輕型紙的制備及其纖維間結合力分析

金海蘭 岡山隆之 于 鋼

(1.東北林業大學生物質材料科學與技術教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱，150040;2.東京農工大學大學院連合農學研究科，日本東京，1838509)

輕型紙的柔軟性好、不透明度高、印刷適應性及印刷后原稿還原性好，質量輕而厚，用其印制的圖書的質量比用普通紙印制的圖書約輕1/4～1/3，方便了讀者，也節約了運輸和郵購費用。制備輕型紙時，一般配抄GP、TMP等機械漿，但這些機械漿在一些高品質輕型紙中的應用會受到限制，通常通過配抄BCTMP來提高高品質輕型紙的松厚度，但這類輕型紙在長久保存時會返黃。松厚劑的添加可降低紙張緊度，從而提高紙張的松厚度［1-4］，避免由配抄機械漿引起的輕型紙老化問題。本實驗通過添加松厚劑來制備輕型紙，研究松厚劑添加條件和抄紙條件對紙張松厚度、光學性能及纖維間結合力的影響。

1 實驗

1.1 原料

漂白硫酸鹽闊葉木漿，打漿度25.9°SR、36.0°SR;松厚劑:A為脂肪酸酰胺類、B為烷基聚醚胺類;實驗室用水為自來水。

1.2 紙張抄造

調節打漿后漿料的漿濃為2%，然后添加松厚劑并攪拌，放置30 min后抄紙。抄紙條件為:pH值為7.5或4.5(用 Al2(SO4)3調節)，漿料溫度為常溫15℃或加熱至40℃，松厚劑添加量為絕干漿質量的0.4%、0.8%、1.2%;干燥條件為 105℃，干燥時間2 min。按 JIS P8222［5］制備定量為 60 g/m2的輕型紙。

1.3 輕型紙性能檢測及斷面的觀察

經24 h恒溫恒濕處理后，按文獻［6-9］中的方法分別測定輕型紙的緊度、抗張強度、零距抗張強度、白度、光散射系數等性能。利用掃描電子顯微鏡(SEM)照片觀察輕型紙斷面。

1.4 松厚劑留著率測定

以氯仿為萃取劑，采用萃取松厚劑的方法測定氯仿萃取率。氯仿萃取率為松厚劑在絕干紙張中所占的質量分數，由氯仿萃取率可推算出松厚劑留著率。

1.5 纖維間結合力分析

一般認為，添加助劑，特別是添加疏水性助劑，會減弱纖維間結合力，從而導致成紙抗張強度降低［10］。本研究采用Page理論詳細論述了影響紙張抗張強度的因素。纖維實際接觸面積、單位面積的纖維的接觸數量和結合數量決定纖維間結合強度的大小，見Page公式。

式中，T為抗張強度;Z為零距抗張強度;A為纖維的平均斷面面積;p為纖維密度;g為重力加速度;b為單位面積結合力;P為纖維斷面的周長;L為纖維長度;R.B.A.為相對結合面積。

Cildir等［11］基于Page公式進一步提出，防止紙張破裂的抵抗力由單根纖維強度指數(F)和結合強度指數(B)組成。

由Page理論推導出:F=8Z/9。只要測定紙張的抗張強度T和零距抗張強度Z，就可得出纖維間結合強度指數B。本研究通過測定紙張抗張強度和零距抗張強度，并采用Page理論，從單根纖維強度與纖維間結合力方面對輕型紙強度進行了探討。

2 結果與討論

2.1 松厚劑對紙張性能的影響

松厚劑對紙張性能的影響如表1所示。由表1可知，添加松厚劑A的紙張(A紙)的緊度比添加松厚劑B的紙張(B紙)的低，表明松厚劑A的松厚效果比松厚劑B的好。紙張抗張強度隨緊度的減小而降低。在相同條件下添加松厚劑A和松厚劑B，打漿度分別為25.9°SR與36°SR漿料的成紙性能變化趨勢相似，這與松厚劑的作用效果不受漿料打漿度影響的結果相一致［4］。因此，本實驗僅對用打漿度為25.9°SR漿料抄造的輕型紙進行討論。

紙張的光散射系數可作為纖維間結合力的指標，一般光散射系數越小，纖維間結合力越大［12］。從表1可以看出，與空白樣相比，A紙的抗張強度明顯降低，光散射系數顯著增大;而B紙抗張強度和光散色系數變化不明顯。此結果表明，本實驗中輕型紙抗張強度的降低與纖維間結合力的減弱密切相關。

根據Page理論，紙張抗張強度主要受單根纖維強度和纖維間結合力的影響。由表1可知，1/F變化較小，說明添加松厚劑對單根纖維強度幾乎無影響;而1/B增大，說明添加松厚劑(尤其是松厚劑A)會減弱纖維間結合力。分析結果表明，輕型紙抗張強度的降低主要是由于纖維間結合力的減弱所引起?？赏茢?，吸附到陰離子纖維表面的陽離子松厚劑是在后續的壓榨、干燥過程中擴展、熔融在纖維表面，使纖維表面的疏水性增強，阻礙了一部分纖維間的結合，最終導致紙張抗張強度降低。同時，纖維表面疏水性的增強妨礙了纖維間的進一步結合，從而使紙張松厚度提高。

表1 松厚劑對紙張性能的影響

添加松厚劑A前后，紙張斷面的SEM照片見圖1。由圖1可知，添加松厚劑A可提高紙張厚度，表明松厚劑A可用于制備松厚度良好的紙張。

2.2 抄紙條件對紙張性能的影響

2.2.1 漿料pH值的影響

漿料pH值和添加松厚劑對紙張緊度的影響如圖2所示。由圖2可知，在松厚劑添加量相同的情況下，漿料pH值對紙張緊度的影響不明顯。隨著松厚劑A和松厚劑B添加量的增加，紙張緊度呈降低趨勢。松厚劑添加量增加到0.8%以上，A紙的緊度急劇下降，而B紙的緊度降低幅度不大。

在松厚劑添加量0.8%及不同漿料pH值的條件下，紙張的緊度和松厚劑的留著率見表2。由表2可知，漿料pH值對松厚劑留著率的影響不大，松厚劑A和松厚劑B的留著率分別約為70%和25%。松厚劑A的松厚效果比松厚劑B好的主要原因之一是其留著率高。

表2 紙張緊度和松厚劑留著率的變化

漿料pH值和松厚劑添加量對紙張抗張強度的影響見圖3。由圖3可知，在松厚劑添加量相同的情況下，酸性條件下抄造的紙張抗張強度明顯低于中性條件下抄造的紙張。松厚劑A添加量達0.8%及以上時，A紙的抗張強度顯著降低，最大降低了25%。B紙的抗張強度也有降低趨勢，但變化很小。紙張在酸性條件下的抗張強度比中性條件下弱的另一個原因，是調節pH時添加的硫酸鋁粒子會附著在纖維表面，與纖維形成了一種疏水性的離子結合，阻礙了纖維間的結合［13］。

圖3 添加松厚劑對紙張抗張強度的影響

利用Page公式計算可得出不同pH值條件下紙張的1/F、1/B(見圖4和圖5)。與2.1的結果相同，單根纖維強度變化不明顯(即1/F變化不大)，而1/B隨松厚劑A添加量的增加而增大，特別是酸性條件下的1/B比中性條件下的大，且增加幅度大，即纖維間結合力大幅降低。這與紙張在酸性條件下的抗張強度比中性條件下弱的結果相一致。由圖5可知，B紙也顯示了同樣的變化趨勢。這說明，紙張強度的降低主要是由纖維間結合力的減弱導致的。

2.2.2 漿料溫度的影響

漿料溫度對紙張性能的影響見表3。從表3可看出，漿料溫度為40℃時，松厚劑A和松厚劑B的松厚效果良好，且紙張抗張強度基本保持不變。在常溫(15℃)條件下添加松厚劑，漿料的保水值降低;而在40℃條件下添加松厚劑，漿料保水值幾乎沒有變化。這是由于40℃加熱處理維持了纖維的潤脹性能，纖維表面水分增加，纖維在脫水、干燥過程中容易結合，從而保證了一定的紙張強度。松厚劑作用的發揮主要受脫水、干燥過程等條件的影響，但其機理還不是很明確［14］。

表3 漿料溫度對紙張性能的影響

由表3可知，A紙和B紙的單根纖維強度幾乎無變化。A紙的1/B在漿料溫度為15℃時增大，即纖維間結合力減弱，而在漿料溫度為40℃時幾乎保持不變，纖維間結合力并沒有受到太大影響，維持了紙張強度。此結果說明，通過添加松厚劑制備輕型紙時，對漿料進行一定的熱處理可抵消添加松厚劑對纖維間結合力的影響，但結果還有待于進一步的實驗證明。

3 結論

添加松厚劑(A為脂肪酸酰胺類、B為烷基聚醚胺類)制備輕型紙，并采用Page理論，從單根纖維強度與纖維間結合力方面對輕型紙強度進行了探討。

3.1 增加松厚劑A的添加量，紙張變得越松厚，抗張強度的降低也越明顯。

3.2 根據Page理論分析得出，紙張抗張強度降低的主要原因是纖維間結合力的減弱。纖維間結合力越弱的紙張松厚度越好，紙張光散射系數的變化也證明了這一結論。

3.3 酸性條件下制備的輕型紙的抗張強度比中性條件下的弱，這是由于松厚劑與硫酸鋁粒子阻礙了紙張纖維間的結合。

3.4 在漿料溫度40℃時添加松厚劑，可提高紙張松厚度，同時保持一定的成紙強度。這表明，適當地提高漿料溫度可保持纖維的保水值，使纖維潤脹，增加纖維間的結合，抵消添加松厚劑對纖維間結合力的影響。

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