紙漿物理強(qiáng)度與纖維表面木素含量關(guān)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(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家林業(yè)局林產(chǎn)化學(xué)工程

重點(diǎn)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室，生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京，210042；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)輕化工程實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410114）

影響紙張強(qiáng)度的因素主要包括纖維間的結(jié)合強(qiáng)度、纖維長(zhǎng)度和纖維自身的強(qiáng)度，但真正決定紙張強(qiáng)度的是纖維間的結(jié)合強(qiáng)度，而纖維間結(jié)合力來(lái)自于分子間的氫鍵結(jié)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(huì)阻止纖維素分子間氫鍵的形成［3-4］。實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)械漿中含有大量的木素，這些存在于漿料中的木素必定會(huì)對(duì)抄造出的紙張強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。對(duì)于機(jī)械漿而言，纖維間的結(jié)合能力更為重要。機(jī)械漿具有良好的印刷適應(yīng)性并且成本低，所以機(jī)械漿被越來(lái)越多地應(yīng)用于生產(chǎn)印刷用紙。但是纖維間的結(jié)合強(qiáng)度限制了機(jī)械漿在生產(chǎn)某些紙張時(shí)的應(yīng)用比例。根據(jù)特定的工藝條件（磨漿溫度和化學(xué)處理），纖維細(xì)胞壁的分離程度是不同的，它也導(dǎo)致了纖維表面的木素含量不同。曾有研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械剝皮過(guò)程可以除去化學(xué)熱磨機(jī)械漿（CTMP）纖維表面富含木素的物質(zhì)［5］。如果纖維表面的木素確實(shí)構(gòu)成了纖維間結(jié)合的障礙，那么這種機(jī)械剝皮技術(shù)有可能用于改善纖維表面，進(jìn)而提高纖維間結(jié)合強(qiáng)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B(tài)KP纖維吸附木素的程度對(duì)紙漿強(qiáng)度性能的影響，以期對(duì)使用機(jī)械漿進(jìn)行配抄的紙張生產(chǎn)有一定指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

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

1.2 打漿

將漿板用5L水浸泡4h以上，疏解后，在杠桿臂負(fù)荷為54N、飛刀輥轉(zhuǎn)速為498r/min、漿濃為1.57％的條件下，用荷蘭Valley打漿機(jī)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(yè)學(xué)院機(jī)械廠(chǎng)），絕干木片2kg，用堿量17.5％（以Na2O計(jì)），硫化度25％，液比1∶3.5，由室溫升溫至170℃時(shí)間為150min，170℃下保溫90min，蒸煮結(jié)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(diào)節(jié)pH值至3，以沉淀析出木素，靜置1h后，用布氏漏斗過(guò)濾并洗滌數(shù)次后過(guò)濾，所得固體硫酸鹽木素放在容器中風(fēng)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(zhì)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(shí)驗(yàn)

分別準(zhǔn)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(yīng)2h，分別控制終點(diǎn)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(hào)分別為A1、A2、A3和A4。對(duì)照實(shí)驗(yàn)的其他反應(yīng)條件相同，但未加酸調(diào)節(jié)，對(duì)照樣的編號(hào)為A0。預(yù)處理反應(yīng)結(jié)束后，所有漿樣均用NaOH或硫酸調(diào)節(jié)控制pH值為6～7，漿料充分洗滌后供檢測(cè)和抄片使用。

1.5 紙漿木素含量的測(cè)定

漿料的木素吸附量以檢測(cè)紙漿的卡伯值來(lái)表示，卡伯值的測(cè)試按GB/T 1546—1989進(jìn)行。

1.6 紙張配抄和物理強(qiáng)度檢測(cè)方法

為比較木素吸附量對(duì)紙漿強(qiáng)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(shí)驗(yàn)編號(hào)及成紙的各項(xiàng)強(qiáng)度性能指標(biāo)分別見(jiàn)表2、表3和表4。紙張的緊度、抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)分別按照GB/T 451.3—2002、GB/T 453—2002、GB/T 455—2002和GB/T 454—2002進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)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(lái)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(jié)構(gòu)也會(huì)和高錳酸鉀發(fā)生反應(yīng)，本實(shí)驗(yàn)中在木素酸析反應(yīng)時(shí)紙漿中的己烯糖醛酸已被酸水解而除去，使得測(cè)出的卡伯值更能準(zhǔn)確地反映紙漿中的木素含量［6］。

本研究通過(guò)調(diào)節(jié)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(jìn)行木素沉積吸附實(shí)驗(yàn)時(shí)使用了兩種漿料，即未經(jīng)打漿和經(jīng)過(guò)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(jīng)過(guò)打漿的BKP比未經(jīng)打漿BKP吸附的木素量更大，這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)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?xiàng)l件下紙漿對(duì)木素的吸附量

2.2 不同配抄比例對(duì)紙漿強(qiáng)度性能的影響

一般來(lái)說(shuō)，紙漿纖維間的結(jié)合強(qiáng)度與纖維間形成氫鍵的能力成正比。對(duì)于同一種漿料，纖維的比表面積和接觸面積是一個(gè)常量，如果纖維表面吸附了木素，勢(shì)必會(huì)影響纖維間形成氫鍵的能力，導(dǎo)致纖維間結(jié)合強(qiáng)度的下降［5］。

表2是不同pH值預(yù)處理?xiàng)l件下吸附木素BKP的強(qiáng)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(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)均有不同程度的降低。因此在生產(chǎn)化學(xué)機(jī)械漿的機(jī)械磨漿過(guò)程中，在保證漿料的質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量除去纖維表面富含木素的物質(zhì)，以提高纖維間結(jié)合強(qiáng)度。

表2 不同吸附條件下紙漿的物理強(qiáng)度

表3 50％BKP與50％吸附木素BKP配抄紙張的強(qiáng)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)號(hào)為A2）配抄紙張的強(qiáng)度性能。雖然漿料來(lái)源和配抄方式不同，隨著B(niǎo)KP中吸附木素量的增加，成紙的強(qiáng)度性能均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)。

表4 不同配抄比例紙張的強(qiáng)度性能

2.3 木素吸附量與紙漿物理性能指標(biāo)的關(guān)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(shù)、耐破指數(shù)和撕裂指數(shù)與紙漿中以卡伯值表示的木素含量的關(guān)系。從圖1可以看出，不同紙漿纖維來(lái)源、不同配抄方式對(duì)紙張的緊度影響不大，表明構(gòu)成紙張纖維間的物理接觸沒(méi)有發(fā)生明顯變化。但是，從圖2和圖3可以看出，成紙的抗張指數(shù)、耐破指數(shù)與紙漿纖維中的木素含量呈現(xiàn)明顯的負(fù)線(xiàn)性相關(guān)性，其中，抗張指數(shù)的線(xiàn)性回歸方程為：y=-1.23x+56.9（式中，y為抗張指數(shù)，x為卡伯值），耐破指數(shù)的線(xiàn)性回歸方程為：y=-0.104x+4.62（式中，y為耐破指數(shù)，x為卡伯值）；隨著紙漿中木素含量的增加，紙漿的抗張指數(shù)、耐破指數(shù)呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)，紙張的抗張強(qiáng)度、耐破強(qiáng)度與構(gòu)成紙張的纖維長(zhǎng)度、纖維本身強(qiáng)度及纖維間結(jié)合能力相關(guān)。本實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度、纖維強(qiáng)度和比表面積，因此抄制成紙張時(shí)，其抗張強(qiáng)度、耐破強(qiáng)度僅僅與纖維間的結(jié)合強(qiáng)度有關(guān)；隨著紙漿纖維中木素含量的增加，纖維間的氫鍵結(jié)合能力下降，導(dǎo)致纖維間結(jié)合強(qiáng)度下降，表現(xiàn)為手抄片的抗張強(qiáng)度與耐破強(qiáng)度的降低，并呈現(xiàn)與木素含量一定程度的線(xiàn)性相關(guān)性?；瘷C(jī)漿混合配抄時(shí)，可以通過(guò)降低化機(jī)漿表面木素含量或增加木素分子的親水性的方法來(lái)改善纖維間的結(jié)合強(qiáng)度。從圖4可以看出，不同配抄比例對(duì)紙漿的撕裂指數(shù)有不同的影響，這可能與紙張撕裂強(qiáng)度的復(fù)雜的構(gòu)成機(jī)理有關(guān)［8］。

3 結(jié)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(jīng)過(guò)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(shù)、耐破指數(shù)呈負(fù)的線(xiàn)性相關(guān)性；紙漿木素含量的增加，使成紙的抗張指數(shù)和耐破指數(shù)下降；配抄比例對(duì)成紙的抗張指數(shù)、耐破指數(shù)沒(méi)有明顯影響，但對(duì)漿張的撕裂指數(shù)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(shù)和耐破指數(shù)均有不同程度的降低，表明增加紙漿纖維表面木素含量會(huì)降低纖維間的結(jié)合強(qiáng)度。

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