施胶剂及施胶化学

一、概述

造纸是一项古老的技术，可追溯到公元105年，但无法确切知道何时对纸进行防水处理。大约17世纪中叶，就有防止墨水的浸渍纸和内施胶的书写纸。动物胶是当时主要的施胶剂，铝矾一般用作施胶的硬化剂。早期的纸用淀粉处理只是为了使其表面光泽。1807年开始应用铝矾-松香施胶，到20世纪50年代，相继出现了各种类型的松香胶，以及AKD和ASA等合成施胶剂。

造纸纤维由于含有大量的羟基，与水能形成氢键，所以有很强的亲水倾向。当纸页被水浸泡饱和后便会失去其大部分强度，这点对卫生纸、瓦楞芯纸很合适的，但对大多数纸则是不需要的，如办公用纸、食物盒、化妆品盒、食品杂货袋纸。造纸施胶则是为了提高纸页对水和液体的抗渗透力的一种过程。

1．施胶的方法

造纸施胶一般有两种方法：一种是表面施胶，即纸幅在成形、干燥后，施胶剂可通过施胶压榨、涂布机或压光机而施于纸张表面。另一种方法是浆内施胶，将施胶剂加到造纸浆料中，在纸页成形过程中达到与纸幅的结合。两种过程的结果都能降低纸对水的湿润性能，表面施胶还可降低纸幅的孔隙。下面我们主要集中在浆内施胶的讨论上。

2．施胶常用术语

施胶是指能减慢或者阻碍液体穿透纸的能力。阻力性能不同于屏障性能。屏障性能是指绝对的防止液体透过纸页。浆内施胶能赋予纸张阻力性能，而涂布、浸渍或层压则能赋予纸张屏障性能，下面是一些施胶术语及解释。

吸水纸：无吸水阻力的（如毛巾纸、卫生纸、瓦楞芯纸）。

轻施胶纸：有中等程度的阻力（如胶印纸、书印纸）。

重施胶纸：对水有很高的抗渗透力（如纸杯、牛奶盒纸）。

假施胶：短时间内有抗水渗透力，随后便消失(如在7d后就失去25％的施胶度)。

自施胶：在刚成纸后没有水渗透抗力，随后对水的渗透抗力逐渐增强。

3．施胶度的测量方法

造纸试验有两个目的，一是满足用户的要求，二是控制纸机的生产，后者经常与施胶压力、纸机运行等有关。造纸所用的施胶试验有很多种，但试验方法可分为两大类型，一类试验是纸样在给定的时间内能吸收水量的测量；另一类试验是测定水穿过一个纸样的特定距离所需时间。还有如钢笔墨水以及接触角试验等未列入这两类试验中。

由于纸的抗水阻力有不同的作用机理，不同的施胶试验只强调一种机理，所以采用施胶试验和渗透试验的选择是一个复杂的问题。

施胶实险中，一般是选择一个最能适应纸品应用需求的方法，再分析各因素对试验结果的影响，例如HST施胶试验是一种最常用的例行试验方法，然而HST的试验结果会受白度、色泽、不透明度、定量和填料含量的影响。试验纸的定量一般控制在50g/m2。到250g/m2。范围内，轻施胶纸由于液体渗透时间非常短，往往得出的结果不太准确。

4．施胶剂的分类

旋胶剂的种类很多，按原料可分为松香系施胶剂和合成系施胶剂两大类，按使用条件分可分为酸性施胶剂和中性、碱性施胶剂。

1)松香系施胶剂

松香系施胶剂可根据使用条件分为酸性施胶剂和碱性施胶剂。

酸性施胶剂有皂化松香胶、强化松香胶、阴离子分散松香胶、阳离子分散松香胶和低泡分散松香胶。

中性松香施胶剂有阴离子中性分散松香胶和阳离子中性分散松香胶。

2）合成施胶剂(适合于中性施胶)

如AKD、ASA等。

20世纪以前含油松香-铝矾施胶剂

20世纪30年代出现稳定的分散松香胶

40～60年代强化松香胶

60年代合成施胶剂AKD

70年代阴离子高分散松香胶

80年代 ASA合成中性施胶剂

低泡型分散松香胶

90年代阳离子分散松香胶

中性分散松香胶

6．各种施胶剂的适宜pH值范围

一般将pH值大约从3.5到5.5范围施胶称为酸性施胶，pH值大约从6.0到8.5范围施胶称中性施胶，pH值大约从6.5到9.5范围施胶称为碱性施胶。

二、铝盐化学与施胶

(一)铝盐对造纸的重要性

从纸的发明开始，造纸就是在中性或碱性条件下进行抄造的，随后动物胶作为主要的物质来完成这一目的，后来发现将铝盐加入到施胶溶液中时有以下优点：①对胶的变硬和阻止变质有益处。②可改善纸页的形成和滤水性。③可将松香胶固定在纤维上。④阻止木材中树脂类化合物并降低树脂的沉淀。

1．铝盐在造纸中的应用

(1)助滤剂；(2)阴离子垃圾电荷中和剂；pH控制剂；(3)净化水的絮凝剂；(4)碱性造纸污染清除剂；(5)松香施胶剂；(6)湿强树脂固化的酸性催化剂；

(7)助留剂(染料、填料、胶乳、细小纤维)。铝盐在造纸上的应用是随着酸法造纸而出现的，然而碱法造纸也要求应用少量的铝矾，但必须小心控制。2．铝盐对造纸系统的不利影响

铝盐系统属酸性，有腐蚀性；铝盐过量加入会降低纸页强度；含铝盐的纸耐久性差；在有铝盐的配料中，CaCO3填料使用困难；在纸机湿部铝盐沉淀会带来严重的问题。这些不利的影响导致了碱性造纸的发展。但有许多高级别纸仍将继续在酸性条件下生产，关键是要很好的掌握铝盐及其化合物的化学性能。目前已有四种不同类型的铝盐化合物应用于造纸上，首先是铝矾，其次是偏铝酸钠，再次是聚合氯化铝。最后则是氯化铝应用在一些不能有的纸品种中。

(二)造纸铝矾的性能特点

造纸工业应用的铝矾，分子式为Al2(SO4)3•14H2O，不同于分子式为Al2 (SO4)3•18H2O的试剂级铝矾。铝矾一般用‘‘等价AL2O3含量”衡量其含量，干铝矾一般含有17．1％的Al2O3。

Avery提出的定量确定纸浆样品中铝的方法[3]，其过程是先酸化浆样，再用NaF来滴定(过滤的和未过滤的)，用氟选择离子电极法确定其终点，该方法已被广泛的应用。

1．A13+的高电荷密度

铝在造纸中的应用原因是AL3+具有高电荷、小半径的特点。Al3+可通过与6个配位体生成络合物而降低其电荷密度。配位体可以是中性或阴离子物质如：H2O、OH—、SO4、RCOO—、H2P04—等，如果离子体积增加，其净电荷密度会降低。

2．铝矾的水解

铝矾是由强酸弱碱组成的盐，在水溶液中会发生强烈的水解，即铝离子与配位体H2O和OH—离子形成络合物。所以，铝矾溶液呈酸性，pH从3.25(10％溶液) 到2.4 (48.5％)。