提高瓦楞原紙環(huán)壓強度的技術(shù)探討

余章書 福建 廈門（361009）

隨著造紙包裝業(yè)迅速發(fā)展，包裝紙的需求量日益增多，市場競爭的劇烈，也引起包裝紙業(yè)日益對紙張質(zhì)量的嚴(yán)格要求和高度重視。一般來說，紙板應(yīng)具有較好的物理強度性能，如較高的環(huán)壓強度、耐折強度、抗張強度、耐破強度、撕裂強度、耐磨強度、挺度和適宜的緊度等。某些紙板還具有較好的可壓縮強度、電氣絕緣性能、尺寸穩(wěn)定性、適印性和抗流體阻力性以及液體吸收性等。目前用于包裝商品的紙板約占紙板總量的90%左右，其中瓦楞紙板是應(yīng)用十分廣泛的材料，其相關(guān)的物理性能對于瓦楞紙箱的實際應(yīng)用具有重要影響。瓦楞原紙作為制造瓦楞紙箱的原材料，其環(huán)壓強度與瓦楞紙箱的應(yīng)用性能（如抗壓強度）密切相關(guān)。本文分析了影響瓦楞原紙環(huán)壓強度的相關(guān)因素，從理論和實踐積累經(jīng)驗兩方面探索了提高環(huán)壓強度的途徑。

1 對瓦楞原紙和瓦楞紙板物理強度性能的認(rèn)識

1.1 瓦楞原紙和瓦楞紙板的環(huán)壓強度

要測定原紙或紙板沿幅寬方向（即垂直于紙張的厚度）的抗壓強度比較困難。因為紙或紙板的厚度都很小，要在一張平直的紙上沿垂直于厚度的方向上施加壓力，又要原紙或紙板維持形狀穩(wěn)定是難于做到的。若把紙或紙板圍成環(huán)形，施加壓力時其形穩(wěn)性就好得多。因此，把原紙或紙板圍成環(huán)形，然后測量其抗壓強度，這就是原紙或紙板的環(huán)壓強度。紙的環(huán)壓強度是指一定尺寸的環(huán)形試樣在一定的加壓速度下平行受壓，壓力增大至樣品壓潰時所能承受的最大壓力。自20世紀(jì)50年代美國林產(chǎn)品研究所凱利卡托發(fā)表了由瓦楞原紙橫向環(huán)壓強度推導(dǎo)出紙箱耐壓強度以來，瓦楞原紙和瓦楞紙板的環(huán)壓強度已引起人們的關(guān)注。紙的環(huán)壓強度可參見G B/T 2679.8－1995規(guī)定的方法進行測定。

1.2 瓦楞原紙和瓦楞紙板的平壓強度

瓦楞原紙的主要作用是當(dāng)瓦楞紙板受壓變形時，能夠使紙板保持原有的厚度，從而使紙板獲得較大的慣性矩。瓦楞原紙要能承受應(yīng)力和應(yīng)變的作用，在高速起楞時形成均一的瓦楞，并能牢固地與面紙貼合。瓦楞原紙的這種性能可用平壓強度來衡量。測定瓦楞原紙平壓強度時，先在一定溫度和壓力下，用槽紋試驗儀把瓦楞原紙壓成一定形狀瓦楞，然后在小型試驗機上做平壓實驗，測定其承載能力（k N）。

瓦楞紙板受到平壓載荷而不發(fā)生壓潰是瓦楞紙板的一個重強度指標(biāo)。這個指標(biāo)對于瓦楞紙板在使用時以及在制作紙箱的各個加工過程中，能夠保持紙板的原有厚度至關(guān)重要。瓦楞紙板的平壓強度以垂直作用在紙板單位面積上的力（kpa）來表示。測定瓦楞紙板的平壓強度，可以采用小型壓力試驗機。

1.3 瓦楞紙板的邊壓強度

瓦楞紙箱用戶于產(chǎn)品包裝時，要求其防止被壓潰、失去剛性。實踐表明，體現(xiàn)瓦楞紙箱剛性的一個重要指標(biāo)是紙箱的抗壓強度，此指標(biāo)又與瓦楞紙板的邊壓強度密切相關(guān)。瓦楞紙板的邊壓強度是指紙板沿瓦楞紙方向承受壓縮載荷的能力，以單位長度上的作用力（N/m）來表示，這一指標(biāo)可用來比較相似條件下生產(chǎn)的但不是同一批產(chǎn)品的質(zhì)量，也可用來比較以不同材料生產(chǎn)的瓦楞紙板的產(chǎn)品質(zhì)量。

1.4 瓦楞原紙的環(huán)壓強度對紙箱抗壓強度的影響

在紙箱制造過程中，瓦楞原紙的環(huán)壓強度在很大程度上會影響紙箱的整體強度性能，龍其對紙箱的抗壓強度影響較大。根據(jù)瓦楞原紙的環(huán)壓強度計算紙箱的抗壓強度有許多公式[1]，但較為典型的是凱里科特（kellicutt）公式，即：

式中：P為紙箱的抗壓強度；a x2為瓦楞常數(shù)（與瓦楞的類型有關(guān)）；Z為紙箱周長；J為紙箱常數(shù)（與瓦楞的類型有關(guān)）；P x為綜合環(huán)壓強度，其中R t為紙箱面紙板、夾層的環(huán)壓強度，R m為瓦楞原紙的環(huán)壓強度，r為瓦楞收縮率系數(shù)。

從式（1）可以看出，在瓦楞紙箱的其他參數(shù)一定的情況下，紙箱的抗壓強度與瓦楞原紙的環(huán)壓強度成正比。

2 影響瓦楞原紙環(huán)壓強度的因素

2.1 纖維原料與制漿過程

2.1.1 纖維原料的種類

一般來說用于瓦楞原紙生產(chǎn)的原料有木材、草類及廢紙。使用何種原料制漿、漿料配比、漿料本身的特性都會影響瓦楞原紙的環(huán)壓強度。木材纖維包括闊葉纖維和針葉纖維。針葉木纖維長、挺硬，細小纖維含量低，用其抄造的紙板挺度高，但因為纖維較長，不易均勻交織，因此易出現(xiàn)紙頁勻度不好的現(xiàn)象。闊葉纖維柔軟、纖維較短，較適宜抄造強度要求不高、吸收性能較好、柔韌性良好的紙頁。各種工業(yè)紙板的下腳料、低級廢紙經(jīng)處理后則可與其他漿種配抄，有利于降低制造成本、節(jié)約纖維原料、改進紙的柔軟性和彈性等。廢紙中黏附的多種雜質(zhì)若不進行凈化處理，勢必會造成纖維結(jié)合強度下降，從而導(dǎo)致原紙環(huán)壓強度降低。

就纖維形態(tài)化學(xué)成分而言，用木漿生產(chǎn)的瓦楞原紙的環(huán)壓強度比用草漿好。國外的瓦楞原紙一般以闊葉木為原料，多采用半化學(xué)制法；目前，瓦楞原紙以廢紙漿為主，以廢紙為原料生產(chǎn)瓦楞原紙時，控制配比和使用合理的紙漿處理工藝是保證瓦楞原紙環(huán)壓強度的關(guān)鍵。

2.1.2 制漿打漿過程

不同的制漿方法、打漿工藝都會影響成紙的環(huán)壓強度。若以廢紙為原料，適當(dāng)?shù)脑戏謷皾{料的分級篩選處理對于瓦楞原紙環(huán)壓強度的提高也具有積極的促進作用。

2.2 抄造工藝

抄造過程對成紙環(huán)壓強度有很大影響。紙機抄造條件不同,會使成形的紙頁中纖維排列情況有所不同。紙機濕部參數(shù)對環(huán)壓強度的影響主要可用纖維取向的變化來解釋。紙頁在平面和Z向的纖維取向都很重要。紙頁平面的纖維取向通過干燥參數(shù)的作用而影響環(huán)壓強度的縱向/橫向的比值。Z向取向影響紙頁的緊度，該方向的纖維越多，紙頁松厚，從而可提高環(huán)壓強度。流漿箱類型、上漿濃度、、成形器、脫水元件均對纖維成形有影響。

目前，紙頁抄造一般采用圓網(wǎng)紙機成形器和長網(wǎng)紙機流漿箱。長網(wǎng)紙機生產(chǎn)的紙頁厚度較為均一，物理強度的縱橫向指標(biāo)較好，但緊度較低。在成紙抄造中，應(yīng)保證紙漿纖維的充分分散，從而使紙頁具有良好的勻度，同時還應(yīng)協(xié)調(diào)漿速與網(wǎng)速，否則會影響紙頁的縱橫向拉力比，甚至降低其物理強度指標(biāo)。

濕壓榨是決定成紙結(jié)構(gòu)與強度的重要環(huán)節(jié)。濕壓榨既關(guān)系到成紙層間的良好結(jié)合，又是控制紙頁緊度的重要措施。如果紙頁濕壓榨達不到要求，紙頁中會殘存空氣，使得濕紙層間結(jié)合不良，層間帶有氣泡的濕紙頁到達干燥部時，由于受熱，空氣泡發(fā)生膨脹會導(dǎo)致成紙的“脫層”。成紙的最終強度是在干燥部形成的，為此，干燥部的操作對紙頁物理強度的影響很大。在干燥過程中，由于濕紙頁水分蒸發(fā)，構(gòu)成紙頁的纖維逐漸靠攏并開始緊密結(jié)合，從而大大提高了紙頁的物理強度。

2.3 瓦楞原紙的特性

纖維的挺度、纖維間的結(jié)合力等參數(shù)會影響原紙的挺度，進一步影響瓦楞原紙的環(huán)壓強度。而紙頁的挺度主要與厚度及紙頁抗拉伸和抗壓縮的能力即彈性模量有關(guān)。紙頁厚度對挺度和環(huán)壓強度的影響最大。在定量一定時，增加緊度有利于提高紙板纖維間的結(jié)合力，從而對裂斷長、耐破度等產(chǎn)生積極影響；紙頁厚度的降低會對其環(huán)壓強度產(chǎn)生負(fù)面影響，當(dāng)纖維間結(jié)合力的提高彌補不了厚度減少對環(huán)壓強度的損失時，環(huán)壓強度就會大幅度降低，導(dǎo)致瓦楞原紙質(zhì)量檔次下降。實驗證明，采用不同的纖維原料、制造方法及打漿抄紙工藝，會對紙頁的彈性模量產(chǎn)生影響，進而影響成紙的環(huán)壓強度。

2.4 抄造成紙水分

一般成紙水分含量增加會導(dǎo)致環(huán)壓強度下降。由于成紙的水分隨著相對濕度的變化而變化，相對濕度對于紙頁物理特性有著顯著的影響，主要體現(xiàn)在對強度特性的影響上。

3 瓦楞原紙環(huán)壓強度的提高途徑

3.1 纖維原料的選用及打漿方式的調(diào)整

不同纖維漿料與原紙基本性能之間的關(guān)系[2]如表1所示。

從表1可以看出，長纖維漿料比短纖維漿料的挺度低，所以在抄造瓦楞原紙過程中，配用適量的闊葉木漿有利于提高瓦楞原紙的環(huán)壓強度。

表1 不同原料與原紙基本性能的關(guān)系

打漿是改善紙漿纖維成紙性能最好的手段之一。打漿度過低時，成紙雖挺硬但成紙強度可能會很低；打漿度過高時，又會提高成紙的緊度而降低厚度，從而不利于提高成紙的環(huán)壓強度。為此，對原生木漿和草漿，打漿時可采用游離打漿的方式，草漿應(yīng)盡量避免纖維的切斷以提高成紙的強度；對廢紙漿，可采用先疏解后輕度打漿的方法，盡量避免對二次纖維的破壞。在廢紙漿打漿過程中，以中濃磨漿代替低濃磨漿，即使磨漿濃度由3%～5%提高到6%～9%，也可使纖維長度免受破壞，同時分絲帚化效果明顯改善，有利于紙頁各項物理指標(biāo)的提高，因此適當(dāng)配用廢紙漿不會對成紙環(huán)壓強度產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。

目前企業(yè)采用新型人字齒形磨片[3]磨漿，適應(yīng)性廣，大大降低能源消耗成本，是改善紙的物理強度,提高經(jīng)濟效益的有效途徑。人字齒形磨片也是目前國內(nèi)首創(chuàng)的節(jié)能磨片，值得技術(shù)推廣。

3.2 抄造工藝參數(shù)的優(yōu)化改進

（1）上網(wǎng)抄造

流漿箱的漿料越濃,紙頁內(nèi)Z向排列的纖維就會越多,成紙緊度就會減小;高濃抄造與低濃抄造相比,前者可降低纖維的定向性,纖維之間的纏絞機會增多,且在紙頁平面內(nèi)的排列更加均勻,這對改善成紙的縱橫向比有好處.與傳統(tǒng)的低濃成形技術(shù)相比,高濃成形技術(shù)可使纖維保留率高,紙頁環(huán)壓和層間結(jié)合強度好,噸紙節(jié)水100 m2以上,節(jié)能100kWh以上,且高濃成形裝備結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積小,設(shè)備投資節(jié)省三分之二。

紙頁成形過程中，漿速與網(wǎng)速正確配合是決定纖維定向排列的重要因素。如果網(wǎng)速大于漿速，那么纖維上網(wǎng)時將受到一個定向力的作用，使纖維縱向排列增加；反之，纖維的橫向和豎向排列會有所增加，成紙的縱橫向強度比可得到改善。一般認(rèn)為漿料流速度達到1.6～2.0 m/s[4]、漿速與網(wǎng)速之比為1:0.98時,會使紙頁具有較佳的環(huán)壓強度。

（2）濕壓榨

在理論上，濕壓榨能提高紙頁的緊度從而有利于強化纖維間的結(jié)合強度,,但同時會減小紙頁的厚度,使紙頁環(huán)壓強度下降。這種濕壓榨對環(huán)壓強度的反作用，又可以從提高紙頁的結(jié)合強度和提高彈性模量得到補償。所以在正常情況下`，提高濕壓榨的負(fù)荷或延長紙頁在壓區(qū)內(nèi)的停留時間均可提高環(huán)壓強度。

20世紀(jì)80年代初，國際上推出了一種新型紙幅壓榨方法，即寬壓區(qū)壓榨，也稱為靴式壓榨或靴形壓榨。靴式壓榨在260mm長的靴形板上平均加壓4100kpa，相當(dāng)于在正常壓榨方法加壓到1000kN/m，它有相對較低的壓榨力，再加上可控的壓縮率，減少了紙頁壓潰的可能性。NipcoFlex靴式壓榨一般用于包裝紙紙機普通壓榨之后，目前應(yīng)用最多的為三壓區(qū)壓榨。運行結(jié)果表明，可提高15%的干度，在某些情況下甚至超過上述值。在掛面紙機上可得到51%～54%[5]的最終干度，使紙廠的干燥能力增加了25%。紙頁干度的提高必然帶來較高的緊度以致于改善環(huán)壓強度、耐破度、抗張強度、和層間結(jié)合強度。Tandem－NipcoFlex壓榨適合用于生產(chǎn)高強瓦楞紙、牛皮紙、高耐破紙板，除了可提高干度外，還具有從網(wǎng)部通過壓榨區(qū)到干燥部為全封閉和運行非?？煽康膬?yōu)點。牛皮箱紙板在所要求的干度下，使用靴式壓榨，可使其具有較高的透氣度。

采用靴式壓榨的優(yōu)點，其一是脫水能力大。傳統(tǒng)的輥式壓榨中，壓區(qū)窄只有20～50mm，作用于濕紙幅的峰形壓力過高，容易出現(xiàn)紙幅壓潰，所以必須控制低的加壓負(fù)荷。靴式壓榨的壓區(qū)寬度較寬（200～300mm），可以避免高的峰壓，同時，可以加大負(fù)荷，強化脫水。因此，壓榨出口濕紙頁的水分比傳統(tǒng)的輥式壓榨約降低6%，可以節(jié)省20%的干燥蒸汽。靴式壓榨的第二個優(yōu)點是提高紙頁的強度，對瓦楞紙而言，在不損傷紙幅的情況下，可以提高紙的緊度，使環(huán)壓強度、耐破度等強度特性得到改善。

采用大輥徑壓榨和寬壓區(qū)壓榨并設(shè)新型長盲孔帶溝紋[6]輥面時，壓區(qū)寬度增加可明顯提高紙頁的脫水量（脫水迅速）和主要物理強度，大大降低動力和蒸汽消耗,因而，目前一些高定量紙種如掛面箱紙板和高強瓦楞紙均采用此種壓榨方式。表2中給出了幾種不同壓榨方式的應(yīng)用參數(shù)。

表2 幾種不同形式壓榨的比較

（3）紙頁干燥過程

干燥條件會影響成紙的環(huán)壓強度,干燥時如果紙頁的收縮較大,那么伸長率就會提高,使彈性模量降低;如果阻止紙頁收縮,甚至在干燥時將其伸長,則成紙的彈性模量及環(huán)壓強度都會有所提高。紙頁在干燥過程中，要采用合理的干燥曲線以防紙幅橫向過大收縮。為此，可采用以下措施：a.采用合適的溫度曲線，避免強干燥；b.張緊干毯；c.適當(dāng)提高下機時成品紙的水分。

（4）紙頁干燥過程的半濕軟壓光

紙幅干燥過程中，干度達到70%左右時，在這種濕熱狀態(tài)下的濕紙幅，纖維具有較高的柔軟性，易變形性和彈性，經(jīng)過三輥半濕軟壓光機（輥面包聚胺酯材料）后，特別是粗糙面上凹凸不平和細小纖維受到較大壓力作用,變得光滑，低面（凹處）上的細小纖維和輔料牢固地結(jié)合在紙面上，提高了紙張的平滑度、緊度和表面強度，縮小了平滑度兩面差，若水分太低，纖維失去可塑性和彈性，壓光效果差。與此同時，紙機若有裝置表面施膠機，通過軟壓而達到光滑平整的紙幅、經(jīng)表面施膠的施膠量可節(jié)省15%～20%。

（5）紙頁干燥后經(jīng)壓光

壓光會降低紙頁厚度，提高紙頁緊度，但在干狀態(tài)下壓榨紙頁時，纖維的結(jié)合并不會像濕狀態(tài)下得到顯著的改善，所以，一般認(rèn)為紙頁的光壓操作會降低紙頁環(huán)壓強度。因此，在保證紙頁緊度、外觀的條件下，應(yīng)該盡可能降低壓光壓力、減小壓光次數(shù)以及采用軟壓光等，以保證紙頁的環(huán)壓強度在壓光時不會受到較大影響。

3.3 合理使用增強性的化學(xué)助劑

在紙頁抄造過程中常使用增強性的化學(xué)助劑來提高環(huán)壓強度，常用的化學(xué)助劑主要有變性淀粉、陽離子高分子聚合物（如C PAM）、聚酰胺（P A E）、三聚氰胺甲醛樹脂（M F）、脲醛樹脂（U F）等，這些高聚物的分子結(jié)構(gòu)中通常帶有羥基、胺基等基團，可與植物纖維分子上的羥基以氫鍵、離子等結(jié)合，可以提高纖維的結(jié)合強度，進一步促進紙頁挺度和環(huán)壓強度的提高?；瘜W(xué)助劑的使用方法主要有三種，即漿內(nèi)添加法、表面施膠法和層間噴淋法。使用化學(xué)助劑時，既要考慮作用效果，又要考慮生產(chǎn)成本以及對環(huán)境的污染影響。

3.4 保持紙頁的厚度及適當(dāng)?shù)募毿±w維含量

在定量一定的情況下，增加紙頁的厚度時紙頁的緊度就會減小，從而降低纖維間的結(jié)合力。當(dāng)紙頁厚度增加導(dǎo)致纖維間結(jié)合力的減小影響到成紙的環(huán)壓強度時，通過增大厚度而提高環(huán)壓強度的目的就不會實現(xiàn)。為此，增加成紙產(chǎn)品的厚度時，一定要兼顧成紙產(chǎn)品的緊度，并使其保持在適當(dāng)范圍內(nèi)。為此，成紙產(chǎn)品的緊度一般為0.70～0.78 g/c m3之間。

紙產(chǎn)品的強度除了決定于纖維本身的強度外，還決定于纖維與纖維之間的交織結(jié)合，而細小纖維的存在又為纖維之間帶來了良好效果，因此，在紙頁抄造過程中通過使用助留劑等工藝手段提高紙漿中細小纖維的留著，有利于提高成紙的環(huán)壓強度。

3.5 調(diào)整成紙的水分

成紙水分高，會使環(huán)壓強度降低，因此成紙的水分最好控制在10%以下。抄造生產(chǎn)時，施加一定量的松香等疏水性的膠體物質(zhì)后，紙的抗水性增加。所以，包裝用紙產(chǎn)品也最好具有一定的施膠度，這樣的產(chǎn)品在使用過程中吸濕性降低，制成紙箱的含水率也較為穩(wěn)定，從而較好地保證了紙箱的強度。

4 結(jié)束語

影響瓦楞原紙環(huán)壓強度的主要因素有纖維種類、制漿條件、抄造工藝、成紙?zhí)匦约俺杉埶值?；選擇適宜的漿料配比、適當(dāng)調(diào)整漿料的打漿和抄造過程的工藝參數(shù)對于改善成紙的環(huán)壓強度具有積極的促進作用；在抄造生產(chǎn)過程中使用以增強為目的的濕部化學(xué)助劑是提高成紙環(huán)壓強度的有效手段；重視化檢驗的檢測監(jiān)督工作，憑數(shù)據(jù)說話，則是提高紙成品質(zhì)量的重要保證。

[1]馮群策.淺談紙板的挺度和環(huán)壓強度的影響因素[J].湖北造紙,2002（3）:12

[2]田水輝.瓦楞紙箱的質(zhì)量檢測[J].廣東印刷,2004（3）:32

[3]余章書.雙盤磨人字齒形磨的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)與推廣,湖南造紙，2014（1）:46

[4]陳克復(fù).制漿造紙機械與設(shè)備（下）[M].北京:中國;出版社1999

[5]蔡文華.靴形壓榨在紙機上的應(yīng)用及探索[J].中華紙業(yè),2004（2）:42

[6]余章書.長形盲孔帶溝紋壓榨的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)與應(yīng)用.湖南造紙,2012（4）:38