第20卷第2期2008年4月；造纸化学品PAPERCHEMICALS；Vol.20No.2；Apr.2008；喷淋淀粉混合物改善双层纸页层间结合强度；工厂一直使用在湿纸页上喷淋淀粉的方法来改善多层纸；技术的变化削弱了这种方法的效能,这些变化包括车速；表1各种淀粉的特性；性能；平均粒径/μm凝胶化温度/℃；布氏黏度(质量分数为5%,50℃,60r/min；NC
第20卷第2期2008年4月
造纸化学品PAPERCHEMICALS
Vol.20No.2
喷淋淀粉混合物改善双层纸页层间结合强度
工厂一直使用在湿纸页上喷淋淀粉的方法来改善多层纸板的层间结合强度。然而,近期工艺
技术的变化削弱了这种方法的效能,这些变化包括车速的增加、二次纤维用量增加以及造纸系统的封闭循环。在该研究中,用二次针叶木硫酸盐浆的手抄片来研究湿纸页的干度、喷淋淀粉的量以及干燥温度在层间结合强度上的作用。喷淋淀粉会显著增加层间结合强度,湿纸页干度为10%～11%时可获得最大的层间结合强度,高温下的快速干燥也会降低层间结合强度,这主要归因于纸页中缺少可使淀粉凝胶化的水分。在高的干燥速率下建议用淀粉混合体系来改善层间结合强度。基于三元混合体系的设计方法来优化三元淀粉混合体系。该研究结果有助于纸厂优化在湿纸幅上喷淋淀粉来改善多层纸板层间结合强度的实际应用。　　本文研究了湿纸幅干度、喷淋淀粉量以及干燥温度对层间结合强度的影响。用二次针叶木硫酸盐浆手抄片来研究在高速纸机上抄造时,它们的层间结合强度为什么会降低?另外还研究了一种改善淀粉喷淋效能的新方法以及基于三元混合体系设计方法来优化淀粉混合体系。
表1　各种淀粉的特性
平均粒径/μm凝胶化温度/℃
布氏黏度(质量分数为5%,50℃,　60r/min,3号转子测定)/(mPa?s)
NCS13.362～72760
OCS-Ⅰ13.355～65125
OCS-Ⅱ13.750～607
淀粉(OCS)。其中NCS具有最高的布氏黏度,然而有较低凝胶化温度的OCS-Ⅱ流动性最好。表1中的凝胶化温度是从凝胶化开始直至5%的淀粉颗粒失去他们的晶体特性而检测出的温度范围。
漂白针叶木硫酸盐浆板(SW-BKP)用实验室的打浆机打至320mL(CSF)。打浆后的浆料经脱水并在105℃下干燥以获得角质化的二次纤维。重新分散干燥后的纤维并打浆至相同的游离度。一次纤维的保水值为2.44g(每克绝干浆),然而二次纤维的保水值为1.84g。二次纤维的平均纤维长度和双重均纤维长度分别为1.35mm和1.38mm。
为了赋予一小部分纤维红色,在打浆之前向二次SW-BKP中加入0.1%的红色直接染料。通过充分的洗涤浆料来除去未吸附的染料并干燥。用红色纤维抄造的纸页与用未处理的白色纤维抄造的纸页经压榨后复合。没有红色染料从红色纸页迁移到白色纸页,染料对双层手抄片的层间结合强度没有影响,即红色和白色手抄片复合的纸张与用白色手抄片复合的纸张具有相同的层间结合强度,这就表明了没有影响纤维之间的结合。对一层进行染色来研究双层纸页的分层。如果经过Scott内结合实验后得到不同颜色的2层,这就表明纸张是在两层间分离。当经过分层后得到2个有花斑或相同颜色的分层面,这说明纸页两层间的结合强度大于其内结合强度。
研究中用于喷淋的淀粉(表1)为天然的玉米淀粉2　方法
定量为100g/m的手抄片用具有真空脱水系统的实验室纸页成形器抄造。用真空脱水来控制纸页的干度。变化真空度、真空脱水时间、真空脱水原件的数量来获得干度在8.3%到15%之间变化的纸页(干度差别间隔大约为1%)。
将固含量为2%的淀粉浆液喷淋到纸页成形器抄造的湿纸页上。为控制喷淋淀粉的量而设计的淀粉喷淋设备安装在纸页成形器的支架上。喷淋淀粉的量在0.5g/m和2.0g/m之间变化,并且控制误差在0.03g/m以内。
将2张手抄片反面向外,并在6.3kg/cm的压力下压榨5min而复合在一起。在压榨之前,双层纸页的两面放上压榨毛毯和吸收性的纸张衬垫。通过这样处理,经压榨的双层纸页的干度保持恒定在42.5%。压榨后的纸页用烘缸干燥。除了1组用于研究干燥温度对层间结合强度影响的实验外,其他2
第2期喷淋淀粉混合物改善双层纸页层间结合强度
率的影响时,烘缸的温度从50℃变化到100℃,温度间隔为10℃。根据TAPPI测试方法UM403来检测双层纸页的Scott内结合强度。
3　结果与讨论
3.1　湿纸页干度和喷淋淀粉量的影响
湿纸页干度是影响多层纸板层间结合强度的最重要因素之一。事实上,对于多层纸板,应当考虑3种不同类型的湿纸页干度。它们是喷淋淀粉处的纸页干度、复合点各层的干度以及复合后的纸页进入压榨部时的干度。在商业化的纸机上,这些干度通常都是不同的,这是由于在喷淋淀粉和纸页复合后使用了额外的真空脱水原件。我们有可能推测湿纸页的这些干度对层间结合强度的影响。然而,为这种推测展示出强有力的证据是不可能的,因为在一台商业化的纸机上,在这个问题上,实际生产很难与实验联系起来。
众所周知,在水线之前喷淋的淀粉趋向于随着真空脱水时的排出水迁移到纸页内部。这就表明,为了防止淀粉向纸页内部迁移,在水线之后喷淋淀粉更有效。在压榨过程中也会发生淀粉粒子的迁移,这是由于压榨是一个使纸页中含有的水在z向流动的过程。这意味着通过喷淋淀粉改善层间结合强度也依赖于进入干燥部时纸页的干度。
图1为喷淋淀粉前湿纸页的干度和喷淋淀粉量对双层纸页层间结合强度的影响。喷淋淀粉的量对压榨后湿纸页的干度不造成任何影响,保持在42.5%。不含淀粉纸页的层间结合强度随着湿纸页干度的降低而增大,并且最大值与最小值之间的差大于90kJ/m。这就表明,当纸页干度较低时,各层间较强的结合是有可能的。压区中的自由水能使细小纤维在两层的界面间流动。接触面上的细小纤维充填了界面间的空隙并且使层间有更紧密的表面接触。手抄片的正面(即复合面)细小纤维含量的降低是由于高的真空脱水,这也是导致层间结合强度降低的一个主要原因。
喷淋0.5～2.0g/m的淀粉造成层间结合强度的显著增加,并且当湿纸页干度大约为10%～11%时可获得最大的层间结合强度。纸页干度在10%以下时,层间结合强度随着湿纸页干度的降低而降低。对这种结果的解释是可以观测到的,由于淀粉随着水的迁移(对于复合纸页,压榨使淀粉从正面向网面迁移)导致了层间结合强度的降低。当淀粉
图1　湿纸页干度与未经改性的玉米淀粉喷
淋量对双层手抄片Scott内结合强度的影响
结合强度的降低不是很明显,这可能是因为在高淀粉喷淋量下,由于淀粉迁移造成的层间结合强度的
损失不是很重要。必须注意的是,当喷淋淀粉为2.0g/m时,可检测到层间结合强度有明显的降低。这就表明,喷淋过量的淀粉对层间结合强度应当是有害的。3.2　干燥温度的影响
图2为干燥温度对双层手抄片Scott内结合强度的影响。随着烘缸干燥温度的提高,层间结合强度增大,大约在80℃达到最大值,然后又下降。当干燥温度在60℃以下时,随着喷淋淀粉量的增加,层间结合强度降低。这就表明,未凝胶化淀粉颗粒的出现对层间结合强度有负面影响。已经有研究表明未熬过的淀粉就像填料粒子一样作用并降低纸页强度。这也表明,为使淀粉完全凝胶化,纸页中要有充足的热量和水分。
当干燥温度从60℃升高到80℃时,Scott内结
图2　干燥温度对双层手抄片Scott内结合强度的影响
?66?造纸化学品第20卷
合强度骤然增加。尤其是,干燥温度为70℃时,含有2.0g/m天然玉米淀粉手抄片的内结合强度得到显著改善。尽管在这个温度下淀粉没有完全凝胶化,膨胀的淀粉粒子对层间结合强度的改善贡献很大。在80℃下,当淀粉喷淋量为1.5g/m时,可获
得较高的层间结合强度,即此时2.0g/m的淀粉喷淋量赋予较低的层间结合强度。这最有可能是由于喷淋2.0g/m淀粉的纸页缺少水分,不能使淀粉颗粒充分凝胶化。在80℃以上,随着温度的升高,含
有2.0g/m淀粉的双层手抄片的Scott内结合强度经过最高点后显著下降,这应归因于纸页中水分的快速蒸发限制了淀粉的凝胶化。在所有不同淀粉喷淋量下可检测到,在高的干燥温度下层间结合强度都会下降。这就表明,湿纸页在比淀粉的凝胶化温度大约高10℃下缓慢干燥可最大限度地改善喷淋淀粉纸页的层间结合强度。
图3所示为在不同干燥温度下,纸页干度随干燥时间的变化关系。很明显,在高的干燥温度下纸页干度增加更快。干度几乎是线性增加直至达到90
需要降低干燥温度或降低淀粉的凝胶化温度。3.3　淀粉混合体系的影响
进入干燥部时较低纸页干度和相对较低的干燥速率对于天然淀粉有效的凝胶化是必需的,很明显,采用这些手段是不实际的也是不经济的。当采用较高的干燥温度时,将比未经处理的淀粉有较低凝胶化温度的氧化淀粉混合作为一种考察改善层间结合强度的方法。可以想象,较低凝胶化温度的淀粉在当纸页中含有较多的水时就会凝胶化。并且这也将会降低具有较低凝胶化温度淀粉凝胶化需要的水量。
图4所示为OCS-Ⅱ与NCS的混合比率对双层纸页层间结合强度的影响。
图4　NCS中混入OCS-Ⅱ对双层手抄片Scott内
结合强度的影响
单独喷淋氧化淀粉比单独喷淋NCS有较低的层间结合强度,因为氧化淀粉比NCS有较低的成键潜能;并且当淀粉喷淋量为1.5g/m时,这种差异
最大。当喷淋淀粉量分别为0.5g/m和1.0g/m
图3　干燥时间对双层纸页干度的影响淀粉凝胶化时,纸页在凝胶化温度以上的一段时间内有充足的水分是必需的。在高温下干燥纸页将会提高纸页温度以及增加干燥速率,但是常常会导致淀粉的凝胶化不充分。这是由于在高温下纸页中的水分蒸发太快而不能使淀粉充分凝胶化。随着淀粉喷淋量的增加,在高温下干燥对层间结合强度改善的不利影响会增大,因为有更多的淀粉颗粒争夺水分。这就可以解释当淀粉喷淋量最大时,为什么在100℃下干燥时的层间结合强度与最大层间结合强度的差别比较大(图2)。这也很清晰地表明,
时,混入OCS-Ⅱ对层间结合强度没有显著改善。然而,喷淋淀粉为1.5g/m时,层间结合显著提高。含
有质量分数为40%的OCS淀粉,喷淋量为2.0g/m时可获得最大的层间结合强度,这是没有预想到的。因为当使用NCS时,喷淋量从1.5g/m变化到2.0g/m降低了连接强度(图1和图2)。这表明,当喷淋混合淀粉时,几乎所有的淀粉都得到凝胶化。这也证明当需要喷淋大量的淀粉时,将具有较低和较高凝胶化温度的2种淀粉混合来改善层间结合强度是非常有效的。混合2种不同的淀粉使混合淀粉2个阶段的凝胶化,并且这也使2种淀粉都能更有效的凝胶化以及有利于改善纸页的层间结合强度。
当OCS-Ⅰ与NCS一起使用时,可以发现对层
第2期喷淋淀粉混合物改善双层纸页层间结合强度
间结合强度的影响与OCS-Ⅱ有相同的趋势(图5)
图7　喷淋2.0g/m淀粉混合物的双层手抄
片Scott内结合强度等高线图
图5　NCS中混入OCS-Ⅰ对双层手抄片Scott
内结合强度的影响
当喷淋2种氧化淀粉的混合物时,层间结合强度也可以得到改善(图6)
层间结合面上,而是在纸页内部,这就说明层间结合强度超过了内结合强度。
使用二次针叶木硫酸盐浆的手抄片研究了湿纸页干度,淀粉喷淋量以及干燥温度对层间结合强度的影响。
不含淀粉纸页的层间结合强度随着湿纸页干度的降低而增大,并且最大值与最小值之间的差大于90kJ/m。这就表明,当纸页干度较低时,各层间强有力的结合是可能的。喷淋0.5g/m到1.0g/m的淀粉导致层间结合强度显著提高。当纸页干度大约为10%～11%时可获得最大的层间结合强度。纸页干度在10%以下时,随着湿纸页干度的降低,用淀粉处理过的双层纸页的层间结合强度也下降。这种下降可能是由于淀粉随着复合纸页的压榨出水从纸页的正面迁移到网面。当淀粉喷淋量为2.0g/m时可发现层间结合强度有显著降低。
当干燥温度从60℃升高到80℃时,Scott内结合强度骤然增加。在80℃的干燥温度下,淀粉喷淋量为1.5g/m而不是2.0g/m时可获得较高的层间结合强度,这是由于在高的淀粉喷淋量下,淀粉的凝胶化缺少水分。
当使用大量的淀粉时,将具有较低凝胶化温度的氧化淀粉与天然淀粉混合来改善层间结合强度是非常有效的。用三元的单一质心设计方法来评价混合3种淀粉对层间结合强度的影响。当以m(NCS)∶m(OCS-Ⅰ)∶m(OCS-Ⅱ)=6∶5∶4的比例混合时可得到最大的内结合强度。
(王成海　编译)
图6　OCS-Ⅰ中混入OCS-Ⅱ对双层手抄片Scott
内结合强度的影响
2种氧化淀粉的混合物使层间结合强度有较小的提高,由于与NCS相比,氧化淀粉有较低成键潜能。3.4　三元混合体系的设计
为了深入理解混合3种淀粉对层间结合强度的影响,使用了三元的单一质心(simplexcentroid)设计方法。
图7所示为Scott内结合强度的等高线图。
当以m(NCS)∶m(OCS-Ⅰ)∶m(OCS-Ⅱ)=6∶5∶4的比例混合时可得到最大的内结合强度484.8kJ/m。在这种情况下,
纸页分层不是发生在
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