.49raN・Ill /g,磨浆处理后 3,0 : 圭 譬 ・÷_7 珏 , 3l7 为6.31mN・Ill /g,下降了15.75%。由此可见,PVA纤维 注:针叶木莱打莱度为75’sR、湿童为6.01g;PE0加入量0.07%。 与纸浆纤维混合后,进行适当的磨浆有利于改善干强度 表5 SY--70PVA纤维用■与纸张强度的关系 性能。除撕裂度外,其余强度指标均有不同程度的增加, 尤其是湿强度,也会因磨浆处理而提高,而且幅度较大。 可以看出:在低定量纸张中,PVA添加量以2%、添加 PVA后磨浆至3500转效果较佳,此时有较多PVA以纤维 1.O 16 8. 铝 61. 毫 … 71 形态保留在纸页中,能起到一定的粘结增强作用。 2.O ’ l .7 54 .. 。6 2o6 3.O 17.2 53, 一 5.32 。。I19 2.2.3不同磨浆转数纤维的质量分析(表8) 注:针叶木莱打莱度为75。sR,湿童为6 01g;PE0加入量0.07%。 由表8可以看出,随着磨浆转数的增加,混合浆中纤 维的长度不论是算术纤维平均长度还是二重重均纤维长 表6 PVA纤维用■与纸张性能的关系 度都在下降・同时细小纤维含量无论是数均还是重均都 在增加,因而引起纸张强度的下降。 2.3水溶性PVA纤维增强机理的探讨 o .2 强 % . ; 1.O 16.9 58.9S . 2 0碡 一 6 98 417 图2显示,未加水溶性PVA纤维的纸页在拉断时,纤 I.5 17 I 6o 5z:、2s 姑 “ '7 ̄49—478 维大部分都是整根被抽出来的,拉断的较少,断口显得比 2.O l6.9 6O.23 .3t 。r . 8 580 较稀松,说明纤维本身强度超过纤维之间的结合强度,加 2.5 l6.8 59.73 29.14 7. 547 入水溶性PVA纤维后,纸张被拉断时,纤维自身被拉断的 3.O 17.O :58. 0 矗* 豫 。 奠 警 3.5 16.7 58.31 2, 67 。 26 370 多,而整根被抽出的少,断口的纤维结构较紧密,证明纤 注:针叶木莱打莱度为75。sR,湿童为6.o1g;PE0加入量0.07%;PAE加入 维之间的结合强度超过了大部分纤维自身的强度,可见 量1.7%。 加入水溶性PVA纤维后增加了纤维之间的结合力,使纸 44彳单氓-摹27‘摹I2囊2oo6.=.Ft2 ̄1 维普资讯 http://www.cqvip.com
●工艺技术● 表8不同磨浆转数纤维的FQA分析检测结果 3 结论 3.1水溶性PVA纤维经赫氏染色剂染色后呈紫红色,显 微镜下可观察到水溶性PVA纤维发生润胀,纤维壁变薄, 纤维中间形成类似空腔的形态。水溶性PVA纤维在染色 15oo 2500 0.813 0.788 1.838 1.810 2.432 2.435:‘38.65 40.00 5.51 5.97 剂作用下的呈色反应及形态特征可作为鉴别水溶性PVA 纤维的重要依据。 35oo 0.765 1.757 2.361 40.25 6.O2 3.2磨浆方式对水溶性PVA纤维的增强效果有影响。采 取两段磨浆即先将植物纤维磨1 500转,然后再添加水溶性 PVA继续磨浆2500转时增强效果较佳。 3.3水溶性PVA纤维磨浆转数3500转、用量为2.0%时各 种物理指标达到最佳值,干抗张指数、湿抗张指数、撕裂指 数及耐折度比相同条件下没有添加的分别增加了1 3. 00%、2.06%、3.15%、53.33%,增幅较大。 未加PVA纤维SEM照片PVA纤维用量2%SEM照片 3.4 PVA水溶性维纶作为纤维性粘结剂,与植物纤维配 合使用,除了可以提高纸张的干强度外。还可以提高纸张 的湿强度。口 图2 抗张试样断口的扫描电子显微镜图(X 1 O0) 张强度得以显著提高。 一般认为水溶性PVA纤维对纸张增强作用是基于 参考文献 [1】王琛,姜淑梅,杨建忠.水溶性纤维的开发与应用[J】.西北纺织 工学院学报,2ooo,1 4(3):304~308. 以下几点『6l:(1)水溶性PVA纤维本身强度远远高于纸浆 纤维的强度;(2)水溶性PVA纤维含有的游离极性羟基, 能与纸张中纤维素上羟基形成氢键结合;(3)水溶性 PVA纤维在加热干燥时能形成半溶状粘结纤维,具有类 似粘合剂的粘结作用,使纤维间结合强度增加;(4)所有 的水溶性PVA纤维都具有良好的成膜性,在纸张表面可 以形成一层具有保护作用的膜层,从而使纸张具有较高 的抗张强度。其中的粘结作用,对增强效果影响较大,它 与水溶性PVA纤维在纸页中的纤维形态、溶解状态有 关,还与其留着率有关。本试验采用两段磨浆、控制水溶 性PVA用量及干燥温度的方法,有利于水溶性PVA纤维 的留着及溶解程度的控制,提高其增强效果。 [2】唐爱民,陈港,谢国辉等.水溶性维纶的结构及对含二次纤维 纸张强度的影响【J】.中国造纸,2002.(4):9—1 2. [3】康硕,唐爱民,张宏伟等.水溶性PVA纤维对包装纸增强作用的 研究[J】.中国造纸学报,2004,1 9(1):1 I 2~1 1 6. [4】胡志斌,谢来苏.PEO一造纸用分散剂的应用研究[J】.上海造 纸,2002,(1):48~51. 【5】汪丹妤,徐冬球,应建明.水溶性聚乙烯醇纤维用于纸张增强 剂的研究[J】.西南造纸,2004,3 3(3):21~22. [6】余河海.PVA水溶纤维在造纸中的应用[J】.国际造纸,2002,21 (1):1 9~22. Application of water soluble P 4 synthetic fibre in light weight paper DANGYu・hong’,WANGZhi-jie’, WANG Li-xi,all2, LI Hong.kui’.LI Bo—yal 《1.School ofPapermaking Engineering,Shaanxi University fScioence and Technology,Xianyang 712081,Shaanxi,China; 2.Baojf Railway Section,Xi an Railway Bureaux,Xianyang 712000,Shaanxi,ChiaJn Abstract:Water-soluble PVA ibers were used as a freinforcer in low weight paper production.The influence of adding way and dosage of water-solublePVAfierbsandthe condiitonsofbeatingonthe enhancementofrefining effectwere studied.The resul ̄showthattheoptimal application conditions are:dosage of PVA iferbs 2.0%,two—stage refining process,the drying temperature 70~75"C.The tensile index of he tpaper was increased by 13.00%,wet tensile index by 2.06%,tearing index by 3、15%and folding endurance by 53.33%.It showed that the strengthperformanceofthelightweightpaperwas remarkablyimprovedbyusingwater-solublePVAfierbs. Key words:light weight paper;water-solubility;PVA ibfer;strength characteristics......... ........................ ......... ....—— 收稿日期:2006--05--1 5 c劬 脚矗 p盯m Fo1.27.No.12 枷45