表面施胶用荧光增白剂hs的应用研究

表面施胶用荧光增白剂hs的应用研究

在制备和研磨后，大部分木材素被清除，剩余木材素和其他香料被显示为黄色和白色。若采用提高蒸、漂强度的方法进一步来增加纸浆白度,则会损失其强度及得率。荧光增白剂(FluorescentWhiteningAgents,简称FWA)具有用量少、使用方便且不会引起纸浆产生化学损耗等优点,可吸收波长340～400nm范围内的紫外光,进而通过能级跃迁将其转化为可见的蓝紫色荧光,以消除纤维上的微黄色,产生光学互补增白的作用,显著提高纸浆及纸制品的白度和亮度,这使FWA成为生产高白度纸张的重要化学品之一。可用于造纸的荧光增白剂品类繁多,其中二苯乙烯双三嗪类荧光增白剂产量最大,在化学结构上具有环状共轭体系,可分为二磺酸、四磺酸和六磺酸3种类型。其中六磺酸类型由于磺酸基的数量较多,水溶性好,使用方便,且环境敏感性较好,适宜生产高白度纸张。荧光增白剂HST是一种广泛用于纸浆、棉纤维及织物等的六磺酸增白剂,具有良好的耐光和耐碱色牢度。市售商品有固体和液体两种,液体HST因其使用方便,更受市场欢迎。鉴于六磺酸增白剂与纤维间的亲和力较差,通常多用于纸张表面施胶与颜料涂布等表面处理过程。本研究通过实验对比,分析得出荧光增白剂在表面施胶和涂布过程中的最优添加工艺;同时,对比目前几家企业市售产品的增白效果,为客户选购与生产应用提供理论借鉴。1实验1.1增白剂标记的种类漂白针叶木浆板、液体荧光增白剂HST、阳离子醚化淀粉、高岭土、重质碳酸钙、苯丙胶乳、PVA,均为工业级。其中,增白剂取自不同企业,为便于区别,现做如下标记:杭州某企业,记为HZ;绍兴某企业,记为SX;运城某企业,记为YC。1.2实验设备紫外-可见光光谱仪,电热恒温鼓风干燥箱,实验用手工施涂软刷,全自动白度仪,槽式打浆机,ZQJ1-B型纸样抄取器。1.3实验方法1.3.1复制纸样本将漂白针叶木浆板撕碎浸泡后,用槽式打浆机打浆至38°SR,抄取定量为90g·m-2纸样。1.3.2荧光增白剂胶液法取一定量阳离子醚化淀粉于烧杯中,加入80～90℃热水,并将其置于恒温水浴锅中控温90℃,不断搅拌,直至淀粉完全糊化,之后将荧光增白剂按一定添加量加入胶液中,均匀分散。1.3.3胶液的施胶、干燥将所抄湿纸样烘干至干度为70%～80%,用实验室手工施胶软刷将配备好的胶液均匀施于纸张正面,施胶量控制约4g·m-2,并在干燥箱105℃下干燥,恒温恒湿24h后贮存备用。1.3.4高聚物涂层的制备涂料主要由白料、苯丙胶乳和PVA组成,三者质量比为100:18:0.5,其中白料由高岭土与重质碳酸钙以7:3比例混合而成,并按添加量加入荧光增白剂,最后与水充分混合搅拌均匀配成一定固含量的涂料。1.3.5纸包装纸样干燥后,用实验室手工涂布软刷进行纸样单面涂布。采用电热鼓风进行干燥,干燥温度105℃,干燥时间15～20min。1.3.6原纸及施、涂前后纸样硬度的测定按照化工行业标准HG/T3971-2007检测原纸及施、涂后纸样的白度性能,并在80℃,UV光照30min后检测白度,考察纸张涂布后白度耐久性。2结果与分析2.1表面活性剂hst的应用2.1.1本文施胶量结果施胶量是控制纸张施胶度的重要手段,不仅关系到纸张表面的憎液性能,还与白度、强度等其他物理性能相关。对实验抄取纸样采用不同浓度施胶剂进行表面施胶,所得施胶量结果如图1所示。糊化会使淀粉液黏度大大增加,尤其是在浓度较高时,胶液流动性变差,淀粉颗粒难以在液相中均布,带来施胶不匀等问题。同时,对于相同的原纸,随着胶液浓度的提高,施胶量开始出现较大差异,结果误差呈现放大状态,引起纸张施胶度波动,进而带来成纸白度的不稳定。而且,据成纸施胶度要求,1%的醚化淀粉浓度即可达到4g·m-2的施胶量。因此,实验选定表面施胶液中醚化淀粉浓度为1%。2.1.2增白强度和cie酸度实验中荧光增白剂添加量依次取0、1%、5%、10%、15%、20%,待醚化淀粉糊化完全后,将其与增白剂均匀混合后进行纸样的表面施胶处理。增白强度是增白剂赋予被染物颜色的能力与染料标样赋色能力的百分比。CIE白度是基于三刺激值X(红)、Y(绿)、Z(蓝)的测试和计算得出的描述纸张色相体系的白度参数,比ISO白度更能代表人眼的真实感觉。因此,增白强度与CIE白度数值呈现出相同的变化趋势,这表明随着增白剂用量的递增,胶液赋色增白能力与纸样施胶后光学白度直接相关。2.1.3施胶前后纸页色度指标的变化在醚化淀粉用量1%,荧光增白剂添加量10%(对胶液中淀粉固含量)的条件下,对比3家企业液体HST表面施胶后纸样增白效果,结果如图3所示。CIE-L*a*b*表色系统建立在三刺激值原理基础上,其中L*为明度指数,表示白色的明亮程度,其越大则颜色越明亮;a*与b*称为色度指数,其中a*正值表示偏红程度,负值表示偏绿程度,b*正值表示偏黄程度,负值表示偏蓝程度,且数值越大,色调越饱满。由图3可知,分别将3家企业生产的液体HST产品添加至胶液中进行表面施胶,相较于原纸的CIE白度均有较大幅度的提升,尤其是HZ和YC新这两个产品,白度增幅可达56%以上。与原纸相比,L*值亦有一定提高,表明施胶后纸页白度增强,视觉上呈现亮白效果,其中YC新增白剂的明度指数增幅最大,达0.92%。与L*值类似,色度指数会影响人眼视觉白度,实践表明,大多数人不喜欢泛绿的白色,且鉴于基因序列与生理环境的差异,欧美人对偏红的白色较为敏感,而亚洲人则倾向于偏蓝或泛紫的白色。基于此,纸张调色时宜使a*值略大于0,而b*值越小于0越好,这样即可生产出更适于亚洲人偏蓝的白色。因此,HZ产增白剂的色度指数较佳,b*值最小为-2.31,偏蓝程度最大,补蓝增白效果也最显著。通过上述对比发现,HZ与YC新工艺的增白剂在表面施胶中具有较好的增白效果。2.2用于纺布包装的添加剂hst2.2.1仿真条件和仿真体系涂料固含量作为影响涂布质量控制的重要指标,是决定涂布量的关键因素,而涂布量的不同则会引起纸页物理性能和光学白度的差异。采用不同固含量涂料对手抄片进行涂布操作,涂布量的变化如图4所示。2.2.2uv-c照射与光、热诱导返黄通过参考部分企业在纸页涂布生产过程中液体HST的实际应用情况,特选取增白剂添加量依次为0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%,考察用量对纸张白度性能及其耐久性的影响,实验结果如图5。分析知,由于增白剂添加量递增,逐渐逼近其在纸张涂布应用过程中的泛黄点,而一旦达到泛黄用量,白度即不会再提高,甚至开始降低,故白度呈先增加后不变的趋势。纸张在加热的条件下经UV长时间照射,会使残余木素中被屏蔽的生色基团受到光、热诱导,吸收光波,转化为发色基团,显示出颜色,从而引起纸页返黄,白度下降。图5中,带箭头线段的长度即表示UV照射引起的白度损耗数值,长度越长,白度下降越严重,其持久性也越差。随着用量递增,白度提高,泛黄点的临近使得光、热诱导返黄现象被放大。在诱导返黄效应与泛黄点逼近的双重因素影响下,白度损失先减后增。因此,选定增白剂最佳用量为0.8%,此时CIE白度比空白样提高55.57%,白度损失最小,仅为4.65%。2.2.3不同公司的荧光增白剂在布包装中的增白效果的比较在涂料固含量30%、荧光增白剂添加量0.8%的条件下,对比不同企业或批次的HST纸张涂布后的白度性能,结果如图6所示。3增白剂用量的影响3.1醚化淀粉用于纸页表面施胶时,随淀粉液浓度提高,纸张施胶量增加。1%的醚化淀粉浓度即可使施胶量达到4g·m-2,且表面施胶处理后纸张施胶量稳定。3.2HST用于表面施胶时,10%的用量(相对于淀粉固含量)下增白效果显著,白度增幅达55%以上,且增白强度与CIE白度值变化趋势相同。3.3不同企业HST在表面施胶中均有显著的增白效果。其中,HZ及YC新增白剂,白度增幅可达56%以上,YC新增白剂的明度指数增幅为0.92%,增白效果较佳。3.4纸页涂布量随涂料固含量的递增而不断提高,呈近似线性趋势。且在涂料固含量30%,荧光增白剂添加量0.8%时,涂布后纸页CIE白度比空白样提高55.57%;经UV照射进行白度耐久性测试,发现白度损失最小,仅为4.65%。3.5将不同企业及批次的HST用于纸张涂布过程中,白度性能从高到低依次为:HZ>YC05-10>YC05-7>YC03-6>SX,其中HZ和YC05-10增白幅度可达到54.7%,效果显著。由图1可见,纸张施胶量与胶液浓度成近似正比的关系,随表面施胶液中醚化淀粉浓度的提高施胶量呈增加趋势。这是因为在原纸定量与松厚度接近的条件下,纸张对施胶剂的吸收和渗透能力亦相近,而且由于采用专用软刷单面手工施胶,一次完成施胶操作,均无需多次施涂。因此,胶液浓度成为决定施胶量的关键因素。如图2所示,在表面施胶剂浓度为1%的条件下,随增白剂添加量递增,成纸白度呈先上升后略微下降的趋势。分析可知,增白剂在较低用量下,离泛黄点尚远,故随添加量的增加,增白效果显著提高;但随着用量的进一步增大,白度提高变缓,直至达到其最佳用量,即泛黄点,继续增加纸页白度不增反降。从图2发现,荧光增白剂的泛黄点为15%,生产中必须控制其用量在泛黄点以下,才能取得较好的增白效果与经济效益。且由于HST为阴离子型增白剂,而施胶醚化淀粉为阳离子型,实验过程中发现,随着增白剂用量的提高,吸附作用变得显著,使其在胶液中的均匀分布变得困难,出现较多的颗粒状微絮团,施胶时增白剂施涂不匀,用量不准,最终影响整个施胶效果和白度性能。因此,最终选定10%作为增白剂的最佳用量。此用量下,离泛黄点较远,且已达到较佳的增白效果,同时有利于胶液的配制,避免了胶液中絮团的出现。由图4可见,纸张涂布量随涂料固含量的递增而不断提高,呈近似线性趋势。这是由于原纸抄造工艺不变,成纸定量、孔隙率及紧度均十分接近,故涂料向纸页内部渗透的转移速度相同,且纸张涂布过程中专用施涂软刷一次完成涂布操作,使得涂料固含量成为影响涂布量的主要因素。此外,随涂料固含量的增大,涂布后纸张增白强度和CIE白度略有变化,呈先增后减态势,在固含量为30%时白度性能最佳,与原纸(增白强度63.39分,CIE白度63.04%)相比,未加增白剂的涂料涂布后纸页增白强度提高幅度为8.54%,CIE白度增幅为9.95%。由于瓷土与重质碳酸钙复配的白料白度高于漂后的纸浆纤维,将其涂于纸张表面形成的涂层可通过覆盖作用改善原纸白度,但介于白料自身白度有限,这种覆盖增白效果并不会随着涂层厚度的增加而变得显著,反而可能因涂布量过高而使白度下降,出现波动趋势。因此,选定涂料固含量为30%,纸张涂布量约达到60g·m-2,即可取得最佳的白度性能。由图5可知,随涂料中增白剂用量的增加,涂布后纸页白度显著提高,但进一步增加其添加量,白度提升缓慢,增幅较小。在80℃下,经UV光照30min进行白度耐久性检测发现,UV光照后,不同用量下白度均出现降低,且在0.8%时,CIE白度损失值最小,继续增大添加量,白度损失值反而增大,呈现先减小后增大的趋势。由图6知,不同企业的荧光增白剂用于纸张涂布后,均可产生显著的增白效果,相比未添加增白剂的空白样,CIE白度有较大增幅。其中,HZ增白剂与YC05-10的增白效果最好,增白幅度为54.7%。此外,还可以发现不同企业的增白剂会带来不同的L*、a*、b*值,其中YC05-10具有最大的明度指数,即纸张明亮程度较高,视觉上呈现亮白态,但过高的亮度易对人眼刺激强烈,长时间使用会使眼睛疲劳,因此,具有较高L*