摘 要：研究了聚乙烯醇(PVA)/納米微纖絲(NFC)涂布對砂紙原紙防油性能及力學性能的影響。研究結果表明：PVA濃度 5%涂布的砂紙原紙各項性能均弱于PVA10%濃度的涂布紙。 5%PVA涂布(涂布量為2.61g/m2 )時，隨著NFC用量增加，其防油性能得到了相應提高，但其防油等級均在6以下;10%PVA涂布(涂布量為8.27g/m2 )時，其涂布后砂紙原紙防油等級均在12左右。在PVA濃度為5%時，涂布紙的拉伸強度比砂紙原紙的提高了約100%;在相同5%N F C的添加量下，10%PVA涂布紙的拉伸強度比5%的提高了約67.37%。隨著NFC添加量的增加，紙張的耐折度隨之提升。當NFC的添加量在合適范圍內，紙張的撕裂度也隨NFC添加量的增加而提高。
關鍵詞：聚乙烯醇;納米微纖絲;涂布;砂紙原紙
Abstract: In this article was discussed the influence of polyvinyl alcohol ( PVA ) / nanofibrillated cellulose( NFC ) coating on the oil-proofing and mechanical properties of abrasive base paper. The results show that PVA concentration of 10% contribute more to the paper properties than 5% PVA concentration. In detail, when 5% PVA is applied (the coating weight is 2.61g/m2 ), its oil-proof performance is improved with the increase of NFC dosage, but its oil-proof grade is below 6. When 10% PVA is applied ( the coating weight is 8.27g/m2 ), the oil-proof grade is as high as about 12. With 5% PVA concentration, the tensile strength of coated paper is about 100% higher than that of abrasive base paper. With the same 5% NFC addition, the coated paper of 10% PVA is increased by about 67.37% compared with 5% PVA. The folding endurance of paper can be improved with the increase of NFC addition. Paper tearing strength can also increase with the added amount of NFC if the added amount of NFC is within the proper range.
Key words: polyvinyl alcohol(PVA); nanofibrillated cellulose (NFC); coating; abrasive base paper
砂紙原紙除了要求具有較好的機械強度性能外， 還需要具有一定的耐水性、防油性等性能。傳統的耐水砂紙原紙因為原紙的防油性能不足，導致植砂時涂膠膠液大量滲入紙內，造成粘砂不牢，影響磨削性能。 因此，砂紙原紙必須具有較高的耐水性和耐油性。 近幾年，紙張綠色防油技術的研究開發成為了熱點，其中，很多研究人員采用合適涂料通過涂布的方式使紙張達到相應的防油等級。
本文以砂紙原紙為涂布基材，采用聚乙烯醇(PVA)/納米微纖絲(NFC)復合涂料進行涂布，并對涂布后的砂紙原紙進行防油性能和力學性能的分析，以期提高砂紙原紙質量性能。
1 實驗
1.1 實驗材料
本實驗所采用的砂紙原紙取自浙江金昌特種紙股份有限公司，其定量為60g/m2 。聚乙烯醇為工業級 1799，納米微纖絲固含量為1.1%。
1.2 納米微纖絲的表征實驗
納米微纖絲( NFC)的表面形貌采用S-4800掃描電子顯微鏡 (Hitachi)進行分析。
1.3 聚乙烯醇/納米微纖絲復合涂料
制備實驗 PVA/NFC復合涂料的制備實驗在恒溫水浴鍋中進行。先取一定量的 NFC添加到100ml的燒杯中，再添加一定量的蒸餾水，攪拌充分，再放入超聲波清洗器在90Hz下分散15min。在 分散好的NFC溶液中加入一定量PVA 固體顆粒。在60℃下潤脹30min，超聲 波分散15min，在90～95℃下充分溶解，將溶解后的復合試劑再超聲波分散15min，靜置脫泡，備用。
1.4 聚乙烯醇/納米微纖絲涂布實驗
PVA/NFC涂布實驗采用瑞士杰恩爾 zehntner公 司2AA 2300手工涂布機進行。將制備好的PVA/NFC 復合涂料以手工棒式涂布的方式進行涂布。在涂布過 程中，只進行單向涂布。經涂布后的紙張先在50℃的烘 箱內干燥20min，再放置恒溫恒濕試驗箱(相對濕度： 50%;溫度：25℃)24h，然后，進行防油性能和力學性能測試。
1.5 涂布紙的防油性能測試
Oil Kit Test是美國紙漿與造紙工業技術協會制定的一個國際方法，用于反映紙張或紙板對油脂、油或者石蠟的抵抗性。按照一定的比例，將蓖麻油、甲苯和正庚烷三種物質，配制12種滴定液。將滴定液從 13mm的高度輕輕地釋放液滴到待測紙品上，開始計時。15s后用干凈的棉花球輕輕擦去紙上的油液。若油液滲透到紙張內部使紙張滴油部分變暗，表明這張紙的抗油性能沒有達到這種油滴代表的防油等級。再選取下一等級油滴在一個未經測試的區域繼續測試，直到某一等級油滴不產生滲透這一現象，這個等級即是被測紙品的抗油脂值。
1.6 紙張的拉伸強度測試
紙張的拉伸強度采用KSM-b x5450S T雙向拉伸 儀進行分析。檢測條件為：涂布紙寬度為40mm，長度為 100mm，滑塊重量為10N。
2 結果與討論
2.1 納米微纖絲表征
圖1 納米微纖絲的SEM圖
圖1是納米微纖絲的SEM圖。由圖可知，納米微纖絲形成了一定的網絡結構，分布均勻，并且在溶液中有著良好的分散性。若將其加入紙漿中，其與紙漿纖維能夠緊密結合，從而使紙張的抗張強度、撕裂度、耐折度提高。所以在漿內添加納米微纖絲， 主要是為了增加紙張的強度。當納米微纖絲運用于涂料時，其表面羥基通過氫鍵結合形成二維網絡結構，提高紙張表面致密性，因此，涂布紙的表面強度及防油性能得到改善。
2.2 P VA/N F C配比對砂紙原紙防油性能的影響
圖2 NFC添加量對砂紙原紙防油性能影響(5%PVA)
有研究表明，NFC可以單獨或者與聚合物混合使用作為阻隔材料，如與PVA混合使用，NFC也可以在纖維素水解后作為一個阻隔性壓板層的基礎紙層。圖2 為PVA濃度5%時NFC添加量對砂紙原紙防油性能影響實物圖。可見，隨著NFC添加量從10%降低到0，砂紙原紙吸附油漬的面積和顏色逐漸增加;隨著NFC用量的增加，其防油性能逐漸提升。
圖3 NFC添加量對砂紙原紙防油等級的影響(5%PVA)
圖3為PVA濃度5%時，NFC添加量對涂布砂紙原紙防油等級的影響(涂布量為2.61g/m2 )。由圖3可 見，PVA濃度為5%的情況下，原紙的防油等級不到1 級，NFC添加量為5%的涂布砂紙原紙的防油等級為4，而10%NFC添加量的涂布紙的防油等級為5。由此可知，添加了NFC對紙張的防油性能有一定的提高，并且NFC的添加量越高，其防油性能越好。這是因為PVA/ NFC復合涂料，隨著NFC添加量的增加會增強涂層網絡結構，從而增加涂布紙的密度，因此提高紙張的防油性能。另外，NFC分子上含有大量羥基，而羥基是親水基團，所以添加了NFC能起到一定的防油性，而且其添加量越高，防油性能越好。
圖4為PVA濃度10%時NFC添加量對砂紙原紙防油性能影響的實物圖 (涂布量為8.27g/m2 )。由圖4可見， 當PVA濃度為10%時，隨著NFC添加量從10%降低到1%，涂布后砂紙原紙吸附油漬的顏色逐漸增加，可見隨著NFC用量增加，復合涂料涂布后防油性能逐漸提高。另外，圖4與圖2對比可見，10%PVA濃度涂布的紙張防油性能得到顯著提高。
圖4 NFC添加量對砂紙原紙防油性能的影響(10%PVA)
圖5為PVA濃度10%時，NFC添加量對涂布砂紙 原紙防油等級的影響。由圖5可見，PVA濃度10%的 條件下，所有紙張防油等級都達到12級左右，說明在10%P VA條件下，NFC添加量對紙張防油等級影響減小。究其原因，PVA分子結構中富含羥基，可以與植物纖維形成良好結合。所以，即使在N FC添加量相同的情況下，PVA濃度高的涂布紙的防油性能更好。
圖5 NFC添加量對砂紙原紙防油等級的影響(10%PVA)
因此，隨著NFC用量增加，復合涂料涂布后防油性能逐漸提高。另外，隨著PVA濃度增加，防油性能顯著提高。
2.3 PVA/NFC配比對砂紙原紙拉伸強度的影響
圖6 NFC添加量對砂紙原紙拉伸強度的影響(5%PVA)
圖6為PVA濃度5%時，NFC添加量對砂紙原紙拉伸強度的影響。由圖6可見，NFC添加量從0增加到10%，砂紙原紙的拉伸強度有明顯提高。NFC添加量0時，拉伸應力只有26.00MPa，而NFC的添加量為5%時，拉伸強度為52.00MPa，提高了100%。主要是因為NFC表面豐富的羥基和羧基與紙張表面羥基形成大量的氫鍵，提高了纖維之間的作用力，從而提高了紙張的拉伸強度。 N FC與PVA產生氫鍵結合，形成致密的網狀薄膜，從而提高紙張的拉伸強度。
圖7為P VA濃度10%時，N FC添加量對涂布液分散性影響的實物圖。由圖7可見，隨著N F C添加量從1%提高到10%，涂布液呈現的小顆粒越來越多，由此可以推斷，隨著NFC用量的增加，復合涂料的分散性逐漸降低。
圖7 10%PVA涂布液分散性能
圖8為PVA濃度10%時，NFC添加量對砂紙原紙拉伸強度的影響。由圖8可見，NFC添加量為1%時，涂布紙的拉伸強度為65.58MPa，5%時為87.03MPa，而在10%時則減少至47.69MPa。究其原因，在10%PVA涂 布時，其黏度已經達到較大值，適當的添加NFC能起 到增強纖維結合力的作用。當添加量達到5%時，出現輕 微NFC分散不均現象，當NFC添加量10%時，出現顯著 NFC團聚，無法在紙張表面形成均勻的薄膜，從而影響紙張強度。由圖6、圖8對比可見，在相同5%NFC的添加 量下，10%PVA的涂布紙比5%的提高了約67.37%。
圖8 NFC添加量對砂紙原紙拉伸強度的影響(10%PVA)
2.4 聚乙烯醇/納米微纖絲配比對砂紙原紙耐折度的影響
圖9為P VA濃度5%時，NFC添加量對涂布砂紙原紙耐折度的影響。紙張的耐折度主要受纖維自身的強度、柔韌性、纖維長度以及纖維的結合力的影響。由圖9可知，原紙的耐折度為1032次，而NFC的添加量達 到10%時，涂布紙的耐折度比原紙增加了261次。
圖9 NFC添加量對砂紙原紙耐折度的影響(5%PVA)
圖10為 P VA濃度10%時，NFC添加量對涂布砂紙原紙耐折度 的影響。由圖10可知，隨著NFC用量增加紙張的耐折度也逐漸上升。在NFC的添加量為1%時，紙張的耐折度為1476，而添加量為10%時，耐折度達到2291。 由圖9、圖10可見，紙張的耐折度與N F C的添加量 有著直接的關系。由此，涂布紙的耐折度是隨著N F C添加量的增加而有所提高。引起這種現象的主要原因是 隨著N F C的添加量逐漸增加，使得砂紙原紙纖維的結 合力得到了提升。
圖10 NFC添加量對砂紙原紙耐折度的影響(10%PVA)
2.5 PVA/NFC配比對砂紙原紙撕裂度的影響
圖11為PVA濃度5%時，NFC添加量對砂紙原紙 撕裂度的影響。由圖11可見，原紙撕裂度為960mN。 NFC添加量為5%時，涂布紙的撕裂度達到最大值，為1200m N。而后隨著添加量的增加，撕裂度逐漸下降。
圖11 NFC添加量對砂紙原紙撕裂度的影響(5%PVA)
圖12為P VA濃度10%時，NFC添加量對砂紙原紙撕裂 度的影響。由圖12可見，撕裂度隨著NFC添加量的增加 而增加。涂布紙的撕裂度出現增大的原因在于NFC的 表面含有大量的羥基，它會與紙面上裸露的纖維形成氫鍵，在一定程度上增強了纖維間的結合力。 因此，NFC可以一定程度提高砂紙原紙的撕裂度。
圖12 NFC添加量對砂紙原紙撕裂度的影響(10%PVA)
3 結論
隨著NFC添加量增加，砂紙原紙的防油性能逐漸 提高。P VA濃度為5%時(涂布量為2.61g/m2 )，原紙的防油等級不到1級，NFC添加量10%時防油等級為5。在PVA濃度為10%的條件下(涂布量為8.27g/m2 )，所有紙張的防油等級均為12級左右。
PVA濃度為5%時，涂布后紙張的拉伸強度隨著NFC添加量的增加而提高，當NFC添加量為5%時，其拉伸強度比砂紙原紙提高了100%。但隨著N F C添加量進一步增加，其拉伸強度的上升趨勢明顯減緩，這是因為NFC在溶液中的分散性逐步變差。當PVA濃度為10% 時，這種現象尤為明顯。
NFC添加量對紙張的耐折度有著積極的作用。 PVA濃度為5%時，隨著NFC的添加量增加，涂布紙的耐折度比砂紙原紙增加了261次。在10%PVA涂布的砂紙原紙上，當NFC的添加量為10%時，涂布紙的耐折度比砂紙原紙提高了54.9%。
砂紙原紙的撕裂度也與復合涂料中的NFC添加量有關，NFC可以一定程度提高砂紙原紙的撕裂度
