紙漿物理強度與纖維表面木素含量關系的探討

高桂林 林本平 沈葵忠 房桂干 鄧擁軍 劉姍姍 金 莉

（1.中國林業科學研究院林產化學工業研究所，江蘇省生物質能源與材料重點實驗室，國家林業局林產化學工程

重點開放性實驗室，生物質化學利用國家工程實驗室，江蘇南京，210042；2.長沙理工大學輕化工程實驗室，湖南長沙，410114）

影響紙張強度的因素主要包括纖維間的結合強度、纖維長度和纖維自身的強度，但真正決定紙張強度的是纖維間的結合強度，而纖維間結合力來自于分子間的氫鍵結合以及纖維分子間的范德華力［1-2］。由于木素具有疏水性，所以存在于漿料纖維表面的木素會阻止纖維素分子間氫鍵的形成［3-4］。實際生產中，機械漿中含有大量的木素，這些存在于漿料中的木素必定會對抄造出的紙張強度產生一定的影響。對于機械漿而言，纖維間的結合能力更為重要。機械漿具有良好的印刷適應性并且成本低，所以機械漿被越來越多地應用于生產印刷用紙。但是纖維間的結合強度限制了機械漿在生產某些紙張時的應用比例。根據特定的工藝條件（磨漿溫度和化學處理），纖維細胞壁的分離程度是不同的，它也導致了纖維表面的木素含量不同。曾有研究發現，機械剝皮過程可以除去化學熱磨機械漿（CTMP）纖維表面富含木素的物質［5］。如果纖維表面的木素確實構成了纖維間結合的障礙，那么這種機械剝皮技術有可能用于改善纖維表面，進而提高纖維間結合強度。

本研究采用酸析木素的方法，在BKP纖維表面沉積和吸附木素，探討BKP纖維吸附木素的程度對紙漿強度性能的影響，以期對使用機械漿進行配抄的紙張生產有一定指導作用。

1 實驗

1.1 材料

漂白硫酸鹽馬尾松漿板，取自廣州造紙廠，漿料打漿度為18°SR；馬尾松木片取自岳陽造紙廠。

1.2 打漿

將漿板用5L水浸泡4h以上，疏解后，在杠桿臂負荷為54N、飛刀輥轉速為498r/min、漿濃為1.57％的條件下，用荷蘭Valley打漿機打漿至42°SR。洗凈、甩干后放入密封袋中冷藏備用。

1.3 硫酸鹽木素溶液的制備

馬尾松木片的蒸煮使用15L電熱蒸煮鍋（西北輕工業學院機械廠），絕干木片2kg，用堿量17.5％（以Na2O計），硫化度25％，液比1∶3.5，由室溫升溫至170℃時間為150min，170℃下保溫90min，蒸煮結束后，擠出黑液。

將黑液放入2000mL燒杯中，在水浴鍋中加熱至80℃，邊攪拌邊向黑液中加入0.5mol/L的硫酸溶液調節pH值至3，以沉淀析出木素，靜置1h后，用布氏漏斗過濾并洗滌數次后過濾，所得固體硫酸鹽木素放在容器中風干至呈塊狀備用。使用前將硫酸鹽木素固體溶解于10g/L的NaOH水溶液，制成質量濃度為20g/L的硫酸鹽木素堿性溶液。

1.4 紙漿吸附木素實驗

分別準備未打漿和打漿后的漂白硫酸鹽漿料各5份，按照漿液比為1∶20向漿料中加入上述硫酸鹽木素堿性溶液，混合均勻后再緩慢加入0.5mol/L的H2SO4，在80℃、不斷攪拌下反應2h，分別控制終點pH值為8、6、5、4，以獲取纖維具有不同木素吸附量的漿料，漿料編號分別為A1、A2、A3和A4。對照實驗的其他反應條件相同，但未加酸調節，對照樣的編號為A0。預處理反應結束后，所有漿樣均用NaOH或硫酸調節控制pH值為6～7，漿料充分洗滌后供檢測和抄片使用。

1.5 紙漿木素含量的測定

漿料的木素吸附量以檢測紙漿的卡伯值來表示，卡伯值的測試按GB/T 1546—1989進行。

1.6 紙張配抄和物理強度檢測方法

為比較木素吸附量對紙漿強度性能的影響，將不同木素吸附量的BKP抄制成80g/m2的紙張。漿料配比、實驗編號及成紙的各項強度性能指標分別見表2、表3和表4。紙張的緊度、抗張指數、撕裂指數和耐破指數分別按照GB/T 451.3—2002、GB/T 453—2002、GB/T 455—2002和GB/T 454—2002進行測定。

2 結果與討論

2.1 木素在紙漿纖維表面的吸附

以漿料卡伯值來表征漂白硫酸鹽漿（BKP）纖維表面吸附木素的量。近年的研究表明，存在于蒸煮后漿料碳水化合物中的己烯糖醛酸及其他不飽和結構也會和高錳酸鉀發生反應，本實驗中在木素酸析反應時紙漿中的己烯糖醛酸已被酸水解而除去，使得測出的卡伯值更能準確地反映紙漿中的木素含量［6］。

本研究通過調節BKP和硫酸鹽木素的混合物料的pH值，控制紙漿纖維吸附的木素量。進行木素沉積吸附實驗時使用了兩種漿料，即未經打漿和經過打漿（打漿度42°SR）的漂白馬尾松硫酸鹽漿。由表1可以看出，隨著混合物料pH值降低，漿料吸附的木素量增加；相同吸附條件下，經過打漿的BKP比未經打漿BKP吸附的木素量更大，這是因為經過打漿后，纖維暴露出更多的表面，能夠吸附更多的硫酸鹽木素［7］。

表1 不同pH值處理條件下紙漿對木素的吸附量

2.2 不同配抄比例對紙漿強度性能的影響

一般來說，紙漿纖維間的結合強度與纖維間形成氫鍵的能力成正比。對于同一種漿料，纖維的比表面積和接觸面積是一個常量，如果纖維表面吸附了木素，勢必會影響纖維間形成氫鍵的能力，導致纖維間結合強度的下降［5］。

表2是不同pH值預處理條件下吸附木素BKP的強度性能。從表2可以看出，與未吸附木素BKP相比，隨著紙漿纖維吸附的木素量的增加，漿料的抗張指數、撕裂指數和耐破指數均有不同程度的降低。因此在生產化學機械漿的機械磨漿過程中，在保證漿料的質量的前提下，應盡量除去纖維表面富含木素的物質，以提高纖維間結合強度。

表2 不同吸附條件下紙漿的物理強度

表3 50％BKP與50％吸附木素BKP配抄紙張的強度性能

表3給出了以50％BKP和50％吸附了木素的BKP配抄成紙的強度性能。表4是未吸附木素BKP與不同比例的吸附木素BKP（漿料的實驗號為A2）配抄紙張的強度性能。雖然漿料來源和配抄方式不同，隨著BKP中吸附木素量的增加，成紙的強度性能均呈現不同程度的下降趨勢。

表4 不同配抄比例紙張的強度性能

2.3 木素吸附量與紙漿物理性能指標的關系

圖1～圖4分別比較了3種配抄方式手抄紙張的緊度、抗張指數、耐破指數和撕裂指數與紙漿中以卡伯值表示的木素含量的關系。從圖1可以看出，不同紙漿纖維來源、不同配抄方式對紙張的緊度影響不大，表明構成紙張纖維間的物理接觸沒有發生明顯變化。但是，從圖2和圖3可以看出，成紙的抗張指數、耐破指數與紙漿纖維中的木素含量呈現明顯的負線性相關性，其中，抗張指數的線性回歸方程為：y=-1.23x+56.9（式中，y為抗張指數，x為卡伯值），耐破指數的線性回歸方程為：y=-0.104x+4.62（式中，y為耐破指數，x為卡伯值）；隨著紙漿中木素含量的增加，紙漿的抗張指數、耐破指數呈現持續下降趨勢。一般來說，紙張的抗張強度、耐破強度與構成紙張的纖維長度、纖維本身強度及纖維間結合能力相關。本實驗中幾種不同配抄方式使用的均是同一種打漿漿料，紙漿纖維具有相同的纖維長度、纖維強度和比表面積，因此抄制成紙張時，其抗張強度、耐破強度僅僅與纖維間的結合強度有關；隨著紙漿纖維中木素含量的增加，纖維間的氫鍵結合能力下降，導致纖維間結合強度下降，表現為手抄片的抗張強度與耐破強度的降低，并呈現與木素含量一定程度的線性相關性。化機漿混合配抄時，可以通過降低化機漿表面木素含量或增加木素分子的親水性的方法來改善纖維間的結合強度。從圖4可以看出，不同配抄比例對紙漿的撕裂指數有不同的影響，這可能與紙張撕裂強度的復雜的構成機理有關［8］。

3 結論

3.1 隨著硫酸鹽木素溶液pH值的降低，木素在紙漿纖維表面的沉積吸附量增加；與未打漿紙漿相比，相同pH值條件，經過打漿的BKP纖維暴露出更多的表面，能夠吸附更多的木素。

3.2 紙漿纖維表面木素含量與成紙的抗張指數、耐破指數呈負的線性相關性；紙漿木素含量的增加，使成紙的抗張指數和耐破指數下降；配抄比例對成紙的抗張指數、耐破指數沒有明顯影響，但對漿張的撕裂指數卻有一定的影響。

3.3 隨著紙漿纖維表面吸附木素量的增加，成紙緊度變化不大，但成紙的抗張指數和耐破指數均有不同程度的降低，表明增加紙漿纖維表面木素含量會降低纖維間的結合強度。

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