硼砂對(duì)陽(yáng)離子分散松香膠的施膠增效作用及機(jī)理

姚小鷗　陳燕紅　曹佳樂(lè)　蔡健泉　吳宗華（福建師范大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 ， 福建　福州　350007）

硼砂對(duì)陽(yáng)離子分散松香膠的施膠增效作用及機(jī)理

姚小鷗陳燕紅曹佳樂(lè)蔡健泉吳宗華
（福建師范大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 ， 福建福州350007）

用硼砂（YWY）作為陽(yáng)離子分散松香膠（YSR）的增效劑，研究了YWY相對(duì)于YWY和YSR混合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)施膠效果的影響，并通過(guò)表征混合乳液的接觸角、粒徑、Zeta電位和紫外特征吸收光譜，解析YWY對(duì)YSR的作用機(jī)理。結(jié)果表明：當(dāng)w（YWY）=10%時(shí)，施膠度最大，比單一的YSR提高了31.8%，此時(shí)混合乳液的接觸角最大，粒徑最大，Zeta電位最低，紫外吸收峰強(qiáng)度大幅度降低。此時(shí)YSR膠粒表面的羧基已基本與YWY結(jié)合，故對(duì)YSR的施膠增效效果最好。

硼砂 陽(yáng)離子分散松香膠施膠增效劑

0　前 言

造紙松香施膠劑自1807年發(fā)明以來(lái)，一直是造紙漿內(nèi)施膠的主要施膠劑之一[1-2]，其中陽(yáng)離子分散松香膠由于帶有陽(yáng)電荷，可通過(guò)靜電作用自行留著在纖維表面，無(wú)需加入大量明礬與其反應(yīng)，還可通過(guò)CaCO3等作為填料以降低生產(chǎn)成本，因此受到業(yè)內(nèi)人士的青睞[3-5]。近幾年由于松香價(jià)格飛漲，導(dǎo)致陽(yáng)離子分散松香膠的成本大幅提升，如何提高陽(yáng)離子分散松香膠的施膠效率，降低生產(chǎn)成本成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。硼砂是一種廉價(jià)易得的陽(yáng)離子無(wú)機(jī)物，其水溶液呈堿性[6]，在水中易形成絡(luò)合物以及配合物，同時(shí)在酸性條件下，硼砂極易與多羥基聚合物發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)。首次選用硼砂作為陽(yáng)離子分散松香膠的施膠增效劑，發(fā)現(xiàn)硼砂能夠顯著提高陽(yáng)離子分散松香膠的施膠效果，但未見(jiàn)其施膠機(jī)理的相關(guān)報(bào)道。本研究主要考察硼砂對(duì)陽(yáng)離子分散松香膠的施膠增效作用及機(jī)理。

1　試 驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料和儀器

陽(yáng)離子分散松香膠（YSR）由企業(yè)提供，固含量為35%；廢紙漿由廢紙箱自制，23°SR；硼砂為工業(yè)品；其他化學(xué)藥品均為分析純。

TU-1900 雙光束紫外-可見(jiàn)分光光度儀,北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；SL200B型接觸角測(cè)定儀，上海索倫信息科技有限公司；馬爾文MS2000激光粒度儀,馬爾文儀器有限公司；Zeta電位測(cè)定儀Zeta Probe，Colloidal Dynamics；打漿機(jī)和紙張抄取器，西北輕工業(yè)學(xué)院機(jī)械廠

1.2試驗(yàn)過(guò)程

（1）混合乳液的制備。將硼砂以不同比例與陽(yáng)離子分散松香膠預(yù)混合得到共混液備用。

（2）施膠度的測(cè)定。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5405—2002,采用液體滲透法測(cè)定紙張施膠度。

（3）接觸角的測(cè)定。將一定量乳液涂于載玻片上制成薄膜，風(fēng)干后，用200B型接觸角測(cè)定儀測(cè)定蒸餾水在薄膜上的接觸角。

（4）乳液粒徑及其分布測(cè)定。取一定量的乳液在Mastersize 2000型激光粒度分析儀上測(cè)定。D為重量平均粒徑，U為粒度分布。

（5）混合乳液UV的測(cè)定。混合溶液配成一定的濃度，在紫外可見(jiàn)分光光度儀上測(cè)樣品的UV譜圖，壁池厚度為1 cm。

（6）混合液Zeta電位測(cè)定。取200 mL混合乳液，在攪拌均勻的條件下用Colloidal Dynamics Zeta probe測(cè)定混合液的電位值。

2　結(jié)果與討論

2.1硼砂（YWY）用量對(duì)陽(yáng)離子分散松香膠（YSR）施膠度的影響

固定硫酸鋁（抄紙時(shí)添加）和施膠劑用量分別為絕干漿的1.0%和0.25%，將YWY與YSR預(yù)混合，改變混合液中YWY相對(duì)于YSR的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wt%，考察其施膠效果。

由圖1可見(jiàn)，未添加YWY時(shí)，YSR的施膠度只有85 s，隨著YWY用量逐漸增大至10%，紙頁(yè)的施膠度達(dá)到最大，為112 s,比YSR的施膠度增大了31.8%；繼續(xù)增大YWY用量，紙頁(yè)施膠度急劇下降。說(shuō)明一定量的YWY對(duì)YSR有施膠增效作用。本文將從以下幾個(gè)方面解析YWY對(duì)YSR的作用機(jī)理。

圖1　YWY用量對(duì)YSR施膠度的影響

2.2硼砂（YWY）與陽(yáng)離子分散松香膠（YSR）混合液的接觸角的變化

由表1可知，隨著YWY質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，混合液的接觸角呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)YWY質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí)，接觸角最大，其值為91.34°,說(shuō)明一定量的YWY可以提高YSR的疏水性，從而提高混合液的施膠性能。這可解釋為:硼砂在溶液中一般先水解為B(OH)4-離子，而在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中，硼酸氧化物、硼酸或硼酸根離子可以和羧酸發(fā)生一定程度的相互反應(yīng)得到B(OCOR)3，使得松香膠表面的親水基團(tuán)被包埋，從而提高了松香膠的疏水能力；而當(dāng)YWY過(guò)量時(shí)，由于其本身的水溶性又增大了混合液的親水性，導(dǎo)致接觸角變小。

表1　YWY用量對(duì)YWY/YSR混合液接觸角的影響

2.3硼砂（YWY）與陽(yáng)離子分散松香膠（YSR）混合液的粒徑及zeta電位變化

由圖2及圖3可知，隨著混合液中YWY的質(zhì)量比增大，混合液膠粒的粒徑先急劇增大后減小，而Zeta電位則先減小后增大。當(dāng)w(YWY)=10%時(shí)，混合液的粒徑達(dá)到最大值，為9.016 μm，而Zeta電位則降至最低值，為46.5 mV。這進(jìn)一步說(shuō)明一定量的硼砂在混合液中可以與陽(yáng)離子分散松香膠的羧酸基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，使松香膠粒間形成聚集現(xiàn)象，所以導(dǎo)致混合液中松香膠粒的粒徑劇增。混合液粒子的電位降低的原因有兩個(gè):一是由于硼砂本身Zeta電位較陽(yáng)離子分散松香膠而言小很多，即硼砂的Zeta電位值為2.4 mV，而陽(yáng)離子分散松香膠的Zeta電位值為63.8 mV，所以當(dāng)硼砂取代一部分的陽(yáng)離子分散松香膠后，混合液的Zeta電位就自然的降低了；二是由于松香粒子發(fā)生聚集時(shí)，粒子表面的陽(yáng)電荷密度減小，所以導(dǎo)致雙電層的Zeta電位值降低。

圖2　YWY用量對(duì)YWY/YSR混合液平均粒徑的影響

圖3　YWY用量對(duì)YWY/YSR混合液 Zeta電位值的影響

2.4硼砂（YWY）與陽(yáng)離子分散松香膠（YSR）混合液的紫外光譜分析

由圖4與圖5可知，隨著混合液中YWY的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，混合液的紫外吸收峰強(qiáng)度并非呈現(xiàn)線性變化。當(dāng)YWY質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于6%時(shí)，其特征吸收峰位置與陽(yáng)離子分散松香膠中松香酸的特征吸收峰位置相同，且隨著YWY質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，峰強(qiáng)度呈現(xiàn)減弱的趨勢(shì)。當(dāng)YWY質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至10%，峰強(qiáng)度大幅減弱。這是由于此時(shí)YSR膠粒表面的羧基已基本全部與YWY結(jié)合，YWY與YSR在此時(shí)聚集程度大，粒子的粒徑較大，它們之間的相互作用使松香酸的特征吸收峰值大幅降低。繼續(xù)增大YWY的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，過(guò)量的硼氧酸根離子和硼酸分子大面積地包圍著YSR中的松香膠粒，所以YSR的特征吸收峰出現(xiàn)藍(lán)移，即靠近YWY的特征吸收峰。

圖4　YWY的紫外光譜

圖5　不同YWY用量的YWY/YSR混合液的紫外光譜

3　結(jié)束語(yǔ)

（1）YWY對(duì)YSR具有施膠增效作用，且當(dāng)w(YWY)=10%時(shí)，紙頁(yè)施膠度最大，比單一的YSR提高了31.8%。

（2）當(dāng)w(YWY)=10%時(shí)，混合液的接觸角最大，為91.34°，而粒徑達(dá)到最大值，為9.016 μm，Zeta電位則降至最低，為46.5 mV，紫外吸收峰強(qiáng)度大幅降低。這是由于YWY本身具有架橋作用，當(dāng)YWY加入YSR時(shí)，YWY的水解產(chǎn)物與YSR的羧酸基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，使松香膠粒發(fā)生聚集，提高了YSR疏水能力。

［1］陳梅燕， 陳溫霞， 劉鵬. 硫酸鋁在陽(yáng)離子分散松香膠施膠中的作用 ［J］. 中國(guó)造紙學(xué)報(bào)， 2008（23）：86-89.

［2］陳燕紅， 鄭清皇， 吳宗華. 陽(yáng)離子型無(wú)機(jī)物/苯丙共聚物的共混物對(duì)陽(yáng)離子分散松香施膠劑的增效作用［J］. 造紙化學(xué)品， 2011（6）：9-11.

［3］張國(guó)運(yùn). 陽(yáng)離子松香施膠劑的研究進(jìn)展 ［J］. 中國(guó)造紙，2005（24）：57-61.

［4］沈靜， 劉溫霞， 蘇文強(qiáng). 陽(yáng)離子微粒乳化中性分散松香膠的制備與應(yīng)用 ［J］. 中國(guó)造紙， 2006（25）：22-25.

［5］沈靜. 陽(yáng)離子微粒乳化中性分散松香膠的制備與應(yīng)用［D］. 山東輕工業(yè)學(xué)院， 2005.

［6］張亨. 硼砂生產(chǎn)研究進(jìn)展 ［J］. 杭州化工， 2012（42）：7-11.

電話：18344937411

吳宗華教授；研究方向：高分子界面科學(xué)。

Tel：13625083702；

E-mail：wuzonhua@fjnu.edu.cn.

Effects and Mechanism of Borax on Promoting Sizing Performances of Cationic Rosin Emulsion

YAO Xiaoou， CHEN Yanhong， CAO Jiale， CAI Jianquan， WU Zonghua
（College of Materia Science and Engineering， Fujian NormalUniversity， Fuzhou 350007， China）

With the borax （YWY） as the promoting agent of cationic rosin emulsion （YSR）， the effects of the dosage of YWY to YWY/YSR mixture on the sizing performances was investigated， and the mechanism of action of YWY were explained by means of the contact angle， particle size， zeta potential and UV absorption spectra of the mixed emulsion. The results indicated that when the dosage of YWY to YWY/YSR mixture was 10%， the sizing degree reach the top， increased by 31.8% compared with a single YSR. Meanwhile， the contact angle and particle size of the emulsion were also the maximum， the zeta potential value was the minimum and the intensity of ultraviolet absorption peak decreased substantially， which means that the carboxyl groups on the YSR colloidal particle reacted with borax mostly， so the sizing performance was also best.

borax；cationic rosin emulsion；sizing；promoting agent

姚小鷗（1988—）女在讀碩士研究生福建師范大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；