岑蕾 張新昌

摘 ?????要： 以原生紙漿為材料，漿內(nèi)添加各類助劑制備紙漿模塑試樣，分別測試耐破度、撕裂度及抗張強(qiáng)度，以分析助劑對紙模制品強(qiáng)度性能的影響。試驗(yàn)分析表明，漿內(nèi)添加一定比例的CS、PVA、CPAM及CMC均可增強(qiáng)試樣的強(qiáng)度，且較優(yōu)的助劑配方為：CS1.4%、PVA0.6%、CPAM0.05%、CMC0.8%，此時(shí)試樣耐破度為5.38 kgf/cm?，撕裂度為1 405 mN，抗張強(qiáng)度為5.51 N/mm。

關(guān) ?鍵 ?詞：紙漿;助劑;耐破度;撕裂度;抗張強(qiáng)度

中圖分類號：TQ 047.1 ?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2020）01-0083-04

Research on Strength Performance of Pulp Molded

Product With Slurry Additives

CEN Lei， ZHANG?Xin-chang

（College of Mechanical Engineering， Jiangnan University， Jiangsu Wuxi 214122，?China）

Abstract： Pulp molded samples were prepared?from raw pulp?by?adding?various additives. The bursting， tearing and tensile strength of the samples were respectively tested to analyze the influence of the additives on the strength properties of the pulp?molded products. The experimental analysis showed that the addition of a certain proportion of CS， PVA， CPAM and CMC in the slurry enhanced?the strength of the sample， and the preferred additive formula?was determined as follows： CS 1.4%， PVA 0.6%， CPAM 0.05%， CMC?0.8%.?The sample prepared with the preferred additive formula had the?bursting strength of 5.38?kgf/cm²，?the?tear resistance of 1?405?mN， and the?tensile strength of 5.51?N/mm.

Key words：?Pulp; Additives;?Bursting strength; Tearing resistance; Tensile strength

紙漿模塑作為一種環(huán)保型材料，具有緩沖性能好、耐熱性佳等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類產(chǎn)品的包裝領(lǐng)域^[1]。但目前對紙模制品的研究大多為工藝參數(shù)^[2]及緩沖性能^[3]的研究，具體到制品強(qiáng)度方面的研究則不多。紙模制品的強(qiáng)度性能主要與纖維間的結(jié)合力有關(guān)，纖維的比表面積越大，表面電荷越多，系統(tǒng)中氫鍵的數(shù)量越多，則纖維的結(jié)合力越大，與之對應(yīng)制品的強(qiáng)度越高^[4]。因此，本研究引入具備增強(qiáng)劑效果的化學(xué)助劑，通過漿內(nèi)添加的方式令其與纖維發(fā)生作用，在纖維表面引入活性或極性基團(tuán)，從而增大表面張力，提高纖維結(jié)合力。根據(jù)這一原則及前期試驗(yàn)，選用的助劑包括陽離子淀粉（CS）、聚乙烯醇（PVA）、陽離子聚丙烯酰啊（CPAM）以及羧甲基纖維素（CMC）。同時(shí)，試驗(yàn)選用原生紙漿為原料，經(jīng)前期試驗(yàn)確定合適的漿料配比為針葉木漿20%∶竹漿52%∶甘蔗漿28%。由于紙模制品行業(yè)未制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，考慮到其原料為紙漿，所得制品具備紙和紙板的基礎(chǔ)性能，故選用耐破度、撕裂度及抗張強(qiáng)度作為測試指標(biāo)，分析各助劑對制品強(qiáng)度性能的影響。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料采用原生紙漿，包括針葉木漿、竹漿以及甘蔗漿，均由昆山市裕錦環(huán)保包裝有限公司提供。

1.2 ?試驗(yàn)助劑

本研究用到的助劑及其參數(shù)如表1所示。

1.3 ?試驗(yàn)方法

1.3.1 ?磨漿

取20%的針葉木漿，52%的竹漿及28%的甘蔗漿，將其撕成約30 mm×30 mm 的碎片，在水中浸泡約2 h后，借助TD7-PFI立式磨漿機(jī)對其進(jìn)行磨漿處理，磨漿時(shí)間約為15 min，磨漿時(shí)需控制紙漿游離度為（460±20）mL。

1.3.2 ?試樣的制備

將各助劑溶于水配置成一定濃度的水溶液，在6～9的pH條件下，依次添加至紙漿模塑濕部生產(chǎn)線。紙漿模塑經(jīng)真空吸濾成型及模內(nèi)干燥后，得最終制品。所制試樣的定量約為120 g/m²，用于性能測試前需在（23±2）℃和（50±10）%相對濕度的條件下調(diào)節(jié)24?h。

1.3.3 ?強(qiáng)度測試

耐破度測試按照國標(biāo)“GB/T 454-2002^[5]紙耐破度的測定”，撕裂度測試按照國標(biāo)“GB/T 455-2002^[6]紙和紙板 撕裂度的測定”，抗張強(qiáng)度測試按照國標(biāo)“GB-T 12914-2008^[7]紙和紙板 抗張強(qiáng)度的測定”。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 ?助劑對試樣強(qiáng)度性能的影響

為研究不同助劑的作用效果及其合適的施用量，試驗(yàn)進(jìn)行了一系列單因素試驗(yàn)測試。每組試驗(yàn)制做5個(gè)試樣，制樣后分別測定試樣的耐破度、撕裂度以及抗張強(qiáng)度，以研究各助劑對試樣強(qiáng)度性能的影響。

2.1.1 ?CS對試樣強(qiáng)度性能的影響

CS對試樣強(qiáng)度性能的影響如表2所示，在不添加助劑時(shí)，試樣的耐破度為4.39 kgf/cm?，撕裂度為1 202 mN，抗張強(qiáng)度為4.17 N/mm。隨著CS用量的增加，3項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值均有所增大，至1.5%時(shí)基本保持穩(wěn)定。這是因?yàn)槔w維的基本組成成分為纖維素，而纖維素分子上的羥基非常多，同時(shí)陽離子淀粉從分子結(jié)構(gòu)上來看也是含有相對多羥基的高分子聚合物，當(dāng)其與纖維素分子間形成氫鍵結(jié)合時(shí)，可增強(qiáng)纖維間的結(jié)合力，從而增加制品的強(qiáng)度^[8-10]。繼續(xù)增大CS用量，3種指標(biāo)均無明顯提高，考慮到實(shí)際應(yīng)用中的成本問題，確定CS比較合適的用量為1.5%左右。

2.1.2 ?PVA對試樣強(qiáng)度性能的影響

PVA是一種一種含有大量羥基的高分子聚合物，有較好的親水性能，當(dāng)其與水充分接觸時(shí)，就會發(fā)生吸水和潤脹行為。干燥階段溫度達(dá)到PVA溶解溫度時(shí)，PVA就會在制品內(nèi)部發(fā)生明顯的溶解，與纖維反應(yīng)隨著脫水過程而形成氫鍵，增加了纖維間的結(jié)合面積（RBA），從而增強(qiáng)了纖維間的結(jié)合力^[11]。如表3，隨著PVA用量的增加，試樣的耐破度逐漸增大，至0.75%時(shí)達(dá)到最大，繼續(xù)增加用量耐破度反而減小。同時(shí)，試樣的撕裂度及抗張強(qiáng)度趨勢也大致相同，在0.5%的用量時(shí)達(dá)到最大，繼續(xù)增大指標(biāo)數(shù)值反而減小。這可能是由于PVA疏解過程中容易產(chǎn)生起泡現(xiàn)象，用量過大時(shí)難以消泡，進(jìn)而影響強(qiáng)度性能。故綜合考慮確定PVA比較合適的用量范圍為0.5%～0.75%。

2.1.3 ?CPAM對試樣強(qiáng)度性能的影響

CPAM對試樣強(qiáng)度性能的影響如表4所示，隨著CPAM用量的增加，3項(xiàng)測試指標(biāo)的數(shù)值均明顯增大，且分別在0.06%、0.04%、0.04%的用量時(shí)達(dá)到最大。這是由于CPAM中的酰胺基團(tuán)能夠與纖維素分子中的羥基形成氫鍵，在纖維之間形成一種“架橋”作用，從而提高纖維間的結(jié)合強(qiáng)度^[12]。但是，隨著CPAM用量的進(jìn)一步增加，3種指標(biāo)的數(shù)值均有所下降，這可能是CPAM用量大時(shí)容易析出細(xì)小晶體引起。故綜合考慮確定CPAM比較合適的用量范圍為0.04%～0.06%。

2.1.4 ?CMC對試樣強(qiáng)度性能的影響

CMC是纖維素通過化學(xué)改性而制得的一種高聚合纖維醚，具有膠黏劑的功效^[13]。將CMC加入到紙漿中，由于羥基和羧甲基的存在，可將紙漿纖維包覆起來發(fā)生化學(xué)水合作用，并適當(dāng)增加結(jié)合面積，改變單位結(jié)合面積上的結(jié)合力，在制品干燥成型的過程中，分子間通過氫鍵牢固結(jié)合，從而使制品強(qiáng)度得到提高^[14-16]。如表5，隨著CMC用量的逐漸增大，試樣的3項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均同樣逐漸增大，但在0.75%后數(shù)值增大的程度顯著減弱。故綜合考慮及效率成本問題，確定CMC比較合適的用量范圍為0.75%～ 1.00%。

2.2 ?助劑添加正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)可采用助劑復(fù)配的方法以達(dá)到較好的改善效果，常用的方法為正交試驗(yàn)?？紤]到4種助劑及其用量范圍，本研究選用L₉（3⁴）正交表進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn)，具體的試驗(yàn)方案如表6所示。

2.2.1 ?正交試驗(yàn)測試結(jié)果

正交試驗(yàn)使用的漿料同前述單因素試驗(yàn)，共分為9個(gè)試驗(yàn)號，每個(gè)試驗(yàn)號同樣制做5個(gè)試樣。將制得的試樣分別進(jìn)行耐破度、撕裂度及抗張強(qiáng)度的測試，測試結(jié)果如表7所示。其中耐破度較好（>5.30 kgf/cm?）的為試驗(yàn)號2和試驗(yàn)號5;撕裂度較好（>

1?400 mN）的為試驗(yàn)號2、4、6、8;抗張強(qiáng)度較好（>5.50 N/mm）的為試驗(yàn)號2、4、7。故綜合三項(xiàng)測試指標(biāo)，初步判定試驗(yàn)號2（A₁B₂C₂D₂）效果最優(yōu)，其次為試驗(yàn)號4（A₂B₁C₂D₃）。

對3個(gè)測試指標(biāo)分別進(jìn)行比重法的無量綱化，所得數(shù)值均在0～1之間，考慮到3個(gè)指標(biāo)均為正向指標(biāo)，故對其的賦權(quán)保持一致，將其無量綱化的數(shù)值直接相加得到綜合評分，具體如表7所示。由此可知，綜合評分最高的是試驗(yàn)號2（2.36），其次為試驗(yàn)號4（1.82），進(jìn)一步證明了試驗(yàn)號2的助劑復(fù)配對紙漿模塑制品的綜合強(qiáng)度改善效果最優(yōu)，其所用配方為A₁B₂C₂D₂，即CS1.4%、PVA0.6%、CPAM0.05%、CMC0.8%，此時(shí)試樣耐破度為5.38?kgf/cm?，撕裂度為1?405?mN，抗張強(qiáng)度為5.51?N/mm，綜合評分達(dá)到最高值2.36。

2.2.2 ?正交試驗(yàn)極差分析

正交試驗(yàn)結(jié)果的綜合評分即代表試樣的綜合強(qiáng)度，對其進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表8所示。極差越大，證明因素對綜合強(qiáng)度的影響越大。通過水平1，2，3三次和的極差，確定各因素的主次順序?yàn)椋?CMC（極差3.30）>PVA（極差2.03）>CPAM（極差1.42）>CS（極差1.30）。故試驗(yàn)首選助劑為CMC，其次為PVA。

對于各因素的3水平之和，同樣其值越大即證明效果越佳，故取各因素水平之和的最大值，即為理論上來講最優(yōu)的助劑配方。如圖1，CS、PVA、CPAM及CMC均在水平2時(shí)綜合強(qiáng)度達(dá)到最大，故理論上較優(yōu)的助劑配方A₂B₂C₂D₂，即CS1.5%、PVA0.6%、CPAM0.05%及CMC0.8%。這一配方與試驗(yàn)2的配方大致相同，僅是CS的用量稍有改變，故推斷兩者的改善效果類似，皆可用于實(shí)際生產(chǎn)，以提高紙漿模塑制品的強(qiáng)度性能。

3??結(jié)論

試驗(yàn)分析表明，漿內(nèi)助劑的添加可明顯提高紙模制品的強(qiáng)度性能，由于所用助劑具有增強(qiáng)劑的功效，故各助劑添加后，試樣的耐破度、撕裂度及抗張強(qiáng)度均有大幅提高。通過單因素試驗(yàn)，可確定4種化學(xué)助劑及其合適用量分別為：CS用量在1.5%左右、PVA用量0.5%～0.75%、CPAM用量0.04%～?0.06%、CMC用量0.75%～1.00%。

通過四因素三水平正交試驗(yàn)，能夠得出較優(yōu)的助劑配方為A₁B₂C₂D₂，即CS1.4%、PVA0.6%、CPAM0.05%及CMC0.8%，此時(shí)試樣的耐破度為5.38 kgf/cm?，撕裂度為1 405 mN，抗張強(qiáng)度為5.51 N/mm，其綜合評分達(dá)到最高值2.36，證明試樣的綜合強(qiáng)度性能在此時(shí)達(dá)到一個(gè)較高的水準(zhǔn)。通過極差分析，可確定各助劑影響紙漿模塑強(qiáng)度的主次順序?yàn)镃MC>PVA）>CPAM>CS，且理論上來講另一較優(yōu)的助劑配方為CS1.5%、PVA0.6%、CPAM0.05%及CMC0.8%，與前述配方基本相同，在生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)兩者皆可采用。

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