摘 要：研究了聚乙烯醇(PVA)/納米微纖絲(NFC)涂布對(duì)砂紙?jiān)埛烙托阅芗傲W(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：PVA濃度 5%涂布的砂紙?jiān)埜黜?xiàng)性能均弱于PVA10%濃度的涂布紙。 5%PVA涂布(涂布量為2.61g/m2 )時(shí)，隨著NFC用量增加，其防油性能得到了相應(yīng)提高，但其防油等級(jí)均在6以下;10%PVA涂布(涂布量為8.27g/m2 )時(shí)，其涂布后砂紙?jiān)埛烙偷燃?jí)均在12左右。在PVA濃度為5%時(shí)，涂布紙的拉伸強(qiáng)度比砂紙?jiān)埖奶岣吡思s100%;在相同5%N F C的添加量下，10%PVA涂布紙的拉伸強(qiáng)度比5%的提高了約67.37%。隨著NFC添加量的增加，紙張的耐折度隨之提升。當(dāng)NFC的添加量在合適范圍內(nèi)，紙張的撕裂度也隨NFC添加量的增加而提高。
關(guān)鍵詞：聚乙烯醇;納米微纖絲;涂布;砂紙?jiān)?/P>
Abstract: In this article was discussed the influence of polyvinyl alcohol ( PVA ) / nanofibrillated cellulose( NFC ) coating on the oil-proofing and mechanical properties of abrasive base paper. The results show that PVA concentration of 10% contribute more to the paper properties than 5% PVA concentration. In detail, when 5% PVA is applied (the coating weight is 2.61g/m2 ), its oil-proof performance is improved with the increase of NFC dosage, but its oil-proof grade is below 6. When 10% PVA is applied ( the coating weight is 8.27g/m2 ), the oil-proof grade is as high as about 12. With 5% PVA concentration, the tensile strength of coated paper is about 100% higher than that of abrasive base paper. With the same 5% NFC addition, the coated paper of 10% PVA is increased by about 67.37% compared with 5% PVA. The folding endurance of paper can be improved with the increase of NFC addition. Paper tearing strength can also increase with the added amount of NFC if the added amount of NFC is within the proper range.
Key words: polyvinyl alcohol(PVA); nanofibrillated cellulose (NFC); coating; abrasive base paper
砂紙?jiān)埑艘缶哂休^好的機(jī)械強(qiáng)度性能外， 還需要具有一定的耐水性、防油性等性能。傳統(tǒng)的耐水砂紙?jiān)堃驗(yàn)樵埖姆烙托阅懿蛔悖瑢?dǎo)致植砂時(shí)涂膠膠液大量滲入紙內(nèi)，造成粘砂不牢，影響磨削性能。 因此，砂紙?jiān)埍仨毦哂休^高的耐水性和耐油性。 近幾年，紙張綠色防油技術(shù)的研究開發(fā)成為了熱點(diǎn)，其中，很多研究人員采用合適涂料通過(guò)涂布的方式使紙張達(dá)到相應(yīng)的防油等級(jí)。
本文以砂紙?jiān)垶橥坎蓟模捎镁垡蚁┐?PVA)/納米微纖絲(NFC)復(fù)合涂料進(jìn)行涂布，并對(duì)涂布后的砂紙?jiān)堖M(jìn)行防油性能和力學(xué)性能的分析，以期提高砂紙?jiān)堎|(zhì)量性能。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
本實(shí)驗(yàn)所采用的砂紙?jiān)埲∽哉憬鸩胤N紙股份有限公司，其定量為60g/m2 。聚乙烯醇為工業(yè)級(jí) 1799，納米微纖絲固含量為1.1%。
1.2 納米微纖絲的表征實(shí)驗(yàn)
納米微纖絲( NFC)的表面形貌采用S-4800掃描電子顯微鏡 (Hitachi)進(jìn)行分析。
1.3 聚乙烯醇/納米微纖絲復(fù)合涂料
制備實(shí)驗(yàn) PVA/NFC復(fù)合涂料的制備實(shí)驗(yàn)在恒溫水浴鍋中進(jìn)行。先取一定量的 NFC添加到100ml的燒杯中，再添加一定量的蒸餾水，攪拌充分，再放入超聲波清洗器在90Hz下分散15min。在 分散好的NFC溶液中加入一定量PVA 固體顆粒。在60℃下潤(rùn)脹30min，超聲 波分散15min，在90～95℃下充分溶解，將溶解后的復(fù)合試劑再超聲波分散15min，靜置脫泡，備用。
1.4 聚乙烯醇/納米微纖絲涂布實(shí)驗(yàn)
PVA/NFC涂布實(shí)驗(yàn)采用瑞士杰恩爾 zehntner公 司2AA 2300手工涂布機(jī)進(jìn)行。將制備好的PVA/NFC 復(fù)合涂料以手工棒式涂布的方式進(jìn)行涂布。在涂布過(guò) 程中，只進(jìn)行單向涂布。經(jīng)涂布后的紙張先在50℃的烘 箱內(nèi)干燥20min，再放置恒溫恒濕試驗(yàn)箱(相對(duì)濕度： 50%;溫度：25℃)24h，然后，進(jìn)行防油性能和力學(xué)性能測(cè)試。
1.5 涂布紙的防油性能測(cè)試
Oil Kit Test是美國(guó)紙漿與造紙工業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)制定的一個(gè)國(guó)際方法，用于反映紙張或紙板對(duì)油脂、油或者石蠟的抵抗性。按照一定的比例，將蓖麻油、甲苯和正庚烷三種物質(zhì)，配制12種滴定液。將滴定液從 13mm的高度輕輕地釋放液滴到待測(cè)紙品上，開始計(jì)時(shí)。15s后用干凈的棉花球輕輕擦去紙上的油液。若油液滲透到紙張內(nèi)部使紙張滴油部分變暗，表明這張紙的抗油性能沒有達(dá)到這種油滴代表的防油等級(jí)。再選取下一等級(jí)油滴在一個(gè)未經(jīng)測(cè)試的區(qū)域繼續(xù)測(cè)試，直到某一等級(jí)油滴不產(chǎn)生滲透這一現(xiàn)象，這個(gè)等級(jí)即是被測(cè)紙品的抗油脂值。
1.6 紙張的拉伸強(qiáng)度測(cè)試
紙張的拉伸強(qiáng)度采用KSM-b x5450S T雙向拉伸 儀進(jìn)行分析。檢測(cè)條件為：涂布紙寬度為40mm，長(zhǎng)度為 100mm，滑塊重量為10N。
2 結(jié)果與討論
2.1 納米微纖絲表征
圖1 納米微纖絲的SEM圖
圖1是納米微纖絲的SEM圖。由圖可知，納米微纖絲形成了一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分布均勻，并且在溶液中有著良好的分散性。若將其加入紙漿中，其與紙漿纖維能夠緊密結(jié)合，從而使紙張的抗張強(qiáng)度、撕裂度、耐折度提高。所以在漿內(nèi)添加納米微纖絲， 主要是為了增加紙張的強(qiáng)度。當(dāng)納米微纖絲運(yùn)用于涂料時(shí)，其表面羥基通過(guò)氫鍵結(jié)合形成二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高紙張表面致密性，因此，涂布紙的表面強(qiáng)度及防油性能得到改善。
2.2 P VA/N F C配比對(duì)砂紙?jiān)埛烙托阅艿挠绊?/STRONG>
圖2 NFC添加量對(duì)砂紙?jiān)埛烙托阅苡绊?5%PVA)
有研究表明，NFC可以單獨(dú)或者與聚合物混合使用作為阻隔材料，如與PVA混合使用，NFC也可以在纖維素水解后作為一個(gè)阻隔性壓板層的基礎(chǔ)紙層。圖2 為PVA濃度5%時(shí)NFC添加量對(duì)砂紙?jiān)埛烙托阅苡绊憣?shí)物圖。可見，隨著NFC添加量從10%降低到0，砂紙?jiān)埼接蜐n的面積和顏色逐漸增加;隨著NFC用量的增加，其防油性能逐漸提升。
圖3 NFC添加量對(duì)砂紙?jiān)埛烙偷燃?jí)的影響(5%PVA)
圖3為PVA濃度5%時(shí)，NFC添加量對(duì)涂布砂紙?jiān)埛烙偷燃?jí)的影響(涂布量為2.61g/m2 )。由圖3可 見，PVA濃度為5%的情況下，原紙的防油等級(jí)不到1 級(jí)，NFC添加量為5%的涂布砂紙?jiān)埖姆烙偷燃?jí)為4，而10%NFC添加量的涂布紙的防油等級(jí)為5。由此可知，添加了NFC對(duì)紙張的防油性能有一定的提高，并且NFC的添加量越高，其防油性能越好。這是因?yàn)镻VA/ NFC復(fù)合涂料，隨著NFC添加量的增加會(huì)增強(qiáng)涂層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而增加涂布紙的密度，因此提高紙張的防油性能。另外，NFC分子上含有大量羥基，而羥基是親水基團(tuán)，所以添加了NFC能起到一定的防油性，而且其添加量越高，防油性能越好。
圖4為PVA濃度10%時(shí)NFC添加量對(duì)砂紙?jiān)埛烙托阅苡绊懙膶?shí)物圖 (涂布量為8.27g/m2 )。由圖4可見， 當(dāng)PVA濃度為10%時(shí)，隨著NFC添加量從10%降低到1%，涂布后砂紙?jiān)埼接蜐n的顏色逐漸增加，可見隨著NFC用量增加，復(fù)合涂料涂布后防油性能逐漸提高。另外，圖4與圖2對(duì)比可見，10%PVA濃度涂布的紙張防油性能得到顯著提高。
圖4 NFC添加量對(duì)砂紙?jiān)埛烙托阅艿挠绊?10%PVA)
圖5為PVA濃度10%時(shí)，NFC添加量對(duì)涂布砂紙 原紙防油等級(jí)的影響。由圖5可見，PVA濃度10%的 條件下，所有紙張防油等級(jí)都達(dá)到12級(jí)左右，說(shuō)明在10%P VA條件下，NFC添加量對(duì)紙張防油等級(jí)影響減小。究其原因，PVA分子結(jié)構(gòu)中富含羥基，可以與植物纖維形成良好結(jié)合。所以，即使在N FC添加量相同的情況下，PVA濃度高的涂布紙的防油性能更好。
圖5 NFC添加量對(duì)砂紙?jiān)埛烙偷燃?jí)的影響(10%PVA)
因此，隨著NFC用量增加，復(fù)合涂料涂布后防油性能逐漸提高。另外，隨著PVA濃度增加，防油性能顯著提高。
2.3 PVA/NFC配比對(duì)砂紙?jiān)埨鞆?qiáng)度的影響
圖6 NFC添加量對(duì)砂紙?jiān)埨鞆?qiáng)度的影響(5%PVA)
圖6為PVA濃度5%時(shí)，NFC添加量對(duì)砂紙?jiān)埨鞆?qiáng)度的影響。由圖6可見，NFC添加量從0增加到10%，砂紙?jiān)埖睦鞆?qiáng)度有明顯提高。NFC添加量0時(shí)，拉伸應(yīng)力只有26.00MPa，而NFC的添加量為5%時(shí)，拉伸強(qiáng)度為52.00MPa，提高了100%。主要是因?yàn)镹FC表面豐富的羥基和羧基與紙張表面羥基形成大量的氫鍵，提高了纖維之間的作用力，從而提高了紙張的拉伸強(qiáng)度。 N FC與PVA產(chǎn)生氫鍵結(jié)合，形成致密的網(wǎng)狀薄膜，從而提高紙張的拉伸強(qiáng)度。
圖7為P VA濃度10%時(shí)，N FC添加量對(duì)涂布液分散性影響的實(shí)物圖。由圖7可見，隨著N F C添加量從1%提高到10%，涂布液呈現(xiàn)的小顆粒越來(lái)越多，由此可以推斷，隨著NFC用量的增加，復(fù)合涂料的分散性逐漸降低。
圖7 10%PVA涂布液分散性能
圖8為PVA濃度10%時(shí)，NFC添加量對(duì)砂紙?jiān)埨鞆?qiáng)度的影響。由圖8可見，NFC添加量為1%時(shí)，涂布紙的拉伸強(qiáng)度為65.58MPa，5%時(shí)為87.03MPa，而在10%時(shí)則減少至47.69MPa。究其原因，在10%PVA涂 布時(shí)，其黏度已經(jīng)達(dá)到較大值，適當(dāng)?shù)奶砑覰FC能起 到增強(qiáng)纖維結(jié)合力的作用。當(dāng)添加量達(dá)到5%時(shí)，出現(xiàn)輕 微NFC分散不均現(xiàn)象，當(dāng)NFC添加量10%時(shí)，出現(xiàn)顯著 NFC團(tuán)聚，無(wú)法在紙張表面形成均勻的薄膜，從而影響紙張強(qiáng)度。由圖6、圖8對(duì)比可見，在相同5%NFC的添加 量下，10%PVA的涂布紙比5%的提高了約67.37%。
圖8 NFC添加量對(duì)砂紙?jiān)埨鞆?qiáng)度的影響(10%PVA)
2.4 聚乙烯醇/納米微纖絲配比對(duì)砂紙?jiān)埬驼鄱鹊挠绊?/STRONG>
圖9為P VA濃度5%時(shí)，NFC添加量對(duì)涂布砂紙?jiān)埬驼鄱鹊挠绊憽＜垙埖哪驼鄱戎饕芾w維自身的強(qiáng)度、柔韌性、纖維長(zhǎng)度以及纖維的結(jié)合力的影響。由圖9可知，原紙的耐折度為1032次，而NFC的添加量達(dá) 到10%時(shí)，涂布紙的耐折度比原紙?jiān)黾恿?61次。
圖9 NFC添加量對(duì)砂紙?jiān)埬驼鄱鹊挠绊?5%PVA)
圖10為 P VA濃度10%時(shí)，NFC添加量對(duì)涂布砂紙?jiān)埬驼鄱?的影響。由圖10可知，隨著NFC用量增加紙張的耐折度也逐漸上升。在NFC的添加量為1%時(shí)，紙張的耐折度為1476，而添加量為10%時(shí)，耐折度達(dá)到2291。 由圖9、圖10可見，紙張的耐折度與N F C的添加量 有著直接的關(guān)系。由此，涂布紙的耐折度是隨著N F C添加量的增加而有所提高。引起這種現(xiàn)象的主要原因是 隨著N F C的添加量逐漸增加，使得砂紙?jiān)埨w維的結(jié) 合力得到了提升。
圖10 NFC添加量對(duì)砂紙?jiān)埬驼鄱鹊挠绊?10%PVA)
2.5 PVA/NFC配比對(duì)砂紙?jiān)埶毫讯鹊挠绊?/STRONG>
圖11為PVA濃度5%時(shí)，NFC添加量對(duì)砂紙?jiān)?撕裂度的影響。由圖11可見，原紙撕裂度為960mN。 NFC添加量為5%時(shí)，涂布紙的撕裂度達(dá)到最大值，為1200m N。而后隨著添加量的增加，撕裂度逐漸下降。
圖11 NFC添加量對(duì)砂紙?jiān)埶毫讯鹊挠绊?5%PVA)
圖12為P VA濃度10%時(shí)，NFC添加量對(duì)砂紙?jiān)埶毫?度的影響。由圖12可見，撕裂度隨著NFC添加量的增加 而增加。涂布紙的撕裂度出現(xiàn)增大的原因在于NFC的 表面含有大量的羥基，它會(huì)與紙面上裸露的纖維形成氫鍵，在一定程度上增強(qiáng)了纖維間的結(jié)合力。 因此，NFC可以一定程度提高砂紙?jiān)埖乃毫讯取?/P>
圖12 NFC添加量對(duì)砂紙?jiān)埶毫讯鹊挠绊?10%PVA)
3 結(jié)論
隨著NFC添加量增加，砂紙?jiān)埖姆烙托阅苤饾u 提高。P VA濃度為5%時(shí)(涂布量為2.61g/m2 )，原紙的防油等級(jí)不到1級(jí)，NFC添加量10%時(shí)防油等級(jí)為5。在PVA濃度為10%的條件下(涂布量為8.27g/m2 )，所有紙張的防油等級(jí)均為12級(jí)左右。
PVA濃度為5%時(shí)，涂布后紙張的拉伸強(qiáng)度隨著NFC添加量的增加而提高，當(dāng)NFC添加量為5%時(shí)，其拉伸強(qiáng)度比砂紙?jiān)執(zhí)岣吡?00%。但隨著N F C添加量進(jìn)一步增加，其拉伸強(qiáng)度的上升趨勢(shì)明顯減緩，這是因?yàn)镹FC在溶液中的分散性逐步變差。當(dāng)PVA濃度為10% 時(shí)，這種現(xiàn)象尤為明顯。
NFC添加量對(duì)紙張的耐折度有著積極的作用。 PVA濃度為5%時(shí)，隨著NFC的添加量增加，涂布紙的耐折度比砂紙?jiān)堅(jiān)黾恿?61次。在10%PVA涂布的砂紙?jiān)埳希?dāng)NFC的添加量為10%時(shí)，涂布紙的耐折度比砂紙?jiān)執(zhí)岣吡?4.9%。
砂紙?jiān)埖乃毫讯纫才c復(fù)合涂料中的NFC添加量有關(guān)，NFC可以一定程度提高砂紙?jiān)埖乃毫讯?/P>
