載銀硅藻土紙板制備工藝的研究

王春萍 陳少平 劉國亮

（福建師范大學化學與化工學院，福建 福州 350007）

載銀硅藻土紙板制備工藝的研究

王春萍 陳少平★劉國亮

（福建師范大學化學與化工學院，福建 福州 350007）

以桉木漿、載銀硅藻土為原料制備抗菌紙板為目的，考察了載銀硅藻土、不同定著助劑的添加量以及各組分的添加順序對硅藻土留著率的影響。采用L25（56）正交實驗表對實驗條件進行了優化。研究結果表明，當硅藻土添加量為30%，使用PDAAM152 : PDAAM053為4 : 1的復配物作為定著助劑時，通過先調節紙漿pH至6．5，后加入定著助劑，再加入硅藻土，快速攪拌20 min后抄紙，可使硅藻土的留著率達80．0%，紙張抗張強度為17．0 N·m/g。

載銀硅藻土 正交實驗設計 抗菌紙

硅藻土是生物成因的無定型二氧化硅，含有少量的雜質如Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、P2O5和有機質等[1-2]，具有獨特的微孔結構。硅藻土已被廣泛應用于催化劑載體、聚合物與涂料的填料、工業上的助濾劑等方面[3]；硅藻土應用在造紙領域，可作為阻燃吸音紙（板）、油封紙（板）、育果紙、吸水保鮮包裝紙等的填料[4]；將負載銀離子的硅藻土加填于紙張中，能賦予紙張抗菌性能[5-6]，而載銀硅藻土在紙張中的留著率將直接影響紙板的抗菌性能。本文以提高載銀硅藻土在紙張中的留著率為目標，研究了定著助劑PDAAM的分子量、用量及添加順序等對載銀硅藻土留著率的影響，并通過正交實驗法優化了載銀硅藻土紙板的抄造工藝。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

桉木漿，福建省某造紙廠；載銀硅藻土，自制[7]；聚-N,N-二甲基二烯丙基氯化銨(PDA)，N,N-二甲基二烯丙基氯化銨與丙烯酰胺的共聚物（PDAAM），由課題組提供；ZQJ-B型紙頁抄造器，西北輕工業學院機械廠；肖氏打漿度儀，長春市紙張實驗機廠；WZL-300紙張拉力儀，杭州輕通儀器開發公司；WG-3型切紙刀，湖南偉科儀器儀表公司。

1.2 硅藻土對PDA的吸附

室溫下，在攪拌中將5g載銀硅藻土加入到50 mL0．5% PDA溶液中，調節溶液的pH，按設定時間取樣，用膠體滴定法[8]測出溶液中PDA的剩余量。

1.3 紙張的抄造

稱取相當于定量為130 g/m2的濕漿，加入100 mL水，在果漿機上疏解漿料至打漿度為30oSR。調節漿料pH值，并將硅藻土按以下三種添加方式在ZQJ-B型紙頁抄造器上制備紙樣。濕紙張經壓榨、烘干，在（20±1）℃、相對濕度50%±2%下，恒溫恒濕24h，測定紙張的抗張強度。

添加方式：

（1）將硅藻土加入紙漿中，調節pH至6．5，快速攪拌2 min，慢攪3 min，加入紙漿絕干量0．5%的定著助劑，快速攪拌20 min后抄紙。

（2）調節紙漿pH至6．5，加入紙漿絕干量0．5%的定著助劑，快速攪拌2 min，慢攪3 min，加入硅藻土，快速攪拌20 min后抄紙。

（3）往硅藻土中加入紙漿絕干量0．5%的定著助劑，快速攪拌20 min，將混合液加至紙漿（pH值已調至6．5）中，快速攪拌2 min，慢攪3 min后抄紙。

1.4 硅藻土留著率的測定

根據文獻[9]中的方法，取原漿與添加載銀硅藻土的紙張灰化后置于（575±25）℃的馬弗爐中灼燒至恒重（3h），再由式(1)得到紙張中硅藻土的留著率。

式中 m1——紙張完全灼燒后的質量，g

m2——紙漿灰分的質量，g

m3——加填于紙漿中的硅藻土的絕干質量，g

2 結果與討論

2.1 載銀硅藻土對PDA的吸附

圖1為室溫下5g硅藻土在50 mL質量濃度分別為0．5%和0．7%的PDA水溶液中的吸附圖。從圖1中可以看出，反應初期，硅藻土對PDA的吸附量快速增大，20min后吸附量幾乎不變。這是因為硅藻土表面帶有負電荷，而PDA分子鏈上所帶的是正電荷。將硅藻土加入反應體系時，硅藻土表面的負電荷與PDA分子鏈上所帶的正電荷因靜電作用而相互吸引，從而導致硅藻土對PDA的吸附量增大。當吸附時間20 min以上時，由于硅藻土表面與PDA的電中和作用以及PDA分子鏈在硅藻土表面的吸附架橋作用的影響，使硅藻土對PDA的吸附量達到平衡狀態。在這個結果上，確定了硅藻土加入后的攪拌時間為20 min。

2.2 定著助劑及其添加方式的影響

圖2和圖3分別為硅藻土的不同添加方式以及不同定著劑對載銀硅藻土留著率和紙張抗張指數的影響。從圖2和圖3中可以看出，載銀硅藻土的添加方式對其在紙張中留著率和抗張指數的影響不同。其中，定著劑為PDAAM時，在添加方式2的情況下硅藻土的留著率最大，為78．6%，而按添加方式1添加時，紙張抗張指數最大，為15．0 N·m/g。綜合考慮紙板性能以及成本問題，應選擇PDAAM作為定著劑，硅藻土按添加方式2進行紙張抄造。

2.3 PDAAM的分子量、添加量的影響

選取相對分子質量為152萬的PDAAM（記為PDAAM152）和53萬的PDAAM（PDAAM053）進行實驗，所得結果如圖4和圖5所示。從圖4和圖5可以看出，PDAAM152對硅藻土的留著率明顯高于PDAAM053；而PDAAM053的紙張增強效果明顯優于PDAAM152。當PDAAM152添加量為0．75%時，硅藻土在紙張上的留著率最大，為83．5%，而此時的PDAAM053為76．8%；但在此添加量下，添加PDAAM152的紙張抗張強度比添加0．5%PDAAM053的紙張小。這可歸因于PDAAM152的分子鏈較長，吸附架橋能力比PDAAM053好，更容易捕捉漿料中的硅藻土顆粒，所以PDAAM152使得紙張中的硅藻土留著率更大。但是更長的分子鏈的蜷曲、折疊導致分子鏈與纖維上的靜電結合點減少，從而導致紙張的抗張指數較低[10]。

2.4 紙張制備工藝的優化

由2．1～2．3的實驗結果可知，單一相對分子質量的PDAAM無法同時提高紙張中的硅藻土留著率和紙張的抗張指數，為了得到兩者同時增大的紙張，選用PDAAM152與PDAAM053的復配比例、聚合物添加量、硅藻土添加量做三因素五水平的正交試驗，因素水平見表1，實驗結果見表2，并利用spss軟件[11]對實驗結果進行了方差分析見表3。

表1 正交因素水平表L25（56）

由表2可知，對硅藻土留著率影響的主次因素為C＞B＞A，其中A5＞A4＞A3＞A2＞A1，B4＞B5＞B3＞B2＞B1，C1＞C2＞C3＞C4＞C5；C因素的R值較大，A因素的R值較小，說明C為本次試驗的主要影響因素；空列的極差值均小于A、B、C三個因素，說明A、B、C三因素間沒有交互作用。由方差結果可知，B、C為極具顯著意義的因素（P＜0．01）且C為主要影響因素，這與極差分析結果相一致。結合表2、表3的實驗結果，初步確定最佳抄紙工藝為A5B4C1，即PDAAM152:PDAAM053為4:1，聚合物添加量為0．75%，硅藻土添加量為30%。

2.5 驗證試驗

按2．4的優選工藝條件進行重復性驗證試驗，如圖6, 圖7所示。研究結果表明按優選工藝抄取的紙張抗張強度與硅藻土在紙上的留著率均較其他工藝好，說明正交試驗優選工藝條件較好、可行。

表2 正交試驗表與實驗結果的極差分析

表3 方差分析

3 結束語

通過預實驗以及正交實驗，確定載銀硅藻土紙板的最佳制備工藝。按照此優選工藝所抄造的紙張與空白紙張相比，紙張抗張指數幾乎不變，硅藻土留著率達到80．0%。

將不同分子量PDAAM復配物加入紙漿中抄紙，克服了加入單一定著助劑時不能同時達到較高硅藻土留著率和較高抗張指數的缺點。

正交實驗結果表明，硅藻土的添加量是影響在紙張中留著率的最顯著因素，其次是定著助劑的加入量，最后是PDAAM152與PDAAM053的復配比例。

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王春萍（1989—） 女 碩士研究生在讀 研究方向：精細化學品。郵箱：chping100@126．com．

★通訊作者：陳少平（1956—） 女 博士 教授 主要從事造紙化學與精細化工方面的研究。郵箱：chenshpn@fjnu．edu．cn ．