熒光增白劑與填料的相互作用對紙張光學性能的影響

劉洪斌 宋 微 董榮業

(天津科技大學,天津市制漿造紙重點實驗室,天津,300457)

·熒光增白劑·

熒光增白劑與填料的相互作用對紙張光學性能的影響

劉洪斌 宋 微 董榮業

(天津科技大學,天津市制漿造紙重點實驗室,天津,300457)

研究了熒光增白劑(OBA)與PCC的相互作用對紙張光學性能的影響。結果顯示,PCC填料的存在降低了熒光增白劑的效率,隨著填料用量的增加,熒光增白劑的增白效率下降。對熒光增白劑加入方式的研究揭示了填料對熒光增白劑的吸附對紙張光學性能的影響。

熒光增白劑;PCC填料;ISO亮度;CIE白度

(＊E-mail:hongbin@tust.edu.cn)

Abstract:The effects of interaction between optical brighten agent(OBA)and PCC fillers on the optical properties of the handsheets were studied.Results showed that PCC addition decreases the efficiency ofOBA.The study of adding method of OBA revealed the effect of adsorption between PCC and OBA on optical properties of the handsheets.

Key words:OBA;PCC;ISO brightness;CIE whiteness

熒光增白劑(OBA)是目前廣為使用的提高紙張亮度的化學品,其增白原理是將300～400 nm下吸收的紫外光轉化為400～500 nm下可見的藍光,從而提高紙張的亮度,熒光增白劑對紙張的CIE白度也有積極的貢獻[1]。

PCC填料,它可以降低纖維原料的成本,改善紙張的光學性能,提高成紙印刷適性。很多研究和工廠實踐發現,在熒光增白劑和PCC共同存在的條件下,PCC會降低熒光增白劑的增白效率[2],但從基礎理論和定量的角度,關于熒光增白劑和PCC相互作用的研究和報道則較少,本課題研究了熒光增白劑和PCC在造紙濕部的相互作用,并深入研究了PCC和熒光增白劑的吸附作用對紙張光學性能的影響。

1 實 驗

1.1 實驗原料

漿料為闊葉木漿和針葉木漿的混合漿,漿料配比為70%闊葉木漿和30%針葉木漿。

TinopalUP型熒光增白劑,Ciba公司生產。填料PCC和助留劑CPAM取自山東某廠。

1.2 實驗方法

利用PFI磨將混合漿打漿至(40±2)°SR,然后將濃度為1.5%的漿料在標準疏解器上打散,轉數15000轉,然后,將濃度調節至1%,再用1 mol/L 的H2SO4和NaOH調pH值,用磁力攪拌器攪拌。藥品添加順序是熒光增白劑、PCC、用量為0.05%的CPAM?；旌?0 min,按照Tappi標準T272sp—2002用德國Rapid-K6 then紙張成形器抄片,紙張的定量為60 g/m2。紙張在25℃、50%的相對濕度下恒溫恒濕24 h后測定其光學性能(所使用的儀器為Elrepho分光光度計,D65光源)。其中,ISO亮度采用Tappi標準T452 om-08測定;CIE白度采用Tappi標準T560 om-05測定。

2 結果與討論

2.1 PCC與熒光增白劑的相互作用對紙張光學性能的影響

PCC以其高白度和高的光散射系數在含機械漿和不含機械漿的紙種中得到了廣泛應用[3-4],在歐洲各種紙的生產中,填料含量呈現上升趨勢[5]。PCC和熒光增白劑的相互作用對紙張的光學性能有一定的影響。

首先,PCC填料是高白度和高亮度的碳酸鈣,加入到紙張中對紙張的亮度和白度都有積極的貢獻。如圖1～圖3所示,當PCC用量從0增加到30%時,紙張的ISO亮度增加了2.8個百分點,CIE白度增加了11.9個百分點,b＊值降低了1.8。熒光增白劑的加入有效地提高了紙張的ISO亮度,同時也提高了紙張的CIE白度。熒光增白劑的用量從0增加到0.4% 時,紙張的ISO亮度增加了18.2個百分點,CIE白度提高了53.8個百分點,b＊值降低了10.5。當PCC和熒光增白劑共同添加時,PCC的存在降低了熒光增白劑的增白效率。就ISO亮度而言,在添加熒光增白劑的條件下,PCC的用量從20%增加到30%時,高填料用量(30%)的紙張較低填料用量(20%)的紙張亮度要低,即填料降低了熒光增白劑的增白效率,隨著熒光增白劑用量的增加,對增白效率的降低有一定的彌補作用。就CIE白度而言,從圖2和圖3可以看到,不加入熒光增白劑,當PCC用量為20% 時,紙張的CIE白度提高了11.4個百分點,b＊值降低了1.1。當PCC用量為30%時,紙張的CIE白度提高了11.9個百分點,b＊值降低了1.8。但加入熒光增白劑時,含有PCC的紙張反而比不含PCC紙張的CIE白度低、b＊值高。為了澄清PCC填料和熒光增白劑之間的相互作用,接下來對它們之間的吸附作用進行了研究。

2.2 PCC填料與熒光增白劑的吸附作用

為研究PCC填料和熒光增白劑之間的相互作用關系,設計了以下實驗來考察PCC與熒光增白劑之間的相互作用。實驗假設熒光增白劑的加入方式對PCC填料與熒光增白劑之間的相互作用有一定影響,故設計了兩種熒光增白劑的加入方式,方式I:漿料纖維先和熒光增白劑混合,然后再加入PCC;方式II:PCC填料和熒光增白劑先相互作用,然后再和漿料纖維混合,考察這兩種加入方式對成紙光學性能的影響。表1為不同的OBA加入方式對紙張ISO亮度的影響,圖4為不同的OBA加入方式下PCC用量和光散射系數的關系。

表1 不同的OBA加入方式對紙張ISO亮度的影響

在PCC的3種用量下,方式Ⅰ(將OBA加入到漿料中)比方式Ⅱ(將OBA加入到PCC中)的ISO亮度高,而且PCC加入量越大這種現象也越明顯。由表1可知,PCC用量為10%時,兩種加入方式ISO亮度的差值是0.8%;PCC用量增加到30% 時,兩種加入方式ISO亮度的差值達到了1.4%。原因可以從所得到的兩種紙張的光散射系數來分析,從表1可以看到,這兩種方法所得到的紙張的光散射系數是不同的,方式Ⅰ比方式Ⅱ的光散射系數要高,說明方式Ⅱ中的PCC填料吸收了較多的熒光增白劑,而PCC填料比紙漿纖維的光散射系數要高,那么唯一的解釋就是OBA與PCC的相互作用降低了方式Ⅱ中PCC的光散射系數,進而降低了紙張的亮度。

圖4 兩種OBA加入方式下PCC用量和光散射系數的關系

當漿料與PCC同時存在時,紙張的光散射系數S可以由下式計算:

式中,α是指PCC含量。

從圖4的斜率和截距以及光散射系數計算公式可以計算出漿料纖維的光散射系數SPULP和PCC的光散射系數SPCC,結果見表2。

表2 兩種加入方式下漿料和PCC的光散射系數

在兩種方式下,PCC的光散射系數損失了1.6%。因此最終紙張的亮度下降了。但需要注意的是以上的分析是根據Kubelka-Munk方程在假設光散射系數和光吸收系數相互獨立的條件下進行的,但從理論上和實際上二者的相互作用還是存在的。造成PCC光散射系數下降的原因是熒光增白劑分子會進入到PCC填料粒子的孔隙中,增加了填料的不透明度,所以PCC的光散射系數下降了[6]。

另外,表3也顯示了在3種PCC用量下,方式Ⅰ比方式Ⅱ有較高的C IE白度、較低的b＊值,而且PCC加入量越大這種現象也越明顯。由表3可知,PCC的用量為10%時,兩種加入方式C IE白度的差值是1.0%,b＊值的差值是0.1;PCC的用量增加到30%時,兩種加入方式C IE白度的差值達到了2.5%,b＊值的差值達到了0.4。這是因為PCC顆粒較小,具有較高的比表面積,有更大的吸收熒光增白劑的能力,使熒光增白劑較多地留著在了PCC上,從而減少了熒光增白劑在漿料上的留著[7-8]。

表3 不同OBA加入方式對紙張C IE白度的影響

3 結 論

3.1 PCC填料和熒光增白劑都可以提高紙張亮度、C IE白度,降低紙張b＊值。PCC填料和熒光增白劑共同添加時,降低了熒光增白劑的增白效率。

3.2 PCC填料和熒光增白劑共同添加時,PCC填料和熒光增白劑的吸附作用會影響紙張的光學性能。對熒光增白劑加入方式的研究表明,填料會吸附熒光增白劑分子,減少熒光增白劑和漿料纖維的作用,從而降低熒光增白劑的增白效率。

[1] 胡惠仁,徐立新,董榮業.造紙化學品[M].北京:化學工業出版社,2002.

[2] HolmbergM.Dyes and fluorescent whitening agents[C]//Paper making Chemistry.Helsinki,Finland,1999.

[3] Gill R,Aarni E,Inppola O.Use of PCC fillers to improve the brightness and opacity of woodfree and wood containing papers[C]//Use ofMinerals in Papermaking.1998.

[4] Ain R,LalegM.Mill experienceswith precipitated calcium carbonate in papers containing mechanical pulp[C]//Preprints 93rdAnnual Meeting.CPPA,2007.

[5] Anon.Lowering total system costs[J].Pulp and Paper International, 2006,48(5):41.

[6] Liu Hongbin,Ni Yonghao,Yang Shuhui.Applying dyes to HYP-containing paper grades[J].Appita Journal,2008,61(2):128.

[7] 劉洪斌.染料在高得率漿中的應用研究[D].天津:天津科技大學,2007.

[8] 宋 微,董榮業,劉洪斌.染料與熒光增白劑、填料的相互作用對紙張光學性能的影響[J].中國造紙,2008,27(11):14.

(責任編輯:趙旸宇)

Effect of I nteraction between OBA and PCC Fillers on the Optical Properties of Paper

L IU Hong-bin＊SONGWei DONG Rong-ye

(Tianjin Key Laboratory of Pulp and Paper,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin,300457)

劉洪斌先生,博士,講師;主要從事染料在造紙中的應用研究。

TS727+.2

A

0254-508X(2010)02-0022-03

2009-07-15(修改稿)

本課題得到中加國際合作項目(2008DFA91290)資助、天津科技大學引進人才科研啟動基金(20080401)資助。