造纸用无机载体抗菌沸石及抗菌纸的研究

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沸石具有优良的离子吸附能力、离子交换特性,它越来越多的被应用到制浆造纸工业的漂白、二次纤维、造纸湿部加填、特种纸及废水处理等领域。无机载体抗菌沸石由于安全性高、耐热性好以及良好的抗菌性能等优点越来越多的引起人们的关注。本文以造纸用无机载体抗菌沸石为研究对象,研究了无机载体抗菌沸石的制备工艺、结构表征及抗菌性能,并对其在造纸湿部添加、表面涂布中的应用和机理进行了研究,为无机载体抗菌沸石在造纸工业中的应用提供技术和理论依据。 造纸用无机载体抗菌剂制备研究中,主要对载银抗菌沸石反应时间、反应固液比、反应温度、粒径、硝酸银浓度等主要影响因素进行了研究,确定了载银抗菌沸石制备的最佳工艺条件为:反应时间2.5小时、固液比1g/10ml、反应温度70℃、pH值7.0、AgNO<,3>浓度0.20mol/1,制备的载银抗菌沸石载银含量高,达到5.38%。X射线衍射仪(XRD)、电子探针(EPMA)、傅立叶一红外光谱仪(FTIR)、热分析仪(TG/DTG)等现代分析手段进行结构分析表明,抗菌离子Ag<+>、Cu<2+>、Zn<2+>与沸石孔道中的阳离子进行交换取代,沸石的基本骨架结构没有被破坏,无其它副产物生成。 制备的五种沸石载体抗菌剂较为稳定,存放三个月后,均具有抗菌效果。载银抗菌沸石和载银/铜抗菌沸石的抗菌效果最好,对大肠杆菌ATCC8739具有较低的MIC和MBC,分别达到5x10<-8>g/ml和1×10<-7>g/ml。 对无机载体抗菌沸石的表面物化性能研究结果表明,抗菌沸石表面阴离子电荷密度随着pH值的降低而减弱,但抗菌沸石在pH值从6到9范围内,即在造纸湿部pH值变化范围内,电荷密度较为稳定;温度对抗菌沸石表面电荷密度影响较小。抗菌沸石表面带较强的负电荷,Zeta电位随着pH值的增加而显著下降。 对无机载银抗菌沸石浆内添加应用研究表明,载银抗菌沸石对纸页光学性能产生--定影响,在小于0.3%用量时,载银沸石抗菌剂的加入对白度和色调影响较小,并且可以通过添加白色填料,吸附在载银抗菌沸石表面,减少负面影响,提高纸页白度。载银抗菌沸石对纸页强度性能影响较小。随着载银抗菌沸石的加入,纸页强度性能有一定提高,但用量超过0.5%时,强度略微下降。载银沸石抗菌纸在用量为0.1%时没有抗菌效果,但在0.3%及以上用量时,具有优异的抗菌效果。通过现代表面分析手段研究表明,此时部分载银抗菌沸石分布在纸页表面,起到抗菌、杀菌的作用,表面分布的载银抗菌沸石浓度介于10<-7>~10<-3>g/g之间。 研究了单元水溶性助留剂、Hydrocol助留体系、Compozil助留体系和PEI/CPAM助留体系对载银抗菌沸石助留的影响和机理。研究表明四种助留体系都能提高载银抗菌沸石的首程留着率。Hydrocol助留体系的首程留着效果最好。四种助留体系拥有各自的优缺点,都能满足要求,应根据实际情况选用。 对CPAM/Ag-zeolite新型微粒助留体系进行了研究。结果表明,它能够很好的提高纸料的首程留着率,与典型的Hydrocol助留体系留着效果接近。并建立CPAM/Ag-zeolite微粒助留体系模型,该模型能很好的分析解释CPAM、载银抗菌沸石用量对纸页匀度和絮团紧度的影响,证明采用载银抗菌沸石在助留体系中所起的作用与膨润土相当。 载银抗菌沸石在涂布纸中的应用研究表明,它对三种颜料配比的涂布纸色调和色差影响极小,基本可以忽略,通过印刷适性研究及EPMA和AFM的表面结构分析表明,载银抗菌沸石的加入并未改变纸张表面结构和印刷适性。添加量为0.25份(对颜料)时就已具有良好的抗菌效果。 研究了载银抗菌沸石对典型造纸涂料流变性能的影响。研究表明,载银抗菌沸石的加入不会对造纸涂料产生负面影响,相反它的加入对表观黏度有一定降低作用,采用Casson模型拟合研究表明,添加载银抗菌沸石后涂料的Casson黏度和Casson屈服应力都有一定程度的降低,同时涂料的弹性贮存模量也有一定的降低,而黏性损耗模量变化不大。
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