基于漿內助劑的紙漿模塑制品強度性能研究

岑蕾 張新昌

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

關 ?鍵 ?詞：紙漿;助劑;耐破度;撕裂度;抗張強度

中圖分類號：TQ 047.1 ?????文獻標識碼：?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保型材料，具有緩沖性能好、耐熱性佳等特點，廣泛應用于各類產品的包裝領域^[1]。但目前對紙模制品的研究大多為工藝參數^[2]及緩沖性能^[3]的研究，具體到制品強度方面的研究則不多。紙模制品的強度性能主要與纖維間的結合力有關，纖維的比表面積越大，表面電荷越多，系統中氫鍵的數量越多，則纖維的結合力越大，與之對應制品的強度越高^[4]。因此，本研究引入具備增強劑效果的化學助劑，通過漿內添加的方式令其與纖維發生作用，在纖維表面引入活性或極性基團，從而增大表面張力，提高纖維結合力。根據這一原則及前期試驗，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?。–PAM）以及羧甲基纖維素（CMC）。同時，試驗選用原生紙漿為原料，經前期試驗確定合適的漿料配比為針葉木漿20%∶竹漿52%∶甘蔗漿28%。由于紙模制品行業未制定相關標準，考慮到其原料為紙漿，所得制品具備紙和紙板的基礎性能，故選用耐破度、撕裂度及抗張強度作為測試指標，分析各助劑對制品強度性能的影響。

1 ?實驗部分

1.1 ?試驗原料

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

1.2 ?試驗助劑

本研究用到的助劑及其參數如表1所示。

1.3 ?試驗方法

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立式磨漿機對其進行磨漿處理，磨漿時間約為15 min，磨漿時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線。紙漿模塑經真空吸濾成型及模內干燥后，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節24?h。

1.3.3 ?強度測試

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

2 ?結果與討論

2.1 ?助劑對試樣強度性能的影響

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

2.1.1 ?CS對試樣強度性能的影響

CS對試樣強度性能的影響如表2所示，在不添加助劑時，試樣的耐破度為4.39 kgf/cm?，撕裂度為1 202 mN，抗張強度為4.17 N/mm。隨著CS用量的增加，3項指標的數值均有所增大，至1.5%時基本保持穩定。這是因為纖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，同時陽離子淀粉從分子結構上來看也是含有相對多羥基的高分子聚合物，當其與纖維素分子間形成氫鍵結合時，可增強纖維間的結合力，從而增加制品的強度^[8-10]。繼續增大CS用量，3種指標均無明顯提高，考慮到實際應用中的成本問題，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，當其與水充分接觸時，就會發生吸水和潤脹行為。干燥階段溫度達到PVA溶解溫度時，PVA就會在制品內部發生明顯的溶解，與纖維反應隨著脫水過程而形成氫鍵，增加了纖維間的結合面積（RBA），從而增強了纖維間的結合力^[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%時達到最大，繼續增加用量耐破度反而減小。同時，試樣的撕裂度及抗張強度趨勢也大致相同，在0.5%的用量時達到最大，繼續增大指標數值反而減小。這可能是由于PVA疏解過程中容易產生起泡現象，用量過大時難以消泡，進而影響強度性能。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對試樣強度性能的影響

CPAM對試樣強度性能的影響如表4所示，隨著CPAM用量的增加，3項測試指標的數值均明顯增大，且分別在0.06%、0.04%、0.04%的用量時達到最大。這是由于CPAM中的酰胺基團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合強度^[12]。但是，隨著CPAM用量的進一步增加，3種指標的數值均有所下降，這可能是CPAM用量大時容易析出細小晶體引起。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對試樣強度性能的影響

CMC是纖維素通過化學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生化學水合作用，并適當增加結合面積，改變單位結合面積上的結合力，在制品干燥成型的過程中，分子間通過氫鍵牢固結合，從而使制品強度得到提高^[14-16]。如表5，隨著CMC用量的逐漸增大，試樣的3項強度指標均同樣逐漸增大，但在0.75%后數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

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

2.2.1 ?正交試驗測試結果

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

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

對3個測試指標分別進行比重法的無量綱化，所得數值均在0～1之間，考慮到3個指標均為正向指標，故對其的賦權保持一致，將其無量綱化的數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號2（2.36），其次為試驗號4（1.82），進一步證明了試驗號2的助劑復配對紙漿模塑制品的綜合強度改善效果最優，其所用配方為A₁B₂C₂D₂，即CS1.4%、PVA0.6%、CPAM0.05%、CMC0.8%，此時試樣耐破度為5.38?kgf/cm?，撕裂度為1?405?mN，抗張強度為5.51?N/mm，綜合評分達到最高值2.36。

2.2.2 ?正交試驗極差分析

正交試驗結果的綜合評分即代表試樣的綜合強度，對其進行極差分析，結果如表8所示。極差越大，證明因素對綜合強度的影響越大。通過水平1，2，3三次和的極差，確定各因素的主次順序為：?CMC（極差3.30）>PVA（極差2.03）>CPAM（極差1.42）>CS（極差1.30）。故試驗首選助劑為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的助劑配方。如圖1，CS、PVA、CPAM及CMC均在水平2時綜合強度達到最大，故理論上較優的助劑配方A₂B₂C₂D₂，即CS1.5%、PVA0.6%、CPAM0.05%及CMC0.8%。這一配方與試驗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，皆可用于實際生產，以提高紙漿模塑制品的強度性能。

3??結論

試驗分析表明，漿內助劑的添加可明顯提高紙模制品的強度性能，由于所用助劑具有增強劑的功效，故各助劑添加后，試樣的耐破度、撕裂度及抗張強度均有大幅提高。通過單因素試驗，可確定4種化學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，能夠得出較優的助劑配方為A₁B₂C₂D₂，即CS1.4%、PVA0.6%、CPAM0.05%及CMC0.8%，此時試樣的耐破度為5.38 kgf/cm?，撕裂度為1 405 mN，抗張強度為5.51 N/mm，其綜合評分達到最高值2.36，證明試樣的綜合強度性能在此時達到一個較高的水準。通過極差分析，可確定各助劑影響紙漿模塑強度的主次順序為CMC>PVA）>CPAM>CS，且理論上來講另一較優的助劑配方為CS1.5%、PVA0.6%、CPAM0.05%及CMC0.8%，與前述配方基本相同，在生產應用時兩者皆可采用。

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