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魔芋胶有机硼表面交联改性沉淀碳酸钙及其应用性能

摘 要:本研究采用有机硼交联剂,将魔芋胶交联到PCC表面,制备改性沉淀碳酸钙(MPCC),并对其应用性能进行研究。通过本研究得到的实验结果表明:改性PCC的最佳制备条件为魔芋胶用量为1%,有机硼交联剂用量为4%,交联反应温度为50 ℃,交联反应时间为60 min;与未改性PCC相比,MPCC适合制备高强度、高加填量和低定量纸张;其应用性能优于直接添加PCC和相当量魔芋胶、优于直接添加PCC和相当量有机硼。

关键词:沉淀碳酸钙;改性;魔芋胶;有机硼

目前造纸工业最常用填料是碳酸钙(研磨碳酸钙和沉淀碳酸钙)、高岭土和滑石粉[1-2],这三类填料占填料总使用量的80%~90%。随着高档纸的生产酸性向中性或碱性转变,碳酸钙填料也逐渐取代了高岭土和滑石粉填料。造纸填料改性是一个研究比较活跃的领域,其中PCC改性得到了广泛关注。本研究采用有机硼交联剂将魔芋胶交联到PCC表面制备改性沉淀碳酸钙(MPCC),交联的魔芋胶比较牢固,在水中不易脱落。本研究可以拓宽碳酸钙在造纸中的应用范围,将会为改性碳酸钙的制备与应用提供新的思路。

1 实验

将一定量的魔芋胶加入至含有一定量水的斜三口瓶中,在设定的反应温度下搅拌分散,然后加入PCC;向反应器中加入一定量的三乙醇胺硼酸酯,搅拌反应一定时间;通过离心收集反应产物并将其洗涤、烘干。将用水浸泡的漂白硫酸盐浆,用标准疏解器疏解、打浆、适当稀释后加入一定量MPCC;参考 GB/T3703-1999方法,用纸页成型器抄纸;用油压机压榨后干燥,手抄片的定量为70 g/m2。纸张的抗张强度、耐破强度和撕裂强度的测定分别按GB/T12914-1991、GB/T12914-2002和GB/T455-2002标准测定。

结果与讨论

由图1可知,随着改性PCC的魔芋胶用量增加,纸张的抗张指数先增加,后缓慢降低至保存不变。PCC与魔芋胶交联时,魔芋胶用量不宜太高,本实验认为,当交联剂有机硼过量时,改性PCC魔芋胶的最佳用量为1%。

由图2可知,随着改性PCC的有机硼用量增加,纸张的抗张指数缓慢增加。从应用效果和经济性考虑,PCC与魔芋胶交联时,有机硼用量不宜太高,本实验认为,当魔芋胶用量1%时,改性PCC的有机硼交联剂的最佳用量为4%。

注: 有机硼用量为10%(过量),纸张定量为70 g/m2,加填量为20%。

图1 改性PCC的魔芋胶用量与纸张抗张指数(a), 耐破指数(b)和撕裂指数(c)的关系

注: 魔芋胶用量为1%,纸张定量为70 g/m2,加填量为20%。

图2 改性PCC的有机硼用量与纸张抗张指数(a), 耐破指数(b)和撕裂指数(c)的关系

如图3所示,随着PCC改性的交联反应温度增加,添加MPCC纸张的抗张指数先缓慢增加后缓慢降低;耐破指数先增加后缓慢降低;撕裂指数先增加后缓慢降低。从应用效果和经济性考虑,当改性PCC的魔芋胶用量1%,有机硼交联剂用量4%,交联反应时间60 min时,本实验得到PCC改性的较佳交联反应温度为50 ℃。

如图4所示,随着PCC改性的交联反应时间的增加,添加MPCC纸张的抗张指数先缓慢增加后缓慢降低、耐破指数缓慢增加、撕裂指数缓慢增加后有降低趋势。本实验得到PCC改性的较佳交联反应时间为60 min。

注: 魔芋用量为1%, 有机硼用量为4%, 反应时间为60 min, 纸张定量为70 g/m2, 加填量为20%。

图3 改性PCC的交联反应温度与纸张抗张指数(a), 耐破指数(b)和撕裂指数(c)的关系

注: 魔芋胶用量为1%,有机硼用量为4%,反应温度为50 ℃,纸张定量为70 g/m2,加填量为20%。

图4 改性PCC的交联反应时间与纸张抗张指数(a),耐破指数(b)和撕裂指数(c)的关系

如图5所示,与未改性PCC相比,MPCC加填量为30%的纸张的抗张指数、耐指数和撕裂指数分别提高了20.22%、42.84%和58.82%;加填量为40%的纸张的抗张指数、耐破指数和撕裂指数分别提高了16.02%、44.81%和53.33%;加填量为50%的纸张的抗张、耐破、撕裂指数分别提高了7.85%、72.65%和57.14%。因此,可以用MPCC制备高加填量纸张。

注: 魔芋胶用量为1%, 有机硼用量为4%, 反应温度为50 ℃, 反应时间为60 min, 纸张定量为70 g/m2。

图5 加填量与纸张抗张指数(a), 耐破指数(b)和撕裂指数(c)的关系

抗张指数是纸张重要的物理指标,添加MPCC纸张的抗张指数达到30.9 Nm/g,高于添加PCC纸张的22.1 Nm/g,作为对比实验,当直接加入20%PCC和1%(相对于PCC)魔芋胶时,纸张的抗张指数为25.2 Nm/g,高于添加PCC的纸张,而低于添加MPCC的纸张,因此,MPCC能够显著提高手抄片的力学性能。

3 结论

PCC改性的最佳条件为:魔芋胶用量1 %,有机硼交联剂用量4 %,交联反应时间60 min,交联反应温度50 ℃时;与未改性PCC相比,改性PCC能够显著提高加填量为20 %、30 %和40 %纸张的物理性能,可以用MPCC制备高加填量纸张;MPCC的应用性能优于直接添加PCC和相当量魔芋胶、优于直接添加PCC和相当量有机硼。

参考文献:

[1] 吕乐福, 卢立波, 刘玮, 刘庆岭, 李晓云. 几种非金属矿物在造纸行业中的应用进展[J]. 天津造纸, 2019(01).

[2] 李凯华, 程宏飞, 杜贝贝, 徐红卫. 非金属矿物在造纸行业中的应用进展[J]. 中国非金属矿工业导刊, 2016(01)

【基金项目】本研究得到了2017年广西高校中青年教师基础能力提升项目(项目编号2017KY0634)、梧州学院校级科研项目(项目编号2018B010)、“广西高等学校千名中青年骨干教师培育计划”项目和大学生创新训练项目(项目编号202011354028、202011354136)的支持。

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文章名称:《魔芋胶有机硼表面交联改性沉淀碳酸钙及其应用性能》
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