影響紙和紙板松厚度的主要因素

彭金勇 劉洪斌，* 李甘霖 鄒學(xué)軍

(1.天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457;2.湖南泰格林紙集團(tuán)股份有限公司，湖南岳陽，414002;3.加拿大林產(chǎn)品創(chuàng)新研究院，加拿大，H9R 3J9)

近年來紙和紙板的生產(chǎn)商和用戶都越來越關(guān)注紙和紙板的松厚度［1］，因?yàn)樗珊穸葘Ξa(chǎn)品成本和產(chǎn)品性能有重要的影響。高松厚度意味著在一定的紙和紙板厚度下可以降低定量，減少纖維用量，達(dá)到節(jié)約成本的目的;高松厚度可以提高紙和紙板的挺度性能，可以使書籍出版商以較少的頁數(shù)來維持整本書的厚度，還可以增加紙張的不透明度、印刷適性和降低印刷油墨的透?。?-4］。因此，松厚度對紙和紙板產(chǎn)品的成本控制、產(chǎn)品性能及產(chǎn)品的附加值都具有重要的意義。本文綜述了影響松厚度的因素，總結(jié)了提高紙和紙板松厚度的實(shí)用方法。

1 松厚度定義

松厚度是紙和紙板的一個(gè)重要指標(biāo)，它是定量與厚度的比值，可以用cm3/g來表示。松厚度表示紙張疏密程度，即紙張孔隙率的大小。高松厚度意味著紙板、輕型紙等要求厚度的紙種可以降低紙張定量，對復(fù)印紙、紙板等要求挺度的紙種可以提高紙張的不透明度、挺度性能。

2 紙和紙板松厚度的影響因素

紙和紙板松厚度的主要影響因素包括造紙纖維原料、漿料種類、打漿操作、填料、化學(xué)品、壓榨、干燥、壓光等。

2.1 造紙纖維原料

造紙纖維原料的纖維形態(tài)對紙張松厚度有重要的影響。較粗的纖維成紙孔隙率較高，紙張的松厚度也較高，較細(xì)的纖維成紙孔隙率低，松厚度較低。一般來說，纖維粗度高，松厚度就高。但是，松厚度不僅僅與纖維的粗度有關(guān)，而與纖維在成紙過程中的壓潰也有非常重要的關(guān)系，成紙的松厚度最終取決于纖維的壓潰和變形程度。因此，小直徑厚壁的纖維更挺硬、不易壓潰，易形成高松厚度的紙張。Gurnagul等人［5］的研究顯示，紙張松厚度與細(xì)胞壁厚度和纖維寬度的比值成正比，實(shí)驗(yàn)室研究數(shù)據(jù)表明，較窄的厚壁纖維即使經(jīng)過漂白也仍能夠保持較高的紙張松厚度，如圖1所示。所以，生產(chǎn)高松厚度的紙張時(shí)，纖維原料的來源和選擇非常重要。

圖1 紙張松厚度與纖維壁厚和纖維寬度比值的關(guān)系

2.2 漿料種類

2.2.1 漿料種類對松厚度的影響

漿料種類對于紙張松厚度的影響非常大，圖2列出了各種漿料紙張的松厚度。從圖2中可以看出，各類漿料紙張松厚度的順序?yàn)?高得率漿 (化學(xué)機(jī)械漿)＞熱磨機(jī)械漿＞硫酸鹽漿＞廢紙漿;不同原料在同類紙漿中松厚度也不同，闊葉木高得率漿＞針葉木高得率漿，闊葉木硫酸鹽漿＞針葉木硫酸鹽漿＞麥草硫酸鹽漿［6］。

2.2.2 不同材種對松厚度的貢獻(xiàn)

高得率漿，即化學(xué)機(jī)械漿，包括漂白化學(xué)熱磨機(jī)械漿 (BCTMP)、堿性過氧化氫機(jī)械漿 (APMP)、預(yù)處理的堿性過氧化氫機(jī)械漿 (P-RC APMP)，以其優(yōu)異的松厚度性能在紙和紙板產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用［7-12］。不同材種的纖維形態(tài)不同，所得高得率漿的松厚度也不同，同樣的材種也可以根據(jù)要求生產(chǎn)出不同松厚度的高得率漿。圖3是不同材種高得率漿的松厚度，由圖3可以看出，楓木高得率漿具有最高的松厚度，高達(dá)3.8 cm3/g，其次是桉木、樺木、云杉、楊木高得率漿所抄造的紙張［2］。

2.2.3 高得率漿制漿工藝及其控制對松厚度的影響

圖2 不同漿料紙張的松厚度

圖3 一些常見材種高得率漿的松厚度

高得率漿本身的高松厚度是其他漿種無法比較的，因此在高級紙中，用高得率漿部分替代漂白硫酸鹽闊葉木漿得到了廣泛的應(yīng)用;在紙板中，高得率漿作為紙板的芯層可較大地提高紙板的松厚度和挺度。高得率漿具有與漂白硫酸鹽闊葉木漿相似的物理強(qiáng)度和白度。與漂白硫酸鹽闊葉木漿相比，高得率漿除了制漿成本低、得率高之外［7］，還具有一些較好的其他特性，如高松厚度、高不透明度和較高的細(xì)小纖維組分［13-15］，因?yàn)榇蠖鄶?shù)木素都保留在高得率漿中，高得率漿纖維一般較挺硬且在造紙過程中不容易被壓潰［16］。由圖4可以看出，漂白硫酸鹽楊木漿中主要是長而柔軟的纖維，這些纖維將形成一個(gè)緊湊的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);而楊木高得率漿則由長而粗的纖維以及很大一部分的細(xì)小纖維構(gòu)成。當(dāng)用高得率漿取代一部分硫酸鹽漿時(shí)，這些細(xì)小纖維將對紙張的勻度有利，而且粗糙而挺硬的纖維將會使紙張結(jié)構(gòu)更松厚［17］。

圖4 楊木硫酸鹽漿 (KP)和楊木高得率漿 (HYP)纖維SEM圖

漿料種類的選擇與配比是目前高松厚度紙生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵，通過添加高得率漿來提高紙張松厚度是目前造紙廠廣泛采用的最為有效的方法。周亞軍等人分別用楊木和樺木的高得率漿部分取代闊葉木硫酸鹽漿進(jìn)行抄片實(shí)驗(yàn)，高得率漿取代量為0～100%，發(fā)現(xiàn)隨著取代量的增加，紙張松厚度增加，且樺木高得率漿抄造紙張的松厚度更高 (如圖5)，達(dá)到了 3.43 cm3/g［2］。

圖5 紙張松厚度隨著高得率漿取代比例增加的變化

使用高得率漿提高紙張松厚度是未涂布印刷書寫紙、涂布印刷紙生產(chǎn)中普遍采用的手段。在未涂布印刷書寫紙中，高得率漿代替10%～20%的漂白硫酸鹽闊葉木漿，不會對造紙機(jī)的運(yùn)行和紙張的表面性能、強(qiáng)度性能、印刷性能產(chǎn)生負(fù)面影響;在涂布印刷紙中，高得率漿代替漂白硫酸鹽闊葉木漿的量一般為15%～25%，最近研究表明高得率漿的替代率可以高達(dá)30%～40%，通過造紙和涂布過程參數(shù)的調(diào)整，同樣可以獲得與較低含量高得率漿相同的紙張質(zhì)量［18-20］。

楊木和楓木高得率漿用于紙板的生產(chǎn)，來提高產(chǎn)品的松厚度和挺度，降低紙板定量，節(jié)約生產(chǎn)成本，特別是楓木高得率漿所抄造紙張松厚度高達(dá)3.8 cm3/g，是多層紙板抄造的超值纖維。高得率漿不僅提供較高的松厚度，由于其細(xì)小纖維含量高，還可以提高紙張的勻度［21］。

涂布紙板的芯層原料主要由OCC、辦公廢紙、混合廢紙、白紙板邊、舊報(bào)紙等配成，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)原料組成為:20%OCC、40%混合廢紙、20%白紙板邊、20%損紙時(shí)，所得的芯層松厚度最高，達(dá)到了1.33 cm3/g，其中，混合廢紙能夠提供較好的松厚度［22］?；旌蠌U紙從紙料的化學(xué)性質(zhì)看，紙漿的木素含量高，打漿時(shí)纖維不易潤脹、水化和細(xì)纖維化，纖維比較粗硬，在紙張干燥過程中不易使纖維互相緊貼，故紙張松厚度高。舊報(bào)紙里含有大量BCTMP和CTMP，而BCTMP、CTMP多用闊葉木制漿，木素含量高，纖維較粗硬，在抄紙過程中不易被壓潰，會給予成紙良好的松厚度。

2.3 打漿

打漿能夠增加纖維彈性和形變性，提高結(jié)合強(qiáng)度和緊度，降低松厚度。如果在結(jié)合強(qiáng)度未增加的條件下提高了纖維卷曲，則松厚度增加。低濃磨漿可減少纖維卷曲，增加結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致成紙松厚度降低，如漂白硫酸鹽云杉漿，在加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度為500 mL時(shí)，紙張的松厚度為1.60 cm3/g，經(jīng)過打漿處理，當(dāng)漿料的加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度為320 mL時(shí)，紙張的松厚度降低到1.50 cm3/g。高濃打漿有助于纖維之間的摩擦，使纖維表面更多的細(xì)纖維化，能夠較多地保留成紙的松厚度［23］。

當(dāng)造紙系統(tǒng)使用多種漿料時(shí)，打漿策略也會影響成紙的松厚度。Gao等人研究了造紙系統(tǒng)中使用桉木硫酸鹽漿和高得率漿時(shí)打漿方式對紙張松厚度的影響，研究發(fā)現(xiàn)，在高得率漿用量20%下，用PFI磨對高得率漿和漂白硫酸鹽桉木漿打漿至加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度400 mL時(shí)，單獨(dú)對兩種漿料打漿后抄造紙張的松厚度為1.80 cm3/g，兩種漿混合打漿后抄造紙張的松厚度為1.63 cm3/g［24］。因?yàn)榇驖{主要是由紙料濾水、紙張強(qiáng)度性能來決定，所以利用調(diào)整打漿方式來提高松厚度的效果有限。

2.4 填料

填料以其對漿料的價(jià)格優(yōu)勢在未涂布印刷書寫紙、涂布印刷紙中廣泛使用，填料為紙張光學(xué)性能、不透明度、印刷適性等方面帶來好處，并且填料在印刷書寫紙中的用量有繼續(xù)增加的趨勢。填料對紙張松厚度的影響是負(fù)面的，由于填料的密度要比纖維高，所以在定量一定的情況下，增加填料用量會降低紙張的松厚度。不同種類的填料對紙張松厚度的影響不同，在一定的紙張灰分含量下，填料對紙張松厚度的負(fù)頁影響程度如圖6所示:二氧化硅＜沉淀碳酸鈣(PCC) ＜高嶺土、滑石粉［25］。

目前造紙行業(yè)主流的填料是研磨碳酸鈣 (GCC)和PCC，這兩種填料對紙張松厚度的影響不同。相對于GCC而言，PCC在改善紙張松厚度上效果要明顯的多，這是因?yàn)镻CC顆粒之間的絮聚使紙張獲得多孔結(jié)構(gòu)，纖維之間的孔隙增大，從而增加了紙張的松厚度［26］。并且PCC的平均粒子大小以及分布會對紙張松厚度產(chǎn)生影響。圖7是GCC和PCC的形態(tài)示意圖。

圖6 不同填料種類對紙張松厚度的影響［25］

圖7 GCC和PCC的形態(tài)示意圖

同是PCC，類型不同的PCC對紙張松厚度的影響也不同。受PCC顆粒的形狀、粒徑影響，具有紡錘形凝聚形態(tài)結(jié)構(gòu)的PCC對紙張松厚度的保留更具優(yōu)勢。Velho認(rèn)為改善紙張松厚度的填料性能有:顆粒形狀、顆粒大小、顆粒分布和平均粒度。松厚度隨著填料顆粒尺寸的增加而增加，證明在一個(gè)給定的顆粒密度條件下，顆粒總體大小對松厚度的影響占主導(dǎo)地位。同時(shí)，他提出PCC可以使紙張松厚度保留更多，尤其是偏三角面形狀的PCC的添加可以使紙張松厚度提高，并且PCC的平均顆粒大小以及分布會對紙張松厚度產(chǎn)生不同的影響［27］。Bown認(rèn)為當(dāng)填料顆粒較小時(shí)，加填會降低紙張的松厚度，但是當(dāng)顆粒尺寸增加時(shí)，紙張的松厚度會提高，并且當(dāng)顆粒尺寸達(dá)到3 μm時(shí)，松厚度就不再提高［28］。

2.5 松厚度添加劑 (化學(xué)品)

在造紙過程中添加松厚度添加劑也可以提高紙張的松厚度。一般情況下，松厚度添加劑也稱為解鍵劑，即防止纖維之間產(chǎn)生氫鍵結(jié)合或者破壞纖維之間已有結(jié)合的化學(xué)品。解鍵劑一般多為叔胺或者季銨鹽類物質(zhì)。解鍵劑分子具有疏水與親水性，可起到表面活性劑的作用。紙漿纖維中親水性的部分被交聯(lián)劑中疏水性的分子覆蓋，阻止纖維內(nèi)部結(jié)合鍵的形成，這樣可以降低紙張緊度，提高松厚度。同時(shí)，在一定范圍內(nèi)，紙張的抄造性能與機(jī)械性能在很大程度上受解鍵劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)與膠體性質(zhì)的影響。當(dāng)松厚度添加劑油酸酰胺 (DOFAS)與硬脂酰胺 (DSFAS)加入造紙過程中時(shí)，在添加4%的DOFAS后，紙張緊度降低16%，松厚度提高了19%，在添加4%的DSFAS后，紙張緊度降低11%，松厚度提高12%［29］。

杜偉民等人研究了有機(jī)類松厚度助劑DL20和無機(jī)類松厚度助劑白炭黑對手抄紙松厚度的影響，如圖8所示，發(fā)現(xiàn)有機(jī)類松厚度助劑和無機(jī)類松厚度助劑都能夠提高紙張的松厚度［30］。Jin等人研究了膨脹劑對紙張松厚度的影響，發(fā)現(xiàn)烷基鏈長度較短的膨脹劑有更大的膨化效果，對紙張松厚度增加更多［4］?？桌瘜W(xué)品公司開發(fā)了松厚度添加劑889，生產(chǎn)定量為75 g/m2的書本紙時(shí)，在長網(wǎng)紙機(jī)濕部用量4 kg/t漿，紙張松厚度增加10%［3］。松厚度添加劑的使用取決于它的生產(chǎn)成本和對紙張強(qiáng)度的負(fù)面影響。

圖8 無機(jī)和有機(jī)松厚度助劑對紙張松厚度的影響［30］

2.6 壓榨

壓榨的主要目的是脫水，但也要兼顧紙張其他性能的要求。壓榨壓力太大，會使紙張的緊度增大，松厚度降低。如果松厚度達(dá)不到要求，要在允許范圍內(nèi)最大限度地減輕壓力，以保證最后成紙質(zhì)量。當(dāng)然如果在條件允許的情況下，選用寬壓區(qū)壓榨，就能更好地解決紙料脫水與紙張松厚度的矛盾。

靴式壓榨能夠在保持紙張性能的同時(shí)提高紙張的松厚度，在給定的紙張干度和紙張平滑度下，經(jīng)過靴式壓榨和輥式壓榨的紙張?jiān)谒珊穸确矫嬗兄黠@的區(qū)別，如定量57.0 g/m2的高檔文化用紙?jiān)?0%的干度下，靴式壓榨所得紙張的松厚度要比輥式壓榨所得紙張的松厚度高11.3%。另外，靴式壓榨一個(gè)潛在的好處是提高紙張的表面均勻性，且提高紙張適印性［31］。

2.7 干燥

一般來說，隨著干燥時(shí)間的增加，紙和紙板的松厚度是下降的，降低干燥的時(shí)間可以提高松厚度。Lee等人研究了最大干燥收縮速率與松厚度的關(guān)系，研究指出紙張的松厚度和最大干燥收縮速率大致成反比關(guān)系，因?yàn)殡S著干燥的進(jìn)行，纖維間以及纖維內(nèi)部的結(jié)合力區(qū)域被收縮了，從而緊度增加，松厚度降低。紙張松厚度隨著最大干燥收縮速率的減少而增加，因?yàn)闈癫渴湛s的減小誘導(dǎo)紙張松厚度的增加，從而增加了紙張的松厚度［32］。

此外，Nygren等人研究了機(jī)械漿和化學(xué)機(jī)械漿發(fā)現(xiàn)，如紙幅在不同的溫度下干燥脫水，其松厚度會有很大的差別，這種差別或許可從纖維的黏塑性能得到解釋，也就是木素的軟化以及不同漿種中木素成分不同［33］。

2.8 壓光

壓光包括硬壓光和軟壓光，其作用都是提高紙張表面的平滑度。加大壓力，紙張表面平滑度會提高，但其松厚度會降低。而軟壓光與硬壓光相比，由于其壓力小，從而紙張的緊度低，更多地保留紙張松厚度。壓光時(shí)的壓力對成紙最終的松厚度影響也很大，在保證造紙機(jī)正常抄造過程的前提下，如果在完成部減輕壓光機(jī)壓力，或者采用軟輥壓光、減少壓輥數(shù)量的方法對輕型紙進(jìn)行整飾，紙張松厚度會提高。Ratto等人研究了高溫和軟壓光對紙張松厚度的影響，發(fā)現(xiàn)線壓力對壓光后紙張的總體松厚度有主導(dǎo)性的作用，而加熱輥的溫度似乎對紙張松厚度的影響更為顯著［34］。

Rheims等人使用NipcoFlex壓光機(jī)在未涂布印刷紙中的試驗(yàn)顯示，在相同的紙張粗糙度下，使用NipcoFlex壓光機(jī)的紙張松厚度提高了5%或者0.06 cm3/g，而在相同的情況下，平滑度提高了約1 μm或者20%［35］。

此外，新技術(shù)金屬帶式壓光 (metal belt calender)能夠在保持松厚度的同時(shí)使紙張達(dá)到較好的表面性能。金屬帶式壓光壓區(qū)更長，紙張松厚度增加3%～10%，可節(jié)約3% ～10%的纖維用量。在一定的紙張表面粗糙度下，經(jīng)過金屬帶式壓光的紙張松厚度更高［36］。金屬帶式壓光首先在紙板中得到應(yīng)用，近年來也把它應(yīng)用在文化用紙的生產(chǎn)。

3 結(jié)語

松厚度是紙和紙板非常重要的性能，高松厚度的紙和紙板能保持必要的挺度，可減少纖維消耗量，節(jié)約漿料成本。

提高松厚度目前最可行的技術(shù)包括添加高得率漿、壓光采用金屬帶式壓光、壓榨采用靴式壓榨、干燥部進(jìn)行控制等，漿料選擇和工藝系統(tǒng)優(yōu)化是提高紙張松厚度的關(guān)鍵，開發(fā)新的松厚度添加劑也是一個(gè)重要的研究方向。

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