濕強劑在二次纖維配抄薄頁包裝紙中的應(yīng)用研究

柯吉熊苗慶顯陳禮輝黃六蓮［. 福建優(yōu)蘭發(fā)集團（實業(yè)）有限公司，　福建　晉江　36；. 福建農(nóng)林大學(xué) 材料工程學(xué)院，　福建　福州　35000］

濕強劑在二次纖維配抄薄頁包裝紙中的應(yīng)用研究

柯吉熊1苗慶顯2陳禮輝2黃六蓮2
［1. 福建優(yōu)蘭發(fā)集團（實業(yè)）有限公司，福建晉江362221；
2. 福建農(nóng)林大學(xué) 材料工程學(xué)院，福建福州350002］

傳統(tǒng)的薄頁包裝紙生產(chǎn)都采用原生漂白木漿，生產(chǎn)成本較高。采用二次纖維替代部分原生纖維在高速紙機上生產(chǎn)薄頁包裝紙，能夠降低企業(yè)生產(chǎn)成本。在添加80%的二次纖維情況下高速抄造薄頁包裝紙過程中，研究了濕強劑聚酰胺環(huán)氧氯丙烷樹脂（PAE）的添加對紙張抄造和紙張性能的影響。結(jié)果表明，PAE的添加可以迅速降低漿料的溶解電荷和表面電荷，其最佳添加量為0.6%。在此用量下，漿料取得最低的保水性能和較好的抄造性能。此時漿料濾水性能最好，對濕紙抗張指數(shù)、濕紙拉伸積和成紙吸收指數(shù)提高效率最高。

薄頁包裝紙二次纖維濕強劑PAE抄造性能紙張性能

二次纖維的循環(huán)利用是造紙行業(yè)的趨勢之一。其回收利用可降低木材資源消耗、環(huán)境污染負荷和生產(chǎn)成本。為此，將二次纖維部分取代原生木纖維生產(chǎn)薄頁紙，可用于衛(wèi)生要求較低的服裝、鞋類、器皿、儀器等的包裝。薄頁包裝紙由于定量較低，所以其抄造性能和成紙強度一直是生產(chǎn)關(guān)注的焦點。然而，廢紙在回用過程中不可避免地發(fā)生了纖維品質(zhì)的下降問題[1]，導(dǎo)致了濕紙幅強度和成紙強度性能較差；細小組分和膠黏物含量高，漿料濾水性能下降、濕紙幅發(fā)生粘缸粘網(wǎng)，從而使得紙機斷紙次數(shù)明顯增加。這些問題嚴重干擾了薄頁包裝紙的紙機運行速度、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品性能的提高。

濕強劑通過保護已有纖維間的結(jié)合、產(chǎn)生新的抗水結(jié)合以及與纖維形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)三種作用來提高紙頁的干濕強度性能[2]。因此，濕強劑的添加成為提高漿料抄造性能和紙頁產(chǎn)品性能的常用手段。添加濕強劑也可在降低原生木漿配抄比例的同時，保障薄頁紙的濕紙強度以滿足生產(chǎn)的需要。這對節(jié)約木材資源、降低企業(yè)生產(chǎn)成本具有重大意義。

聚酰胺環(huán)氧氯丙烷樹脂（PAE）是一種優(yōu)良的濕強劑[3]，不僅能適應(yīng)中堿性造紙，而且負面影響小、應(yīng)用范圍廣。因此，在前期研究基礎(chǔ)上以80∶20配比的廢紙脫墨漿和漂白硫酸鹽針葉木漿的混合漿料為原料，研究PAE添加對混合漿料濕部系統(tǒng)、抄造性能和成紙性能的影響，以期為薄頁包裝紙的生產(chǎn)實踐提供參考。

1　試驗原料和試驗方法

1.1原料與試劑

漂白硫酸鹽針葉木漿板（NBKP），打漿度62 °SR；脫墨漿（DIP），打漿度53 °SR；聚酰胺環(huán)氧氯丙烷樹脂（PAE）:固含量12.0%，陽電荷密度為9.99 meq/g。

1.2試驗儀器

Mütek SZP-06 Zeta電位儀，BTG公司；Mütek PCD-03電荷自動滴定儀，BTG公司；YQ-Z-48B白度測定儀，杭州輕通儀器開發(fā)公司；RJ-TDL-50A低速臺式大容量離心機，瑞江公司。

1.3試驗方法

（1）抄片。添加自來水控制漿料濃度為0.01%，用標(biāo)準(zhǔn)紙頁成形器抄定量35 g/m2的紙頁，壓榨烘干，恒溫恒濕處理24 h，以備檢測其物理強度性能。

（2）打漿度的測定。按GB/T 3332—1982 《漿料打漿度的測定法（肖伯爾-瑞格勒法）》進行測定。

（3）漿料Zeta電位的測定。取相當(dāng)于2 g絕干漿的漿料，配成0.5%的濃度，在磁力攪拌器上攪拌5 min，采用Zeta電位儀測量漿料的Zeta電位。

（4）漿料溶解電荷的測定。取相當(dāng)于1 g絕干漿的漿料，配成2%的濃度，在磁力攪拌器上充分攪拌，將漿料在3 000 r/min下離心30 min，取10 mL上層清液，以PDADMAC為標(biāo)準(zhǔn)聚陽離子溶液，采用電荷自動滴定儀測定其溶解電荷。

（5）漿料留著率的測定。根據(jù)抄片烘干恒溫恒濕后紙頁的質(zhì)量與抄片時加入漿料的絕干質(zhì)量計算。

（6）濕紙強度測試。用臥式電子紙張拉力試驗機進行測定，夾距50 mm，紙張寬度15 mm，通過內(nèi)推法取對應(yīng)于某個標(biāo)準(zhǔn)干度下的數(shù)值報告試驗結(jié)果。濕紙幅的干度通過改變吸水紙的層數(shù)來調(diào)節(jié)。

（7）濕紙拉伸積的計算。

式中:S ——拉伸積，N·m；

F ——抗張力，N；

ΔL——伸長量，m。

換算為相同定量，夾距100 mm，試樣寬度15 mm計算。

式中:F——抗張力，N；

Y ——抗張指數(shù)，mN/g；

Lw——試樣寬度，mm；

g ——定量，g/m2。

換算為相同定量，夾距100 mm，試樣寬度15 mm計算。

（8）裂斷長測試:

按GB/T 453—1989 《紙和紙板抗張強度的測定法（恒速加荷法）》進行測定。

2　結(jié)果與討論

2.1PAE用量對漿料濕部化學(xué)特性的影響

2.1.1PAE用量對漿料打漿度的影響

PAE用量對漿料打漿度的影響如圖1所示。隨著PAE樹脂的添加，漿料打漿度呈現(xiàn)先顯著下降后上升的趨勢。PAE的添加應(yīng)確保漿料的打漿度不宜過高，以使?jié){料保水能力下降、提高漿料的濾水性能，從而提高紙頁成型和紙機操作運轉(zhuǎn)效率、降低干燥負荷。

圖1 PAE用量對漿料打漿度的影響

2.1.2PAE用量對漿料溶解電荷的影響

圖2為PAE用量對漿料溶解電荷的影響。由圖（2）可知，隨著陽電性PAE添加量的增加，漿料的溶解電荷先是顯著降低而后趨勢有所減緩，轉(zhuǎn)折點在添加量0.6%左右。另外，將白水用0.45 μm濾膜進行過濾發(fā)現(xiàn)，過濾時間隨PAE添加量的提高呈現(xiàn)先下降、而后升高的趨勢，且當(dāng)PAE添加量為0.6%時過濾速度最快。這說明，添加PAE可降低白水溶解電荷量的一個重要因素是PAE可通過交聯(lián)、中和作用將細小組分留著在紙頁中。繼續(xù)提高PAE用量，漿料溶解電荷陽離子電荷需求量不再顯著降低主要是因為PAE吸附到纖維表面，且相對于紙漿纖維其在溶液中的濃度很低；而過濾速度降低則是由于PAE使溶解和膠體物質(zhì)發(fā)生了絮聚。鑒于此，此處將PAE的用量定為0.6%。

圖2 PAE用量對漿料溶解電荷的影響

2.1.3PAE用量對漿料Zeta電位的影響

圖3為PAE用量對漿料Zeta電位的影響。由圖（3）可知，隨著陽離子PAE用量的增加，漿料的Zeta電位呈現(xiàn)先微弱增加而后較快上升的趨勢，轉(zhuǎn)折點處的PAE用量約為0.6%。這說明，PAE樹脂添加到漿料中，首先是發(fā)生PAE中和漿料中的細小組分等攜帶電荷的物質(zhì)而后PAE才在纖維表面發(fā)生吸附。這與前人發(fā)現(xiàn)PAE的增濕強過程時發(fā)生了PAE的吸附現(xiàn)象一致[4]。漿料的Zeta電位趨近零點對漿料的留著和濾水性能的提高是有利的。鑒于PAE用量高于0.6%時單位用量的PAE對降低漿料Zeta的效費比不高，不建議采用高用量的PAE來提高漿料的Zeta電位值。

圖3 PAE用量對漿料Zeta電位的影響

2.1.4PAE用量對漿料留著率的影響

圖4為PAE用量對漿料單程留著率的影響。從圖（4）可以看出，漿料的留著率隨著PAE用量的增加呈線性升高。因為紙漿具有負電荷表面，加入陽離子助劑后，降低了纖維的表面電荷，促進細小纖維間的絮聚、PAE對細小纖維的靜電吸附和對纖維間的交聯(lián)共同作用使得纖維可以得到較好的留著。

圖4 PAE用量對漿料留著率的影響

2.2PAE用量對薄頁紙抄造性能的影響

2.2.1PAE用量對漿料濾水性能的影響

圖5為PAE用量對漿料濾水性能的影響。由圖（5）可知，漿料的抄片濾水時間隨著PAE用量的增加呈現(xiàn)先較快降低至一最低值后轉(zhuǎn)而增加的趨勢，轉(zhuǎn)折點的PAE用量約為0.6%。結(jié)合圖2和圖3可知，這是由于PAE可中和漿料系統(tǒng)的溶解電荷（由陽電荷需求量表征）和纖維表面電荷（由Zeta電位表征）；漿料系統(tǒng)整體負電荷的降低，削弱了漿料表面的水化層厚度，破壞纖維間的水結(jié)構(gòu)。另外，PAE在漿料纖維和細小組分之間的交聯(lián)作用促進細小纖維間的絮聚，可減少結(jié)合水的持有量，降低流體阻力，從而提高了漿料的濾水性能[5]。PAE用量繼續(xù)增加導(dǎo)致漿料體系由陰電荷轉(zhuǎn)化為陽電荷，體系過度陽離子化，漿料過度絮聚從而封閉了纖維網(wǎng)絡(luò)的孔隙，從而使得濾水時間增加。

圖5 PAE用量對漿料濾水性能的影響

2.2.2PAE用量對濕紙抗張強度的影響

濕紙抗張強度是指紙頁在抄造過程中未經(jīng)干燥的濕紙幅的強度，一般指紙幅干度在20%~50%時濕紙幅的強度。鑒于手抄片的水分含量對濕紙強度有十分顯著的影響，且在試驗室條件下得到特定干度的紙頁不易實現(xiàn)，此處對不同PAE添加量的紙漿均進行了不同干度下的濕紙強度檢測，然后通過插值法得到手抄片在25%干度時的濕紙抗張指數(shù)。其結(jié)果如圖6所示。由圖可知，濕紙抗張指數(shù)隨PAE添加量的增加先是顯著提高而后趨于平緩，轉(zhuǎn)折區(qū)域在PAE添加量為0.6%左右。

圖6 PAE用量對濕紙抗張指數(shù)的影響

對比圖5、圖6可知，PAE的添加同時提高了濕紙抗張強度和濾水性能，都有利于漿料抄造性能的提高。為了考察PAE添加量對漿料抄造性能的提高效率，此處把濕紙強度與該紙幅所對應(yīng)漿料的打漿度進行了對比，如圖7所示。隨著PAE添加量的增加，濕紙抗張指數(shù)隨著打漿度的逐漸降低先較快提高而后趨于穩(wěn)定，結(jié)合圖5可知轉(zhuǎn)折區(qū)域的PAE添加量在0.6%左右。此時PAE的添加對漿料抄造性能的提高效率最好。

2.2.3PAE用量對濕紙拉伸積的影響

參考紙袋紙用抗張能量吸收值或拉伸積來評價紙張承受瞬間沖擊力的能力。此處用拉伸積[6]來評價薄頁紙抄造過程中紙張承受車速波動或其他意外沖擊力而減少斷紙次數(shù)的能力。同樣用插值法得到手抄片在25%干度時的濕紙拉伸積，其結(jié)果如圖8所示。添加適量的PAE即可顯著提高濕紙幅的拉伸積。當(dāng)PAE用量超過0.6%時，PAE在纖維間的交聯(lián)形成的網(wǎng)絡(luò)聚合物對纖維間結(jié)合的保護已經(jīng)接近飽和。這導(dǎo)致繼續(xù)增加PAE用量，對纖維間的保護作用增加不大，而是使得多余的PAE在液相中彼此交聯(lián)增加，降低了PAE的利用率。因此，濕紙抗張指數(shù)和拉伸積均在PAE用量超過0.6%后不再隨PAE用量的提高而顯著增加。

圖7 濕紙抗張指數(shù)與打漿度的對應(yīng)關(guān)系

圖8 PAE用量對濕紙拉伸積的影響

2.2.4PAE用量對濕紙幅黏附力的影響

PAE用量對濕紙幅黏附力的影響如圖9所示。從圖（9）可知，濕紙幅黏附力隨PAE用量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。隨PAE用量的增加，漿料中的細小纖維出現(xiàn)絮聚，破壞了漿料中致密的水結(jié)構(gòu)，從而使得漿料與黏附材料水膜的致密性降低，從而降低了紙幅的黏附力；隨后當(dāng)PAE用量超過0.6%左右時，過量的PAE使纖維出現(xiàn)了過度的絮聚，同時多余的PAE在水中彼此自交聯(lián)，反而使得濕紙與黏附材料間形成更加致密的水膜，從而使得紙幅黏附力上升。

圖9 PAE用量對濕紙黏附力的影響

圖10為PAE用量對濕紙S/A比值（拉伸積/黏附力比值）的影響。從圖10可知，隨著PAE用量的增加，濕紙S/A比值呈現(xiàn)先升高后略微下降的趨勢。

圖10 PAE用量對漿料S/A比值的影響

漿料S/A比值隨PAE用量的升高說明了薄頁紙在抄造過程承受其他意外沖擊力而減少斷紙次數(shù)的能力是逐步提高的。結(jié)合圖5 PAE用量對漿料濾水性能的影響可知，PAE添加量在0.6%左右時漿料取得最好的濾水性能。綜合漿料S/A比值和濾水性能，混合漿料在PAE添加量為0.6%時取得較好的抄造性能。

2.3PAE用量對成紙性能的影響

PAE樹脂含有叔胺、季胺功能基[6]和氮雜環(huán)丁烷功能基，可以與纖維表面的醛基、羧基和羥基發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生交聯(lián)。其中部分PAE樹脂發(fā)生自交聯(lián)，另一部分在纖維表面發(fā)生吸附，如此產(chǎn)生的PAE-纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能保護纖維間的結(jié)合，提高抄造過程中濕紙的強度；在后續(xù)的熟化過程中PAE-纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的進一步固化，可以防止水進入破壞纖維間的氫鍵結(jié)合，從而可以阻止紙受水浸泡后而發(fā)生的潰爛，增加了成紙的濕強度[7]。

2.3.1PAE用量對成紙白度的影響

圖11為PAE添加量對成紙白度的影響。從圖11可知，成紙白度隨著PAE添加量的增加先是顯著下降后趨于穩(wěn)定，轉(zhuǎn)折區(qū)域在0.6%左右的添加量。原因是由于帶有淡黃色的PAE均勻地吸附在纖維上，使得成紙的白度迅速降低。同時紙頁白度在0.6%左右的添加量趨于穩(wěn)定，表明此時纖維對PAE的吸附開始趨于飽和。

圖11 PAE用量對紙頁白度的影響

2.3.2PAE用量對成紙撕裂度的影響

圖12為PAE添加量對成紙撕裂強度的影響。從圖12可知，PAE添加對成紙撕裂強度影響不大。這是由于紙張撕裂度主要受纖維平均長度、纖維的交織情況及纖維本身強度的影響。

圖12 PAE用量對紙頁撕裂強度的影響

2.3.3PAE用量對成紙裂斷長的影響

提高薄頁紙的吸收指數(shù)和裂斷長，不僅可改善紙張的產(chǎn)品性能，而且可減少紙張在生產(chǎn)過程中因受到機械力的沖擊而發(fā)生斷紙的頻率，對穩(wěn)定生產(chǎn)極具意義。圖13為PAE用量對薄頁紙成紙裂斷長和成紙吸收指數(shù)的影響。由圖13可知，PAE的添加可以明顯地提高成紙的裂斷長，成紙吸收指數(shù)亦隨PAE添加量的增加而逐漸升高；但是，當(dāng)PAE用量分別達到0.2%和0.6%時，手抄片的吸收指數(shù)和裂斷長增加的趨勢均開始放緩。

圖13 PAE用量對紙張性能的影響

2.3.4PAE用量對成紙再濕強度的影響

圖14表明，添加適量的PAE可以顯著提高成紙的濕強度。當(dāng)PAE用量為0.5%時，成紙裂斷長保留率為21.1%，是未添加濕強劑（裂斷長保留率為5.9%）成紙裂斷長保留率的7.3倍；濕裂斷長為0.61 km，是空白紙（濕裂斷長為0.15 km）裂斷長的4.1倍。

圖14 PAE用量對紙頁濕強度的影響

2.4熟化時間對PAE性能的影響

樹脂熟化是PAE活性基團繼續(xù)交聯(lián)的過程，是濕強紙獲得濕強度的必要過程。試驗采用烘干法加速熟化過程，具體方法為將紙樣放置在105℃的烘箱中，間隔時間測試紙樣的性能。不同烘干時間加速熟化對紙頁裂斷長的影響如圖15。隨著烘干熟化時間的延長，成紙裂斷長先顯著增加而后開始降低，強度在10 min的時候取得最大值。這是由于烘干增加了酯基的生成，促使了PAE樹脂與纖維的進一步交聯(lián)[7]。但是當(dāng)烘干熟化時間超過10 min后，交聯(lián)后的PAE樹脂網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了塑化而變脆，從而導(dǎo)致了成紙強度的下降。

圖15 PAE熟化時間對紙頁裂斷長的影響

圖16為PAE烘干熟化時間對濕抗張強度的影響。從圖16可知，雖然隨著烘干熟化時間的延長，成紙裂斷長的保留率逐步增加，但是成紙裂斷長卻呈現(xiàn)先增后降的趨勢，峰值出現(xiàn)在烘干熟化時間為10 min處。

圖16 PAE熟化時間對濕抗張強度的影響

由圖14 PAE用量對紙頁濕強度的影響可知在PAE添加量為0.5%處，未經(jīng)過熟化處理的成紙裂斷長保留率為21.1%。由圖16可知，經(jīng)10 min烘干熟化后的成紙裂斷長保留率為25.4%，濕強度較未經(jīng)過熟化處理的紙頁有明顯的提高。

當(dāng)PAE的烘干熟化時間超過10 min時，雖然裂斷長保留率有所增加，但增加幅度不大；同時成紙的裂斷長和濕裂斷長都因樹脂塑化而開始下降。因此，抄造以二次纖維為主要原料的薄頁紙當(dāng)有需要烘干加速熟化時，時間不應(yīng)超過10 min。

3　結(jié)束語

（1）PAE添加到漿料中，PAE先中和漿料的溶解電荷而后吸附到纖維上。

（2）PAE樹脂的添加使得漿料的保水性先迅速降低后上升，在0.6%左右的添加量漿料取得最低的保水性能。

（3）陽電性PAE樹脂的添加可以迅速降低漿料的溶解電荷和表面電荷，纖維對PAE吸附飽和點在PAE用量0.6%左右。

（4）PAE用量在0.6%左右時，混合漿料獲得較好的抄造性能。此時漿料濾水性能最好；對濕紙抗張指數(shù)、濕紙拉伸積和成紙吸收指數(shù)提高效率最高；對S/A比值提高效率較大。

（5）當(dāng)PAE的添加量高于0.6%時，對成紙裂斷長的提高趨于平緩。

（6）PAE樹脂的烘干加速熟化時間為10 min時，對成紙裂斷長提高最大，裂斷長保留率有所增大。

（7）以添加量0.6%左右作抄造以二次纖維為主要原料的薄頁紙時PAE的為最佳添加量。

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