原位沉積硅酸鋁制備隔熱紙

2010-11-22 05:21:06劉焱于鋼

中國造紙 2010年5期

劉焱于鋼

(東北林業大學材料科學與工程學院,黑龍江哈爾濱,150040)

原位沉積硅酸鋁制備隔熱紙

劉焱于鋼

(東北林業大學材料科學與工程學院,黑龍江哈爾濱,150040)

利用原位沉積法所制備的隔熱紙具有十分優良的強度性能及隔熱性能。通過掃描電子顯微鏡-能譜 (SEM-EDAX)、紅外光譜 (FT-I R)、X射線衍射 (XRD)、X射線光電子能譜 (XPS)的分析表明,硅酸鋁在纖維細胞腔中有較高的沉積率。

原位沉積;硅酸鋁;隔熱紙

隔熱材料在工業生產及日常生活中具有重要作用。隔熱紙因具有紙張特性,適用于普通隔熱材料使用效果較差或難以使用的復雜環境且易于裁剪和包裹,因此具有更高的實用價值[1-2]。目前,隔熱紙主要用無機隔熱纖維抄造而成,硅酸鋁纖維因具有導熱系數低、耐高溫、抗腐蝕、抗氧化、強度高及質量輕等優點而被較多使用[3-5]。雖然硅酸鋁纖維隔熱性能優良,但也存在較明顯的缺點。首先,硅酸鋁纖維在水中容易絮聚或沉淀,難以分散,抄紙時需控制纖維濃度或添加分散劑才能使其分散均勻;其次,硅酸鋁纖維之間沒有結合力,抄造出的隔熱紙強度較低,需在抄紙時添加增強劑或膠黏劑,或者對硅酸鋁纖維進行物理或化學預處理,才能保證隔熱紙的強度性能符合使用要求[6-8]。

使用植物纖維則可有效改善以上問題,植物纖維在水中容易分散且植物纖維之間具有氫鍵結合力,成紙強度大。為賦予傳統紙張隔熱能力,可向紙張中填加隔熱填料,但成紙中隔熱填料的存在會極大程度影響纖維間的結合,破壞紙張強度性能,無法達到使用植物纖維制造隔熱紙的初衷。因此,為充分發揮植物纖維成紙強度高的優點,實驗選用原位沉積法制備隔熱紙,原位沉積法反應條件溫和、工藝簡單易控制,可較容易、較大量地在纖維細胞腔內沉積隔熱物質,且通過簡單易行的工序即可將纖維外部多余的隔熱物質去除,最大化利用植物纖維間的氫鍵結合力,使制備出的隔熱紙具備優良的隔熱性能和強度性能。

1 實驗

1.1 原料

本色落葉松硫酸鹽漿,山東某公司提供;硅酸鈉、硫酸鋁,天津市某化學試劑制造公司提供。

1.2 設備與儀器

HH系列恒溫水浴,江蘇金壇中大儀器廠;S-212型恒速攪拌器,上海申勝技術有限公司;ZQJ1-B-Ⅱ型紙樣抄取器,陜西科技大學機械廠;不銹鋼電熱板,天津市泰斯特儀器有限公司;Quanta 200型掃描電子顯微鏡及 EDAX能譜儀,美國 FEI公司;Magna IR 560型傅里葉變換紅外光譜儀,美國 Nicolet公司;K-Alpha型 X射線光電子能譜儀,美國 VG公司;D/max-2200型 X射線衍射儀,日本理學株式會社;YQ-Z-48A型白度顏色測定儀,杭州輕通儀器開發公司;常規紙張強度性能檢測儀器。

1.3 實驗方法

1.3.1 隔熱紙的制備

按五因素四水平安排正交實驗,以紙張灰分含量,即硅酸鋁在紙漿纖維中的沉積率為正交實驗衡量標準,實驗條件如表1所示。

表1 正交實驗因素水平表

按表1所列條件進行實驗,分別將硫酸鋁以及硅酸鈉配制成 200 mL溶液 (硅酸鈉溶液濃度為硫酸鋁溶液濃度的 3倍),每次稱取 3.2 g絕干本色落葉松硫酸鹽漿放入三口瓶中,加入已配好的硫酸鋁溶液,用電動攪拌器攪拌至瓶內纖維分散,纖維細胞腔內充滿硫酸鋁溶液,用濾網將漿料濾出,并用清水除去纖維表面殘液,將洗后纖維重新放入三口瓶內,將三口瓶置于電熱恒溫水浴中加熱,加入硅酸鈉溶液充分攪拌至反應結束。反應結束后用清水洗滌漿料,并將處理后的漿料在紙張成形器上抄造紙樣,烘干備用。同時,取相同量的絕干本色落葉松硫酸鹽漿抄造原紙,以進行對比。

1.3.2 性能檢測

按國家標準檢測方法檢測恒溫恒濕后的紙張強度性能及白度指標[9]。

檢測紙張隔熱性能時,將待測紙張一面平整貼于加熱的電熱板上,電熱板表面溫度恒定為 100℃,每隔一段時間 (t)測量紙張另一面的溫度 (T),繪制T～t曲線。

1.3.3 儀器分析

紙張按要求處理后,進行掃描電子顯微鏡-能譜(SEM-EDAX)、紅外光譜 (FT-IR)、X射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜 (XPS)分析。

2 結果與討論

2.1 正交實驗結果

正交實驗結果如表2所示。由表2可知,各因素最佳水平分別為 A4、B4、C1、D3、E2,這與實驗中 16號實驗的水平正好吻合,16號實驗的結果也是所有實驗中最好的。由此可確定適宜工藝條件為硫酸鋁用量 0.25 mol/L、混合時間 50 min、反應時間 40 min、反應溫度 70℃,攪拌速度 300 r/min。

表2 正交實驗結果

2.2 隔熱紙性能

2.2.1 紙張強度性能及白度指標

按照 2.1中確定的工藝條件抄造隔熱紙,并與原紙進行對比,隔熱紙與原紙的強度性能及白度指標如表3所示。由表3可知,隔熱紙的白度僅略高于原紙的,各項強度性能較原紙的僅略有下降。表明隔熱紙纖維間的氫鍵結合基本不受影響,隔熱紙強度性能較好,這保證了隔熱紙在使用時具有良好的環境適應性。

表3 隔熱紙與原紙指標對比

纖維與硫酸鋁溶液充分混合后,經濾網濾出,用清水將其表面殘液去除再與硅酸鈉溶液混合,而非直接向混合體系中加入硅酸鈉溶液,也是出于保證隔熱紙強度性能的目的。如直接向混合體系中加入硅酸鈉溶液,由于體系溶液中存在硫酸鋁,纖維細胞腔內有硅酸鋁沉積的同時,纖維外部溶液中同樣反應產生硅酸鋁沉淀,這些存在于纖維間的硅酸鋁使得反應結束后纖維外表面較難洗凈,容易殘留硅酸鋁,導致隔熱紙抄造成形后,其纖維間存在較多的硅酸鋁,對隔熱紙強度性能有較大的負面影響。此外,直接向混合體系中加入硅酸鈉溶液進行反應,一方面體系中生成的硅酸鋁較多,增加了攪拌難度,使得纖維在混合體系中分散較差,對反應進行不利;另一方面,為保證隔熱紙強度,纖維外部生成的大量硅酸鋁需洗滌除去,造成生成這部分硅酸鋁所需化學藥品的浪費,導致化學藥品利用率較低。而將纖維經濾網濾出,去除表面殘液再與硅酸鈉溶液反應,則可有效地解決以上問題,既保證隔熱紙具有較高的強度性能,又使得攪拌充分,纖維分散均勻,同時濾液可再次與纖維混合,其循環利用可提高化學藥品利用率。

2.2.2 隔熱性能

隔熱紙與原紙的升溫曲線如圖1所示。從圖1中可以看出,隔熱紙升溫曲線位于原紙升溫曲線下方,相同時間內隔熱紙表面升溫速率小于原紙的;原紙與隔熱紙均經約 90 s達到熱平衡,熱平衡時,原紙表面溫度為 53℃,而隔熱紙表面溫度僅 36℃。表明隔熱紙的隔熱性能較原紙有較大提高,無論是表面升溫速率還是表面熱平衡溫度都低于原紙,顯示出較好的隔熱性能。

圖1 原紙及隔熱紙升溫曲線

2.3 儀器分析

2.3.1 SEM-EDAX分析

圖2為原紙及隔熱紙纖維表面 SEM照片。由圖2可知,原紙纖維外表面十分整潔,壁上紋孔清晰可見,而隔熱紙纖維外表面、紋孔四周以及紋孔內均有淺色物質存在,即反應生成的硅酸鋁,但硅酸鋁的量極少,正如 2.2.1中所述,制備的隔熱紙內纖維間接觸良好,氫鍵結合幾乎沒有受到影響,隔熱紙的各項強度性能與原紙的差異很小。

圖3為原紙及隔熱紙纖維細胞腔 SEM照片。對比原紙及隔熱紙纖維細胞腔 SEM照片可清楚地看出,原紙纖維細胞腔內沒有任何物質,而隔熱紙纖維細胞腔內則含有明顯的沉積物,表明原位沉積法可在纖維細胞腔內生成目標產物。

圖4為隔熱紙纖維細胞腔能譜分析定位圖,對圖4中方框內區域進行能譜分析,結果如圖5所示。由圖5可知,隔熱紙纖維細胞腔內的物質含有 Al、Si、O元素,證明細胞腔內物質為硅酸鋁。

2.3.2 FT-I R分析

圖6為硅酸鋁、原紙和隔熱紙的 FT-IR譜圖。硅酸鋁的 FT-IR譜圖中,在 1010 cm-1處的強峰為 Si—O鍵振動吸收峰,為硅酸鋁的特征吸收峰;原紙的 FT-IR譜圖中,在 3410 cm-1處有一強而寬的峰,這是氫鍵締合的結果,2901 cm-1、1431 cm-1、1369 cm-1處為纖維素的特征吸收峰。對比原紙和隔熱紙的 FT-IR譜圖可以看出,隔熱紙在2900 cm-1及 1200～1500 cm-1處的吸收峰面積比原紙明顯減小,而硅酸鋁在相同波數處沒有吸收峰;經計算,原紙在2900 cm-1以及 1200～1500 cm-1處的吸收峰面積分別為 1.67和 1.81,而隔熱紙在相同波數處的吸收峰面積分別為0.75和 0.81,這表明隔熱紙內的植物纖維在 2900 cm-1及 1200～1500 cm-1處的吸收峰被硅酸鋁所覆蓋,即隔熱紙中含有硅酸鋁。2.3.3 XPS分析

圖6 硅酸鋁、原紙及隔熱紙 FT-IR譜圖

圖7為原紙及隔熱紙的 XPS圖。從圖7可以清晰看出,原紙在 286.50 eV及 532.87 eV處有強峰,分別為 C元素及 O元素的特征峰,如圖8所示;隔熱紙不僅在 C元素及 O元素的特征峰位有強峰,在 74.23 eV及 102.49 eV處有較小的峰,分別為 Al元素及 Si元素的特征峰,如圖9所示,這是原紙所沒有的。表明隔熱紙中存在硅酸鋁。

2.3.4 XRD分析

圖10為原紙、隔熱紙和硅酸鋁的 XRD圖。由圖10可知,硅酸鋁的衍射曲線在 2θ=27°左右有一大的寬峰,說明硅酸鋁具有無定形結構。原紙的衍射曲線最高峰位置約為 2θ=22.3°,在 2θ=34°附近有一小峰,這是纖維的結晶區和非結晶區共同作用的結果。從原紙和隔熱紙的相關衍射強度數據可知,原紙在2θ=27°處的衍射強度為 580 cps,而隔熱紙在 2θ=27°處的衍射強度為 783 cps,這表明了隔熱紙中硅酸鋁的存在。根據 Segal經驗公式計算,原紙的相對結晶度為 59.8%,隔熱紙的相對結晶度為 67.4%,較原紙有所增加,表明硅酸鋁只會在纖維的無定形區沉積,而對纖維的結晶區沒有影響。纖維的結晶結構沒有遭到破壞,即纖維的自身強度得以保留。

圖9 Al元素及 Si元素的 XPS圖

圖10 原紙、隔熱紙及硅酸鋁 XRD圖

3 結論

實驗用原位沉積法制備了隔熱紙,最大化利用了植物纖維間的氫鍵結合力,使制備出的隔熱紙具備優良的隔熱性能和強度性能。

3.1 在硫酸鋁用量 0.25 mol/L、混合時間 50 min、反應時間 40 min、反應溫度 70℃,攪拌速度300 r/min的條件下,硅酸鋁的沉積率可達 30.0%。在此條件下,用原位沉積法制備的隔熱紙強度性能優良,與原紙接近;隔熱性能優良,較原紙有明顯提高。

3.2 通過掃描電子顯微鏡-能譜(SEM-EDAX)、紅外光譜 (FTI R)、X射線衍射 (XRD)、X射線光電子能譜 (XPS)分析可知,利用原位沉積法可在纖維細胞腔內生成硅酸鋁。

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Manufacture of Heat I nsulation Paper Based on In-situ Deposition of Alum in ium Silicate

L IU Yan YU Gang＊
(M aterials Science and Technology College,Northeast Forestry University,Harbin,Heilongjiang Province,150040)

Taking the advantage of in-situ deposition can generate the target product in the lumen of the fibers,and the heat insulation paper wasmanufactured by in-situ deposition of aluminium silicate in fiber lumen,which can simply solve the problem of low strength of the paper caused by using inorganic heat insulation fiber as raw material.Studies showed that aluminium silicate in the fiber lumen has a higher deposition rate,strength properties and heat insulation properties of the heat insulation paper are excellent.Combining with SE M-EDAX,FT-IR,XPS,XRD analysis it can concluded thatpreparation of heat insulation paper based on lumen in-situ deposition of aluminium silicate is feasible.

in-situ deposition;aluminium silicate;heat insulation paper

TS761.2

0254-508X(2010)05-0025-05