輕型紙的制備及其纖維間結(jié)合力分析

金海蘭 岡山隆之 于 鋼

(1.東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱，150040;2.東京農(nóng)工大學(xué)大學(xué)院連合農(nóng)學(xué)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(yīng)性及印刷后原稿還原性好，質(zhì)量輕而厚，用其印制的圖書的質(zhì)量比用普通紙印制的圖書約輕1/4～1/3，方便了讀者，也節(jié)約了運(yùn)輸和郵購(gòu)費(fèi)用。制備輕型紙時(shí)，一般配抄GP、TMP等機(jī)械漿，但這些機(jī)械漿在一些高品質(zhì)輕型紙中的應(yīng)用會(huì)受到限制，通常通過配抄BCTMP來提高高品質(zhì)輕型紙的松厚度，但這類輕型紙?jiān)陂L(zhǎng)久保存時(shí)會(huì)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(jī)械漿引起的輕型紙老化問題。本實(shí)驗(yàn)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(duì)紙張松厚度、光學(xué)性能及纖維間結(jié)合力的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)室用水為自來水。

1.2 紙張抄造

調(diào)節(jié)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(diào)節(jié))，漿料溫度為常溫15℃或加熱至40℃，松厚劑添加量為絕干漿質(zhì)量的0.4%、0.8%、1.2%;干燥條件為 105℃，干燥時(shí)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(cè)及斷面的觀察

經(jīng)24 h恒溫恒濕處理后，按文獻(xiàn)［6-9］中的方法分別測(cè)定輕型紙的緊度、抗張強(qiáng)度、零距抗張強(qiáng)度、白度、光散射系數(shù)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(cè)定

以氯仿為萃取劑，采用萃取松厚劑的方法測(cè)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(zhì)量分?jǐn)?shù)，由氯仿萃取率可推算出松厚劑留著率。

1.5 纖維間結(jié)合力分析

一般認(rèn)為，添加助劑，特別是添加疏水性助劑，會(huì)減弱纖維間結(jié)合力，從而導(dǎo)致成紙抗張強(qiáng)度降低［10］。本研究采用Page理論詳細(xì)論述了影響紙張抗張強(qiáng)度的因素。纖維實(shí)際接觸面積、單位面積的纖維的接觸數(shù)量和結(jié)合數(shù)量決定纖維間結(jié)合強(qiáng)度的大小，見Page公式。

式中，T為抗張強(qiáng)度;Z為零距抗張強(qiáng)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(jié)合力;P為纖維斷面的周長(zhǎng);L為纖維長(zhǎng)度;R.B.A.為相對(duì)結(jié)合面積。

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

由Page理論推導(dǎo)出:F=8Z/9。只要測(cè)定紙張的抗張強(qiáng)度T和零距抗張強(qiáng)度Z，就可得出纖維間結(jié)合強(qiáng)度指數(shù)B。本研究通過測(cè)定紙張抗張強(qiáng)度和零距抗張強(qiáng)度，并采用Page理論，從單根纖維強(qiáng)度與纖維間結(jié)合力方面對(duì)輕型紙強(qiáng)度進(jìn)行了探討。

2 結(jié)果與討論

2.1 松厚劑對(duì)紙張性能的影響

松厚劑對(duì)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(qiáng)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(shì)相似，這與松厚劑的作用效果不受漿料打漿度影響的結(jié)果相一致［4］。因此，本實(shí)驗(yàn)僅對(duì)用打漿度為25.9°SR漿料抄造的輕型紙進(jìn)行討論。

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

根據(jù)Page理論，紙張抗張強(qiáng)度主要受單根纖維強(qiáng)度和纖維間結(jié)合力的影響。由表1可知，1/F變化較小，說明添加松厚劑對(duì)單根纖維強(qiáng)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(huì)減弱纖維間結(jié)合力。分析結(jié)果表明，輕型紙抗張強(qiáng)度的降低主要是由于纖維間結(jié)合力的減弱所引起?？赏茢啵降疥庪x子纖維表面的陽離子松厚劑是在后續(xù)的壓榨、干燥過程中擴(kuò)展、熔融在纖維表面，使纖維表面的疏水性增強(qiáng)，阻礙了一部分纖維間的結(jié)合，最終導(dǎo)致紙張抗張強(qiáng)度降低。同時(shí)，纖維表面疏水性的增強(qiáng)妨礙了纖維間的進(jìn)一步結(jié)合，從而使紙張松厚度提高。

表1 松厚劑對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shì)。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(duì)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(duì)紙張抗張強(qiáng)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(qiáng)度明顯低于中性條件下抄造的紙張。松厚劑A添加量達(dá)0.8%及以上時(shí)，A紙的抗張強(qiáng)度顯著降低，最大降低了25%。B紙的抗張強(qiáng)度也有降低趨勢(shì)，但變化很小。紙張?jiān)谒嵝詶l件下的抗張強(qiáng)度比中性條件下弱的另一個(gè)原因，是調(diào)節(jié)pH時(shí)添加的硫酸鋁粒子會(huì)附著在纖維表面，與纖維形成了一種疏水性的離子結(jié)合，阻礙了纖維間的結(jié)合［13］。

圖3 添加松厚劑對(duì)紙張抗張強(qiáng)度的影響

利用Page公式計(jì)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(jié)果相同，單根纖維強(qiáng)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(jié)合力大幅降低。這與紙張?jiān)谒嵝詶l件下的抗張強(qiáng)度比中性條件下弱的結(jié)果相一致。由圖5可知，B紙也顯示了同樣的變化趨勢(shì)。這說明，紙張強(qiáng)度的降低主要是由纖維間結(jié)合力的減弱導(dǎo)致的。

2.2.2 漿料溫度的影響

漿料溫度對(duì)紙張性能的影響見表3。從表3可看出，漿料溫度為40℃時(shí)，松厚劑A和松厚劑B的松厚效果良好，且紙張抗張強(qiáng)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(rùn)脹性能，纖維表面水分增加，纖維在脫水、干燥過程中容易結(jié)合，從而保證了一定的紙張強(qiáng)度。松厚劑作用的發(fā)揮主要受脫水、干燥過程等條件的影響，但其機(jī)理還不是很明確［14］。

表3 漿料溫度對(duì)紙張性能的影響

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

3 結(jié)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(qiáng)度與纖維間結(jié)合力方面對(duì)輕型紙強(qiáng)度進(jìn)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(qiáng)度的降低也越明顯。

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

3.3 酸性條件下制備的輕型紙的抗張強(qiáng)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(jié)合。

3.4 在漿料溫度40℃時(shí)添加松厚劑，可提高紙張松厚度，同時(shí)保持一定的成紙強(qiáng)度。這表明，適當(dāng)?shù)靥岣邼{料溫度可保持纖維的保水值，使纖維潤(rùn)脹，增加纖維間的結(jié)合，抵消添加松厚劑對(duì)纖維間結(jié)合力的影響。

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