玻璃纤维改性及其配抄性能的提高

玻璃纤维改性及其配抄性能的提高杨德清，孙红兰，刘温霞（山东轻工业学院制浆造纸工程省级重点学科，山东济南250353）摘要：利用阳离子淀粉和羧甲基纤维素钠处理液对玻璃纤维进行浸渍处理，通过测定手抄片抗张强度、撕裂强度和挺度，研究浸渍处理的玻璃纤维与植物纤维的配抄性能。

结果显示，玻璃纤维经羧甲基纤维素钠和阳离子淀粉液分别浸渍处理或交替处理后，能显著改善玻璃纤维对配抄纸张抗张强度、撕裂强度的不利影响，并进一步改善了纸张挺度。

关键词：玻璃纤维；纸张强度性质；羧甲基纤维素钠；阳离子淀粉；改性中图分类号：TS727.2文献标识码：A文章编号：1007-2225（2009）02-0001-05Modification of Glass Fiber and Improvement of Its PapermakingPerformanceYANG De-qing，SUN Hong-lan，LIU Wen-xia（Key Laboratory of Paper Science and Technology of Ministry of Education，Shandong Institute of Light Industry，Jinan250353，China）Abstract：In this paper，glass fiber was modified by impregnating in cationic starch or/and CMC solutions.The strength properties of paper containing modified and unmodified glass fibers were measured to investigate the effect of impregnation on paper properties.The results show that the damage of glass fibers on paper tensile strength，tearing strength can be significantly lowered by the modification of glass fibers with cationic starch，CMC or their alternative treatments while the paper stiffness can be further improved.Key words：glass fibers；paper strength properties；CMC；cationic starch；modification矿物纤维是采用现代技术将自然产出的白色纤维状矿石经纤维化超细粉碎、表面复合改性后制备的活性造纸用新材料。

矿物纤维不同于植物纤维，制备过程不会造成环境污染，也不同于传统填料碳酸钙、滑石粉，它是介于植物短纤维与传统填料（碳酸钙、滑石粉）之间的一种新型造纸材料。

矿物纤维用于造纸工业，可节约大量的植物纤维，又起到了传统造纸填料的功能[1]，这对降低造纸成本，保护森林和生态环境，减少环境污染有重要的意义[2]。

玻璃纤维产品是一种性能优异的无机非金属材料，是现代材料家族中的重要一员，也是高新技术不可缺少的配套基础材料。

它具有不燃、耐高温、电绝缘、拉伸强度高及化学稳定性好等优良性能。

玻璃纤维与天然纤维素纤维的不同之处在于其截面呈圆形，笔直且直径不变，能制得很微细，相对密度比纤维素纤维和大多数人造纤维高得多，可用的温度范围也大得多。

而且玻璃纤维毫无天然纤维那样的润胀或帚化现象，以及不算太优异的耐化学性和非吸湿性，因此玻璃纤维是一种良好的过滤材料。

但是由于玻璃纤维成纸强度不好，所以可以与其他强度好的植物纤维进行配抄来获得性能很好的过滤材料[3]。

笔者利用阳离子淀粉（CS）和羧甲基纤维素钠（CMC）对玻璃纤维进行不同的浸渍处理后，与二次纤维配抄，研究浸渍处理后的玻璃纤维对纸张抗张强第21卷第2期2009年4月造纸化学品PAPER CHEMICALSVol.21No.2Apr.2009收稿日期：2008-09-24基金项目：国家自然基金（20476053）；山东省自然基金资助项目（Y2005B17）度、撕裂强度和挺度的影响。

1实验1.1原料玻璃纤维，阳离子淀粉，羧甲基纤维素钠，阳离子聚丙烯酰胺（CPAM，相对分子质量800万），均为市售工业产品；二次纤维取自山东某纸厂。

1.2方法1.2.1玻璃纤维的浸渍改性将CS于90℃糊化反应15min之后，用热水稀释至0.5％质量分数，冷却至室温后，配制一系列浓度不同的CS溶液备用；CMC则直接溶于水中，同样配制一系列不同浓度的溶液。

将玻璃纤维分别浸渍于不同浓度的CS和CMC 处理液中，浸渍5min，然后将处理液滤掉，风干改性玻璃纤维，获得一系列CS或CMC改性玻璃纤维。

称取一定量的玻璃纤维，依次加至各种浓度的CS溶液中，混合5min后，滤掉滤液，再依次加至各种浓度的CMC溶液中，再次混合5min后，滤掉处理液，获得一系列CS/CMC交替浸渍处理的玻璃纤维；同样按上述方法，将玻璃纤维依次经CMC和CS 溶液浸渍处理后，获得CMC/CS交替浸渍处理的玻璃纤维。

1.2.2玻璃纤维与二次纤维的配抄按一定比例把玻璃纤维或改性玻璃纤维加入疏解好的二次纤维中，搅拌混合均匀，加入相对浆料质量分数0.02％的CPAM，继续搅拌60s，在Rapid-Kothen PTI抄片机上抄制定量约为60g/m2的手抄片，并在FI119烘缸（Lorentzen&Wettre）上于100℃下干燥。

手抄片抗张强度按照GB/T453—2002测定，撕裂度按照GB/T455.1—1989测定，挺度按照GB/T2679.3—1996测定。

2结果与讨论2.1玻璃纤维加入量对配抄性能的影响图1、图2和图3分别是未改性玻璃纤维的加入质量分数对纸张抗张强度、撕裂强度和挺度的影响。

从图1可见，由于玻璃纤维自身不能与植物纤维产生有效的氢键结合且挺硬，随着玻璃纤维加入量的增加，纸张的抗张强度近似成比例减小。

由图2可见，加入5％的玻璃纤维，纸张撕裂强度变化很小，随着玻璃纤维加入量的进一步增加，手抄片撕裂强度急剧下降，然后又有小幅回升，之后随玻璃纤维加入量的增加，撕裂强度又再次降低。

在纤维间结合良好的情况下，撕裂强度主要与纤维的长度有关，因此，少量玻璃纤维的加入并不影响纸张的撕裂强度。

然而，随着玻璃纤维加入量的增加，纸张结合强度遭到破坏，撕裂强度主要受到纤维结合能力的影响，因此，撕裂强度进而呈急剧下降趋势。

在20％加入量下，撕裂强度的回升可能与玻璃纤维较长有关。

由图3可ÁÂw图1玻璃纤维加入量对纸张抗张强度的影响Áw图3玻璃纤维加入量对纸张挺度的影响图2玻璃纤维加入量对纸张撕裂强度的影响w（玻璃纤维）/%撕裂强度/mN造纸化学品第21卷2··见，随着玻璃纤维加入量的增加，由于纤维间结合强度的降低，挺度先略有降低；之后，由于玻璃纤维自身挺硬，成纸的松厚度也较高，反而使纸张的挺度随之提高，并在玻璃纤维添加量为20％时达到最高值。

当玻璃纤维的加入量超过20％后，由于纤维间结合力破坏严重，纸张的挺度开始随玻璃纤维加入量增加而降低。

2.2CS 和CMC 浸渍处理液浓度对改性玻璃纤维配抄纸张强度的影响图4、图5和图6是玻璃纤维分别经不同浓度的CS 和CMC 溶液浸渍处理并风干后，以质量分数20％的加填比例与二次纤维配抄，所得浸渍处理液浓度对手抄片的抗张强度、撕裂强度和挺度的影响。

由图4可见，纸张的抗张强度随CS 和CMC 浸渍处理浓度的增加而增大，并在浸渍液浓度为0.15％时达到最大值。

在达到最大值后，随着浸渍液浓度的进一步提高，CS 浸渍处理的玻璃纤维配抄纸张的抗张强度降低，这可能与CS 分子间的斥力有关。

而CMC 改性玻璃纤维配抄纸张的抗张强度则趋于不变。

由于CS 带有正电荷，对带有负电荷的玻璃纤维吸附作用更强，浸渍处理的玻璃纤维配抄纸张的抗张强度要高于CMC 改性的玻璃纤维配抄的纸张。

由图5可见，手抄片撕裂强度随CS 浸渍处理液浓度增大先增大、后又稍减小，与抗张强度的变化趋势相似，CMC 浸渍处理的玻璃纤维对手抄片撕裂强度的影响较小，这是因为浸渍处理仅仅改变了纤维间的结合强度。

CMC 处理的玻璃纤维在浸渍浓度0.05%时的降低，可能来源于测定误差。

由图6可见，手抄片挺度随浸渍处理液浓度增加而增大，因为CS 和CMC 均有使玻璃纤维挺硬的作用，在处理液浓度超过0.10%后，CS 的处理效果要明显好于CMC 。

2.3CS 与CMC 浸渍处理液交替改性玻璃纤维的次序对配抄纸张强度的的影响图7、图8和图9分别是不同浓度的CS 和CMC 浸渍处理液按不同次序交替改性玻璃纤维后，以质量分数20%的加填比例与二次纤维配抄，对所得手抄片抗张强度、撕裂强度和挺度的影响（交替处理玻璃纤维的CS 和CMC 溶液浓度相同）。

ÁÂÁÁw 图7交替改性玻璃纤维的次序对纸张抗张强度的影响ÁÁ图4浸渍处理液浓度对纸张抗张强度的影响w （浸渍处理液）/%抗张强度/（k N ·m -1）CS 处理CMC 处理w （浸渍处理液）/%CS 处理CMC 处理图6浸渍处理液对纸张挺度的影响ÁÁ挺度×103/（m N ·m ）杨德清，等：玻璃纤维改性及其配抄性能的提高第2期w （浸渍处理液）/%ÁÁ图5浸渍处理液浓度对纸张撕裂强度的影响CS 处理CMC 处理撕裂强度/m N3··由图7可见，无论玻璃纤维是先用CS 浸渍处理还是先用CMC 溶液浸渍处理，手抄片的抗张强度开始均随处理液浓度的增加而增大，只是先用CS 处理时，在处理液浓度为0.20%时达到最大值；而先用CMC 溶液浸渍处理玻璃纤维时，在处理液浓度0.15%时达到最大值，且2种处理顺序的纸张抗张强度相近。

从图8和图9可以看出，先用CMC 处理玻璃纤维时，手抄片的撕裂强度和挺度随处理液浓度的增加先有所降低，之后随之提高，当处理液浓度达到0.20%时，达到最大值，之后又呈减小趋势；先用CS处理玻璃纤维时，则不存在最大值，撕裂强度和挺度一直随浸渍液浓度的增加而提高，到处理液浓度达到0.25%时，超过先用CMC 处理玻璃纤维配抄纸张。

说明不同处理顺序对玻璃纤维的挺度有重要影响，而且在较低浸渍液浓度下以淀粉作为最外层，有助于提高配抄纸张的撕裂强度和挺度。