打漿度對宣紙原料纖維形態及成紙性能的影響

高玲玲 周萬鵬 童 偉 李 偉 李易蔚

(宣城市產品質量監督檢驗所，安徽宣城，242000)

宣紙產于安徽涇縣［1］，起于唐代，歷代相沿。宣紙主要原料為青檀皮［2-3］和沙田稻草［4-7］，該原料均取自于涇縣，其中青檀皮取自青檀樹，具有纖維長、韌性強、白度高的特點，纖維表面存在一定的褶皺。沙田稻草是涇縣特有的稻草，具有灰分含量低、纖維素含量高等特點，其形態特征為纖維較短、較細，雜細胞含量多，主要是薄壁細胞;表皮細胞體積小、呈鋸齒狀，齒距小，齒峰不高。宣紙由一定比例的青檀皮和沙田稻草混合，再經一定的制作工藝制備而成，具有“韌而能潤、光而不滑、潔白稠密、紋理純凈、搓折無損、潤墨性強”等特點，并有獨特的滲透、潤滑性能［8-9］。

宣紙的制作工藝［10］和現代的機制紙生產工藝有所不同，宣紙的制作首先對原料進行選、撿、蒸、煮、漚、浸、扯、曬等處理，清除青檀樹皮、沙田稻草雜質，存留纖維精華，在攤曬地至少一年的不停翻覆、風吹日曬、雨淋雪凍、自然漂白，然后蒸煮、碓搗、切碎、踩洗、過濾、打漿［11-12］，再經過攪拌、加藥調漿，最后經工人用紙簾撈濾、烤曬、修邊、封包，制備成成品宣紙。宣紙獨特的性能不僅與其原料相關，其復雜的制作工藝也有著決定性的作用。

打漿度是用來衡量紙漿纖維的一個重要指標，其與纖維的長短、粗細、分絲帚化程度密切相關，而纖維的這些特性對紙張性能也有較大影響。宣紙制作所采用的漿料打漿工藝多為傳統經驗，從未對漿料的打漿度進行過測試，每次漿料的打漿度只是進行主觀的人為判斷并未量化，但打漿度的不同對手抄片的性能有著重要影響，而打漿度對宣紙性能的影響至今未見報道。本實驗重點研究了打漿度對宣紙主要原料的纖維形態及手抄片的物理性能和墨汁擴散性能的影響，以期為宣紙的實際生產提供理論依據。

1 實驗

1.1 主要原料

青檀皮漿料和沙田稻草漿料均取自于安徽涇縣紅星宣紙廠，將漿料樣品密封放置在冰箱中48 h，平衡水分備用。

1.2 儀器

ZQS2-23L打漿機;J-DJY100打漿度測定儀;ZQJI-B-II紙頁成型器，陜西科技大學機械廠;S-4800型場發射掃描電子顯微鏡 (FESEM);L＆W纖維測試儀、L＆W撕裂度測定儀、L＆W耐破度測定儀、L＆W抗張強度測定儀、L＆W松厚度測定儀，均為瑞典ABB公司。

1.3 手抄片的制備

取青檀皮絕干漿 (初始打漿度30°SR)360 g加入打漿機中，漿料和水的總體積為23 L，漿濃為1.57%。連續打漿過程中，每隔10 min測定打漿度，取打漿度分別為 40°SR、53°SR、63°SR、75°SR 的漿料。

取沙田稻草絕干漿 (初始打漿度27°SR)360 g加入打漿機中，漿料和水的總體積為23 L，漿濃為1.57%。連續打漿過程中，每隔10 min測定打漿度，取打漿度分別為 39°SR、53°SR、67°SR、74°SR 的漿料。

將不同打漿度的青檀皮漿料和沙田稻草漿料分別抄造成定量為60 g/m2的手抄片，在恒溫恒濕條件下貯存備用。

1.4 漿料的纖維分析

分別取一定量不同打漿度的青檀皮漿料和沙田稻草漿料放在500 mL燒杯中，加入180 mL水，充分攪拌均勻，用纖維分析儀測量其纖維長度，并統計不同長度的纖維占比。

1.5 手抄片物理性能測定

手抄片的松厚度、抗張強度按照GB/T 12914—2008測定、撕裂度按照GB/T 455—2002測定、耐破度按照GB/T 454—2002測定。

1.6 墨汁擴散性能實驗

取不同打漿度的青檀皮手抄片和沙田稻草手抄片，切成相同大小的正方形紙片，用同一只毛筆沾取同一種墨汁，垂直紙面正上方，讓其自然滴落一滴墨汁。當墨汁滴落在手抄片上時開始計時，待其完全擴散至紙面不留有流動的墨汁計時結束，即從墨滴滴落紙面到紙面不積墨的時間。

2 結果與討論

2.1 纖維形態

2.1.1 纖維長度分析

為了探究不同打漿度對青檀皮纖維和沙田稻草纖維長度變化的影響，對不同打漿度的青檀皮和沙田稻草漿料進行纖維形態分析，纖維長度和分布分別如圖1和圖2所示。

由圖1可知，當青檀皮漿料的打漿度分別為30°SR、53°SR、75°SR 時，纖維長度在 0.2～1.5 mm之間的纖維占比分別為17.2%、20.1%、31.9%，纖維長度在1.5～3.0 mm之間的纖維占比分別為71.4%、69.8%、61.8%，纖維長度在3.0～7.5 mm之間的纖維占比分別為11.4%、10.2%、6.3%，漿料纖維的平均長度分別為2.20、2.09、1.87 mm。由圖2可知，當沙田稻草漿料的打漿度分別為27°SR、53°SR、74°SR時，纖維長度在0.2～0.5 mm 之間的纖維占比分別為46.4%、52.0%、60.8%，纖維長度在0.5～1.5 mm之間的纖維占比分別為48.7%、46.7%、39.0%，纖維長度在1.5～4.5 mm之間的纖維占比分別約為4.9%、1.3%、0.3%，漿料纖維的平均長度分別為0.65、0.55、0.49 mm。圖1中，青檀皮漿料打漿度從30°SR增加到75°SR時，纖維長度在1.5～3.0 mm之間的纖維占比從71.4%下降到61.8%，而在0.2～1.5 mm之間的纖維占比從17.2%上升到31.9%。圖2中，沙田稻草漿料打漿度從27°SR增加到74°SR，纖維長度在0.5～1.5 mm之間的纖維占比從48.7%下降到39.0%，而在0.2～0.5 mm之間的纖維占比從46.4%上升到60.8%。這說明隨著打漿度的提高，青檀皮和沙田稻草漿料的細小纖維不斷增多，纖維長度不斷減小，因為在打漿過程中，受到機械剪切力的作用，纖維被切斷，所以青檀皮打漿度從30°SR增加到75°SR，青檀皮纖維的平均長度從2.20 mm降低到1.87 mm;沙田稻草打漿度從27°SR增加到74°SR，沙田稻草纖維的平均長度從0.65 mm降低到0.49 mm。

圖1 不同打漿度青檀皮纖維長度分布

圖2 不同打漿度沙田稻草纖維長度分布

圖3 不同打漿度下青檀皮纖維和沙田稻草纖維的FESEM圖 (×10000)

2.1.2 FESEM分析

為了進一步探究纖維長度變化和交織情況，本實驗通過FESEM對不同打漿度的青檀皮漿料和沙田稻草漿料進行觀察，掃描圖像見圖3。

由圖3可知，隨著打漿度的提高，青檀皮纖維和沙田稻草纖維長度變短，纖維表面的細小纖維不斷增多，同時，打漿的過程會破壞纖維的細胞壁，纖維出現了嚴重的分絲帚化，可以明顯地觀察到，青檀皮漿料打漿度從30°SR增加到75°SR，沙田稻草漿料打漿度從27°SR增加到74°SR時，纖維因為受到機械剪切力的作用，纖維被剪切和分絲帚化，纖維的寬度也出現了明顯的減小。從圖3中還可以看出，隨著漿料打漿度的提高，纖維表面變得越發毛糙，這是纖維分絲帚化程度提高的結果。

2.2 手抄片物理性能

2.2.1 抗張強度

圖4為打漿度對青檀皮手抄片和沙田稻草手抄片抗張指數的影響。由圖4可知，隨著打漿度的不斷增加，青檀皮手抄片和沙田稻草手抄片的抗張指數總體呈現先上升后下降的趨勢。這是因為隨著打漿度的升高，纖維之間的結合力隨之增加，而纖維長度逐漸下降，打漿初期，纖維間的結合力起主要作用，打漿導致細小纖維增多，增加了纖維的比表面積，促進了纖維的潤脹水化作用，使纖維的結合力不斷上升，所以抗張指數出現上升趨勢。之后纖維長度對其影響是主要因素，纖維長度降低，手抄片抗張指數隨之降低。

圖4 打漿度對手抄片抗張強度的影響

2.2.2 耐破度

圖5為打漿度對青檀皮手抄片和沙田稻草手抄片耐破度的影響。由圖5可知，青檀皮手抄片和沙田稻草手抄片耐破度和抗張強度的變化趨勢基本相似，手抄片的耐破度先上升后下降，起初影響它們的主要因素是纖維間結合力，其次再是纖維長度、纖維自身的強度以及纖維的交織情況。纖維間結合力在打漿初期增加的非常快，隨后主要是纖維長度的影響起主要作用，所以手抄片的耐破度隨著打漿度的升高先上升后下降［13-15］。

2.2.3 撕裂度

圖6為打漿度對青檀皮手抄片和沙田稻草手抄片撕裂度的影響。與手抄片抗張強度和耐破度不同，纖維長度是影響手抄片撕裂度的主要因素［16-18］。由圖6可知，隨著打漿度的提高，青檀皮纖維和沙田稻草纖維受到機械剪切的作用，纖維的平均長度呈現不斷下降趨勢，與之對應的手抄片撕裂度也呈現相同的趨勢。

2.2.4 松厚度

圖5 打漿度對手抄片耐破度的影響

圖6 打漿度對手抄片撕裂度的影響

平滑度和松厚度是手抄片重要的質量指標之一，與油墨的轉移有一定的關系，宣紙一般是用來書寫毛筆字以及水墨畫，所以不同平滑度和松厚度宣紙的潤墨性也會有所不同，探究不同打漿度對青檀皮手抄片和沙田稻草手抄片的平滑度和松厚度的影響具有重要的實際應用價值。

圖7為打漿度對青檀皮手抄片和沙田稻草手抄片松厚度的影響。由圖7可知，未打漿的青檀皮漿料和沙田稻草漿料松厚度最高，分別為3.18 cm3/g和2.54 cm3/g，隨著打漿度的提高，青檀皮手抄片和沙田稻草手抄片的松厚度呈現不斷下降的趨勢。這是由于打漿破壞了纖維的細胞壁，導致纖維出現分絲帚化，同時機械打漿使纖維變短，繼續打漿，分絲帚化的程度增加，細小纖維增多，纖維之間的結合節點增多，增加了結合面積，從而使得手抄片的松厚度迅速下降。

2.2.5 手抄片的墨汁擴散

墨汁擴散本身是一個復雜的物理現象，與纖維形態以及纖維的結合方式都有密切的聯系。圖8為不同打漿度手抄片的墨汁擴散時間。圖9和圖10分別為青檀皮手抄片和沙田稻草手抄片墨汁的擴散形狀。

由圖8可知，初始打漿度的青檀皮和沙田稻草手抄片的墨汁擴散時間分別為11 s和6 s，墨汁擴散速度快。隨著打漿度的升高，手抄片的墨汁擴散速度不斷減慢，擴散時間不斷增加。這是因為機械打漿使纖維變得更加細短，破壞了纖維的細胞壁，纖維的分絲帚化不斷加劇，細小纖維增多，纖維間節點的結合更加緊密，打漿度的不斷增加導致手抄片的空隙減小，墨汁的擴散能力減弱，擴散時間增加。另外，發現沙田稻草的打漿度為67°SR時，墨汁的擴散時間增加到404 s，打漿度為74°SR時，墨汁的擴散時間增加到2100 s，由于沙田稻草漿料的纖維本身細短并且柔軟，高打漿度促使纖維分布均勻且結合緊密，不利于墨汁的擴散，所以墨汁擴散速度慢，擴散時間長。由圖9和圖10所示，低打漿度下，墨汁在手抄片上的擴散更趨近于圓形，表明此時手抄片的結構均勻，手抄片對墨汁在各個方向上的擴散影響因素一致，而隨著打漿度的提高，墨汁的擴散形態開始發生變化，此結果可以為手抄片的潤墨性研究提供重要的理論依據。

圖7 打漿度對手抄片松厚度的影響

圖8 不同打漿度手抄片的墨汁擴散時間

圖9 不同打漿度青檀皮手抄片的墨汁擴散形狀

圖10 不同打漿度沙田稻草手抄片的墨汁擴散形狀

3 結論

本實驗通過纖維分析儀和掃描電子顯微鏡對青檀皮漿料和沙田稻草漿料不同打漿度下的纖維形態進行分析，再分別將不同打漿度下青檀皮漿料和沙田稻草漿料制成手抄片，研究了手抄片的物理性能和墨汁擴散的變化。

3.1 青檀皮纖維長度比沙田稻草的纖維長度長，隨著打漿度的提高，纖維的分絲帚化加劇，細小纖維增多，纖維長度變短。

3.2 不同打漿度下手抄片的物理性能變化趨勢基本相同，其抗張強度和耐破度隨著打漿度的升高，先增加后降低，撕裂度和松厚度則隨著打漿度的升高，呈現下降的趨勢。打漿度在50°SR左右時，手抄片整體物理性能最優。

3.3 隨著打漿度的提高，墨汁擴散時間不斷增加，青檀皮和沙田稻草打漿度相近時，沙田稻草的墨汁擴散時間更長，且打漿度不同會影響墨汁擴散的形態。打漿度在50°SR左右時，墨汁擴散的形狀接近圓形且適中。