浆内凝胶方式提高纸板挺度的新工艺研究

彭鹏杰，周小凡，徐金霞，叶育敏

（1.国家浆纸产品质量监督检验中心 莆田市产品质量监督检验所，福建 莆田 351100；2.南京林业大学 江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏 南京 210037）

浆内凝胶方式提高纸板挺度的新工艺研究

彭鹏杰1，周小凡2，徐金霞1，叶育敏1

（1.国家浆纸产品质量监督检验中心 莆田市产品质量监督检验所，福建 莆田 351100；2.南京林业大学 江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏 南京 210037）

将醇溶性脲醛树脂添加至高浓度纸浆中，75～80℃下加热纸浆数分钟，使树脂初步凝胶并黏附、包裹于纤维表面，抄片并将纸页加热干燥时，树脂充分凝胶固化，从而提高了纸板的挺硬性。研究结果表明：在高浓纸浆的pH为4～5、加热保温6 min的处理条件下，脲醛树脂具有很高的留着率，同时也能增加纸板的环压强度，增幅可达50%以上。对醇溶性脲醛树脂有协同留着、协同增强的效应，可使树脂的留着率高达92%，纸页环压强度增幅达68%。脲醛树脂合成成本低廉、原料易得，将其作为纸板增挺剂，具有现实意义。

醇溶性；脲醛树脂；环压强度；留着率；增挺剂

脲醛树脂是一种广泛应用于竹、木材加工、纸张黏结和钢化涂料等行业的胶粘剂，具有胶粘强度较高、成本低廉、原料易得、生产工艺简单、使用方便等优点[1]。醇溶性脲醛树脂在水中溶解性低，添加至高浓纸浆中，通过加热凝胶的方式，使脲醛树脂黏附并包裹于纤维表面。抄片加热成形时，脲醛树脂充分凝胶固化，使多根纤维凝胶接枝成为大纤维，提高了纤维挺硬性，增强了纤维间的结合力，从而提高了成纸的环压强度。本文将醇溶性脲醛树脂及其与淀粉复配体系作为纸板增挺剂分别添加至纸浆中，研究其最佳工艺处理条件、脲醛树脂留着率的变化、对纸板环压强度的增强情况。

1 实验

1.1 原料

废旧新闻纸浆（ONP）；木薯氧化淀粉，上海浦东佳丰实业公司提供；甲醛、尿素、六亚甲基四胺、硫脲，均为国药集团化学试剂有限公司提供；质量分数为30%的NaOH溶液。

1.2 主要仪器

DCP-KY 3000电脑测控压缩试验仪；OWLCE澳尔斯疏解器； ZQJ 1-B 200 mm型纸页成形器；DGG-9070A电子恒温烘箱；GBJ-A型纤维解离器；电热恒温水浴锅；真空抽滤瓶；干燥器；分析天平。

1.3 实验方法

1.3.1 脲醛树脂合成工艺

将一定质量的甲醛和六亚甲基四胺投入三口烧瓶中，加热并搅拌。当六亚甲基四胺全部溶解后加入一定质量的尿素，升温至 96℃，回流30 min后，加入邻苯二甲酸酐，在此温度下反应90 min，其间溶液pH应为4.5～5.0。然后用质量分数为30%的NaOH溶液调整pH=7.5～8.0，并加入硫脲，继续搅拌15 min后停止加热，得到产品。

1.3.2 增强处理方法

在3%的纸浆中加入一定量脲醛树脂增挺剂，搅拌均匀。在一定温度下（75～80℃）加热、保温一定时间。随后，用PFI磨混炼处理40 s，使脲醛树脂与纸浆纤维充分混合均匀，并黏附、包裹于纤维表面。

抄片加热成形，使树脂充分凝胶固化、多根纤维凝胶接枝成为大纤维。通过提高单根纤维和接枝大纤维的挺硬性来提高成纸的环压强度。

1.3.3 留着率测定

取4 g绝干浆，加入一定量的脲醛树脂。在一定温度下（75～80℃）加热保温一定时间。随后，用PFI磨混炼处理40 s。经疏解后，用真空抽滤瓶过滤、抽吸。放入烘箱干燥4 h后，转至干燥箱内恒量30 min，之后取出称量。按公式（1）计算：

式中：L为留着率，%；m为干燥后浆料和滤纸质量，g；m1为滤纸质量，g；R 为脲醛树脂加入量，%。

2 结果与讨论

2.1 pH对醇溶性脲醛树脂留着率的影响

为了探索理想的留着效果，用盐酸溶液将浆料pH调至2.0～7.0，醇溶性脲醛树脂用量为5%，加热凝胶时间为6 min。图1显示了pH对醇溶性脲醛树脂留着率的影响。

图1 pH对醇溶性脲醛树脂留着率的影响

从图1可以看出，醇溶性脲醛树脂在pH=2.5时，留着率为51%，随着pH的提高，留着率呈上升趋势，并在pH=4.5时到最大值75%。之后继续提高pH，醇溶性脲醛树脂的留着率开始下降，当pH为6.5时留着率降至68%，这说明酸性环境对脲醛树脂留着有利。由图1可知，脲醛树脂凝胶最佳pH为4～5左右。假如浆料pH低于3，醇溶性脲醛树脂迅速反应凝胶，变成弹性凝胶体，降低了树脂的黏性[2]200，而达不到留着的效果。

2.2 加热保温时间对醇溶性脲醛树脂留着率的影响

将脲醛树脂加热变为熔胶凝胶状态[2]201，通过此状态下的黏性使脲醛树脂黏附并包裹于纤维的表面上，从而达到增加纸板环压强度的目的。图2是加热凝胶时间对醇溶性脲醛树脂留着率的影响，浆料的pH=4～5。

图2 加热时间对留着率的影响

从图2可以看出，随着加热保温凝胶时间的延长，醇溶性脲醛树脂的留着率开始上升，并在6 min时留着率达到最大值，留着效果最好；继续加热保温使树脂凝胶，留着率开始下降。这是因为在酸性条件下，脲醛树脂加热缩聚反应进行一定程度后，树脂黏度突然急剧增大，迅速转变成具有弹性的凝胶状态，再进一步即呈固体状，失去了对纸浆纤维的黏附包裹能力[3]。从图2看到，醇溶性脲醛树脂用量为5%时的留着率要好于用量10%的。用量为5%时，留着率最大能达到75%，而用量10%时最大只能达到64%。这是因为用量越多，溶解得越多，有部分不能很好地凝胶黏附在纤维表面上。

2.3 醇溶性脲醛树脂用量对纸板环压强度的影响

图3为醇溶性脲醛树脂的用量对环压强度的影响。实验条件为：浆料的pH=4～5，醇溶性脲醛树脂加热凝胶时间是6 min；不加增强剂的空白纸板的抄片定量为240 g/m2，环压指数为13.7 N·m/g。

图3 醇溶性脲醛树脂的用量对环压强度的影响

从图3可以看出，随着醇溶性脲醛树脂用量的加大，纸板的环压强度一直呈上升趋势。醇溶性脲醛树脂用量为5%时，纸板环压指数增幅提高26.3%，10%用量时，环压指数增幅提高32%。继续加大脲醛树脂用量至20%时，纸板的环压指数增幅提高47%，用量增加到25%时，纸板的环压指数增幅提高58%。

结合图1～3可知，将脲醛树脂添加至pH=4～5的浆料中，保温6 min左右，脲醛树脂的留着率最高，也能够很好地提高纸板的环压强度。

2.4 醇溶性脲醛树脂与淀粉复配的留着和增强研究

取一定用量的淀粉糊与醇溶性脲醛树脂进行复配。单独添加5%用量淀粉（相对绝干浆）做增强剂时，淀粉通过抽提以后测到的留着率为80%，纸板的环压指数为16.6 N·m/g，纸板环压强度增强21%。图4为不同用量的醇溶性脲醛树脂与5%木薯淀粉复配后留着和纸板环压的增加情况。

图4 不同用量的醇溶性脲醛树脂与5%淀粉复配后留着和纸板环压的增加情况

从图4可以看出，添加5%的木薯淀粉后，醇溶性脲醛树脂的留着率大幅上升。复配体系中，醇溶性脲醛树脂用量为5%时，其留着率达88%；用量为10%时，留着率达75%。说明木薯淀粉对留着产生了积极的效果，协同留着效应很明显。这是因为淀粉糊化以后，其凝胶黏性将醇溶性脲醛树脂更好地吸附在了纤维表面，淀粉从中起到辅助留着剂的作用[4-5]。从图4也可知，随着醇溶性脲醛树脂加入量的增加，纸板的环压强度呈上升趋势。醇溶性脲醛树脂用量为5%时，环压指数提高了35%；用量为15%时，环压指数提高了53.3%；用量为25%时，环压指数提高了68.6%。这是因为淀粉提高了脲醛树脂的留着率，使更多的脲醛树脂黏附包裹在纤维表面，使得单根纤维更加挺硬、纤维间的结合强度更加高，从而使得纸板环压的增幅更大。

图5为用量10%的醇溶性脲醛树脂和不同量淀粉复配后留着和纸板环压的增加情况。

图5 用量10%的醇溶性脲醛树脂和不同量淀粉复配后留着和纸板环压的增加情况

从图5可以看出，用量10%的醇溶性脲醛树脂与淀粉复配使用，随着淀粉用量的上升，其留着率逐渐上升。淀粉加入量为12%时，留着率高达96%。由此可见淀粉协同留着的作用非常明显。随淀粉用量增加，纸板的环压强度呈增大趋势。淀粉用量为4%时，纸板的环压指数只提高了27.7%；但用量为12%时，纸板的环压指数增加了56.9%。继续加大淀粉的用量，环压强度增幅并不大。这是因为淀粉柔软性比较好，不利于增加纸板的环压强度。

3 结论

（1）高浓浆料中添加醇溶性脲醛树脂，浆料pH=4～5、加热保温6 min，醇溶性脲醛树脂有最佳留着效果。当醇溶性脲醛树脂用量为5%时，留着率最高到75%。留着率随醇溶性脲醛树脂添加量的增大呈下降趋势。

（2）醇溶性脲醛树脂对纸板环压强度的增强效果较好，25%用量时，环压强度可以增加58%。添加量越大，纸板增强效果越好。

（3）淀粉对醇溶性脲醛树脂有协同留着、协同增强效应，其留着率和增强幅度均高于单独添加醇溶性脲醛树脂使用时的情况。增大淀粉用量，能大幅度提高脲醛树脂的留着率，但增强幅度逐渐趋小。

［1］马建羽.环保型改性脲醛树脂胶粘剂［J］.科技创新导报，2010（24）：65.

［2］陈亮，陈东，莫雅芳.脲醛树脂产生凝胶原因及处理［J］.广西林业科学，2003（4）.

［3］陈玉放，李健，陈亚席，等.脲醛树脂/淀粉复合体系的常温固化及其力学性能［J］.热固性树脂，2010，25（3）：10-18.

［4］张立芳.合成树脂饰面人造板［M］.北京：化学工业出版社，2004：38-39.

［5］茹克亚·沙吾提.脲醛树脂改性氧化淀粉胶的研究［J］.喀什师范学院学报， 2003，24（3）：42-44.

Improving the Stiffness of Paperboard by a New Technology of Applying a UF Gel Internally in Pulp

PENG Peng-jie1，ZHOU Xiao-fan2，XU Jin-xia1，YE Yu-min1
（1.National Pulp and Paper Products Quality Supervision and Inspection Center， Station of Product Quality Supervision and Inspection in Putian， Putian 351100，China；2.Jiangsu Provincial Key Lab of Pulp&Paper Science and Technology， Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China）

In this paper， an alcohol-soluble UF resin was added into high consistency pulp.After heating（about 75 ～80℃）the pulp for a few minutes，the UF resin preliminarily gelled and wrapped the fiber surfaces.After the dryer section， the gelling and curing of the UF resin was completed.Consequently， the stiffness of the board was improved significantly.Results showed that the alcohol-soluble UF retention ratio was high and the ring crush strength of the board was improved more than 50%when the treatment was at pH for 4～5 and heating time was 6 min.In addition，starch was found to have synergistic effect with the UF resin on retention and strengthening，for it could not only increase the retention ratio to the level as high as 92%，but also it increased the ring-crush strength by 68%.Based on the facts that the raw materials for synthesis is very abundant and the cost for the synthesis is low，we can conclude that it is of great practical significance to employ the UF resin as a reinforcing agent for paper stiffness.

alcoholsoluble；ureaformaldehyderesin（UF）；ringcrushstrength；retentionratio；stiffnessreinforcingagent

TS727+.1

A

1007-2225（2012）01-0027-04

2011-09-05（修回）

彭鹏杰先生（1984-）；从事纸制品检测技术应用研究；E-mail：ppj16@163.com。

本文文献格式：彭鹏杰，周小凡，徐金霞，等.浆内凝胶方式提高纸板挺度的新工艺研究[J].造纸化学品，2012，24（1）∶27-30.