摘要
通过表面施胶不同特性(非离子型和阳离子型)的水性聚氨酯(WPU),研究了WPU施胶对箱纸板耐折性能的影响及作用机理。结果表明,WPU成膜性能、纸张结构和施胶工艺,对箱纸板耐折性能均有显著影响。非离子型的WPU-A膜强韧,拉伸强度达7.11 MPa;阳离子型的WPU-B膜中软易黏,拉伸强度很低。对于含水量低的纸张,在同等实验条件下,成膜柔韧、拉伸强度高的WPU施胶,有利于提高箱纸板的耐折性能。纸张结构越疏松,WPU施胶对其耐折度的提升幅度越大,且对于结构紧实的纸张,WPU膜强度与纸张强度显示出协同作用。对比4种不同施胶工艺所得箱纸板,干燥后双面施胶箱纸板的耐折性能提升效果最佳。
随着物流行业的飞速发展,纸质包装尤其是纸箱的应用范围日益广
纸和纸板的耐折性能主要受纤维自身强度、柔韧性、纤维长度及纤维间结合力的影响,若纤维自身强度好、平均强度大、结合力强,纸和纸板的耐折度就高,反之耐折度则低。与抗张强度相比,耐折度更大程度上取决于纤维长度。另外,纸和纸板的柔软度、含水量、浆料打浆度等,也对其耐折性能有一定的影
WPU功能性乳液作为一种无毒环保的合成聚合物,成膜强度较高,广泛应用于各领
商用水性聚氨酯(WPU)样品A(以下记作WPU-A,固含量31.38%,非离子型白色乳液,黏度62 mPa·s),商用WPU样品B(以下记作WPU-B,固含量37.17%,阳离子型白色乳液,黏度14 mPa·s),均由安徽某厂提供;自制箱纸板所用浆料取自安徽某箱纸板厂的成浆塔,冷藏保存,未经其他处理,直接使用。
纸张基材为机制箱纸板原纸(以下简称原纸,定量为(160±8)g/
称取一定量固含量10%的WPU乳液,倒入聚四氟乙烯表面皿(直径Φ=11.4 cm),置于台面水平的通风橱内风干成膜,将其裁剪为宽度5 mm、长度大于50 mm的长条,在夹具距离50 mm的条件下进行强度测试。
将固含量10%的WPU乳液,使用喷枪双面喷涂原纸,具体过程如下:将原纸固定在垂直平面,固定喷枪压力0.2 MPa,喷幅调节旋钮从0开始转1圈,匀速地从左至右喷涂;然后置于110 ℃鼓风干燥箱中干燥5 min;按照同样方式于第2面进行相同次数喷涂、干燥操作,喷涂正反双面记为喷涂1次,进行不同次数喷涂;每组样品进行2次平行实验。
称取一定量浆料(浆浓1%),使用抄片器(PL6-T型,咸阳泰思特试验设备有限公司)按

图1 手抄片抄造工艺流程及施胶工艺图
Fig. 1 Papermaking and sizing process flow chart of handsheets
将3种纸张基材浸没于固含量10%的WPU乳液中,10 s后取出,用滤纸吸去表面WPU乳液后,置于110 ℃鼓风干燥箱中干燥5 min,取出后于恒温恒湿环境中放置24 h后,测定耐折性能。
结合可操作性,本研究采用的手抄片施胶工艺分别为纸张成形后单面施胶(FS)、湿压榨前双面施胶(FDS)、湿压榨后单面施胶(FDPS)、干燥后双面施胶(FDPDS)4种,均为喷涂施胶,对应施胶点分别为
依据GB/T 13024—2016《箱纸板》,参照GB/T 451.2—2002《纸和纸板定量的测定》,使用电子天平(JA 2003型,精度0.001 g,上海舜宇恒平科学仪器有限公司)测定样品定量。
参照GB/T 451.3—2002《纸和纸板厚度的测定》,使用纸与纸板厚度测定仪(YQ-Z-5型,杭州轻工检测仪器厂)测定样品厚度,并根据相关公式计算样品松厚度。
参照GB/T 457—2008《纸和纸板耐折度的测定》,使用耐折度仪(ZB-NZ 135 A型,杭州纸邦自动化技术有限公司)测定样品横向和纵向耐折度。
参照GB/T 458—2008《纸和纸板透气度的测定》,使用数字式透气量仪(YG 461 E/I型,喷嘴1 Ф 0.8 mm,浙江宁波纺织仪器厂)测定纸张透气度。
参照GB/T 12914—2018《纸和纸板 抗张强度的测定 恒速拉伸法(20 mm/min)》,使用电子万能试验机(UTM 2502型,深圳三思纵横科技股份有限公司)评估WPU膜强度性能。
根据1.2.1制备WPU膜,其性能和外观如
名称 | 成膜外观 | 厚度/µm | 断裂伸长率/% | 拉伸强度/MPa |
---|---|---|---|---|
WPU-A膜 |
无色透明状, 柔软高弹,韧性较好 | 588 | 848 | 7.11 |
WPU-B膜 |
淡黄色透明状,中软 易黏,对基材附着力好,难脱模 |

图2 WPU膜外观图
Fig. 2 Photos of WPU films
按1.2.2处理原纸,研究不同喷涂次数对原纸耐折性能的影响,结果如

图3 WPU对原纸耐折性能的影响
Fig. 3 Effects of WPU on the folding endurance of base paper
当仅喷涂1次WPU-A时,施胶原纸横向和纵向耐折度由未喷涂时的19和40次,分别增至99和134次,增幅达4倍和2倍以上。继续增加喷涂次数,施胶原纸的耐折度有不同程度增加;当喷涂3次WPU-A时,横向和纵向耐折度分别增至241和439次。当喷涂4次WPU-A时,横向和纵向耐折度分别为264和467次,较喷涂3次WPU-A所得施胶原纸的横向和纵向耐折度,仅分别增加了9.5%和6.4%,增幅减小。当喷涂1次WPU-B时,施胶原纸横向和纵向耐折度分别提升至31和61次,较未喷涂时提升幅度分别为63%和53%;当喷涂4次WPU-B时,施胶原纸横向和纵向耐折度也较未喷涂时分别提升了约2.6倍和1.7倍。结果表明,相比WPU-B,WPU-A表面施胶对提升箱纸板原纸的耐折性能更具优势。因此,综合成本等因素考虑,喷涂3次WPU-A较优。这是因为在工业化生产时,纤维呈纵向定向排布,因此原纸的纵向纤维间结合力更大,抗张强度更高,使得原纸的纵向耐折度远高于横向耐折度。然而在表面施胶时,结合力相对差的纤维横向之间,更有利于施胶剂的渗透,从而原纸横向耐折性能的提升幅度更大。
根据已有研
本研究选取了具有代表性的原纸、滤纸、手抄片为研究对象。为更直观展示WPU施胶对不同纸张基材耐折度的影响,采用1.2.4浸渍施胶处理纸张基材,以松厚度、耐折度、透气度为表征指标,研究了纸张基材结构对耐折性能的影响,结果如

图4 纸张基材结构对松厚度、透气度及耐折性能的影响
Fig. 4 Effects of base-paper structure on bulk, air permeability, and folding endurance
由
施胶前透气度测试结果显示,3种纸张基材的透气度大小依次为滤纸>手抄片>原纸,这与前述的滤纸孔隙大、手抄片和原纸纤维间结合强度逐渐增强的特点描述一致,也与纸张松厚度大小规律一致,这也更进一步说明WPU有效渗透程度与纸张结构有协同作
本研究以典型、操作易实现的手抄片为基材,通过1.2.3所制手抄片验证1.2.5中施胶工艺对其耐折性能的影响,结果如

图5 FS和FDS工艺对手抄片定量、耐折性能和松厚度的影响
Fig. 5 Effects on the basis weight, folding endurance, and bulk of handsheets by FS and FDS technology

图6 FDPS和FDPDS工艺对箱板纸手抄片定量、耐折性能和松厚度的影响
Fig. 6 Effects on the basis weight, folding endurance, and bulk of handsheets by FDPS and FDPDS technology
上述结果表明,纸张的耐折性能除受WPU成膜性能、纸张基材结构、上胶量(喷涂次数)等因素影响外,受施胶工艺影响也较大。4种施胶工艺处理后手抄片的水分含量如
施胶工艺 | 施胶部位 | 水分含量 |
---|---|---|
FS | 成形后,施胶位置1 | 92.1 |
FDS | 湿压榨前,施胶位置2 | 88.4 |
FDPS | 湿压榨后,施胶位置3 | 58.6 |
FDPDS | 干燥后,施胶位置4 | 8.0 |
综上所述,纸张耐折性能除受WPU成膜性能、纸张基材结构等因素影响外,施胶工艺对耐折性能影响显著。在FDPDS工艺下,手抄片已经干燥(水分含量少,仅为8%),此时施胶剂WPU-A在干燥的纸张表面更易形成一层柔软高弹、具有韧性的膜,因此耐折性能主要依靠表面成膜作用。WPU-A膜强度与纸张强度具有良好的协同作用,可显著提高手抄片的耐折度,而WPU-B成膜黏软、强度低,其成膜效果及与手抄片协同作用相对较差。
通过表面施胶不同特性(非离子型和阳离子型)的水性聚氨酯(WPU),研究了WPU对箱纸板耐折性能的影响及作用机理。
3.1 非离子型的WPU-A膜强韧,拉伸强度为7.11 MPa;阳离子型的WPU-B膜黏软,拉伸强度无法检测。当纸张水分含量较大时,WPU-B能与纸张阴离子以离子键形式结合,加之与基材附着力优势,更有利于施胶剂渗透保留;当纸张水分含量较小时,表面干燥的膜更具优势,因此WPU-A更有助于纸张耐折性能的提升。
3.2 纸张结构越疏松,越有利于WPU乳液的渗透,对耐折性能的改善也越明显,因此纸张结构最为疏松、强度最低的滤纸,在浸渍施胶WPU-A和WPU-B后,耐折性能提升幅度最大,而结构紧实的纸张,其耐折性能更多地受WPU膜强度和纸张结构协同作用影响。在相同条件下,结构疏松、强度较低的纸张使用成膜黏软的WPU-B,能获得更好的耐折性能,而结构紧实、强度较高的纸张使用成膜强韧的WPU-A,其耐折效果更优。
3.3 相比手抄片成形后单面施胶(FS)、湿压榨前双面施胶(FDS)、湿压榨后单面施胶(FDPS)3种施胶工艺,干燥后双面施胶(FDPDS)工艺对手抄片耐折性能的提升最有效。采用FS和FDS工艺所制的纸张水分含量较高(>88%),采用上胶量高的WPU-B,其制得施胶后手抄片的耐折度更优;当水分含量逐渐减少(≈59%,采用FDPS工艺),2种WPU对纸张耐折度的提升幅度相当;当水分含量仅为8%(即采用FDPDS工艺)时,WPU-A对手抄片耐折性能的提升效果远好于WPU-B,且耐折度高于采用其他施胶工艺的手抄片。
参 考 文 献
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