麥草化學漿抄造輕型印刷紙的研究

張 權 彭建軍 陳雪梅 陳鈴華 沈臻煌

(1.中國制漿造紙研究院，北京，100102；2.制漿造紙國家工程實驗室，北京，100102)

·輕型印刷紙·

麥草化學漿抄造輕型印刷紙的研究

張 權1，2彭建軍1，2陳雪梅1，2陳鈴華1，2沈臻煌1，2

(1.中國制漿造紙研究院，北京，100102；2.制漿造紙國家工程實驗室，北京，100102)

以高孔隙率合成硅酸鈣為填料，以生產(chǎn)輕型印刷紙常用的紙漿配比為基礎，逐步提高紙漿中低白度麥草化學漿的比例，考察以100%低白度麥草化學漿加填合成硅酸鈣抄造輕型印刷紙的可行性。結果表明，以高孔隙率合成硅酸鈣為填料、低白度麥草化學漿配抄輕型紙時，隨著麥草化學漿逐漸替代化學木漿和化機漿，填料留著率呈上升趨勢，手抄片的不透明度、抗張強度和抗水性均逐漸提高，松厚度稍有下降，白度下降；以100%麥草化學漿加填合成硅酸鈣采用動態(tài)紙頁成形器抄造輕型印刷紙并壓光至所要求的平滑度時，與常規(guī)漿料配比加填PCC在相同條件下抄造的輕型紙相比，松厚度從1.74 cm3/g提高到1.88 cm3/g，抗張指數(shù)從34.2 N·m/g提高到44.5 N·m/g，吸水值從47.0 g/m2降低到35.9 g/m2，不透明度基本保持不變，高達92.6%，白度從80.3%降低到71.7%，符合輕型印刷紙的白度要求。綜合來看，麥草化學漿加填合成硅酸鈣抄造輕型印刷紙，成紙質(zhì)量較好。

低白度麥草化學漿；輕型印刷紙；合成硅酸鈣

(*E-mail: zhangquan0108@126.com)

輕型印刷紙是一種高松厚度的文化用紙，定量60 g/m2輕型紙的厚度與80 g/m2膠版印刷紙的厚度相差無幾，因此可以替代膠版印刷紙或其他印刷紙，從而降低生產(chǎn)成本和物流費用[1]。輕型印刷紙采用原色調(diào)，在閱讀時不刺眼，不容易引起疲勞，對保護視力有一定的作用；輕型印刷紙用于圖書和刊物的印刷，紙面挺括、手感柔和，書刊的外表感觀、閱讀、使用、保存均達到理想的效果[2]。輕型印刷紙一般以機械木漿為原料抄造，而現(xiàn)階段我國國內(nèi)的木材纖維原料還相對短缺。2015年我國木漿產(chǎn)量966萬t，進口木漿約1575萬t，木漿自給率僅約35%[3]。這對我國造紙工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展是一個嚴重制約，因此，拓寬輕型印刷紙的纖維原料來源十分必要。

我國麥草資源豐富，2015年麥草漿產(chǎn)量約300萬t，占原生漿的比例達18%[3]，麥草漿短期內(nèi)仍將是我國造紙纖維原料的重要組成部分。麥草化學漿一般用于生產(chǎn)膠版印刷紙等文化用紙，也有部分企業(yè)用于生產(chǎn)衛(wèi)生紙，但這些紙種對麥草漿的成漿白度要求較高。輕型印刷紙對白度的要求較低(白度可低至68%[4])，使用低白度紙漿抄造即可滿足白度要求。降低麥草化學漿成漿白度抄造輕型印刷紙，可以顯著降低漂白化學品用量、減少污染物產(chǎn)生量和廢水排放量。

但是，麥草化學漿抄造輕型印刷時紙張的緊度較大，會降低輕型印刷紙的松厚度。有研究表明[5- 6]，合成硅酸鈣呈疏松多孔結構，在紙張定量和灰分相近時，使用合成硅酸鈣作為填料加填，在改善紙張的松厚度方面具有十分突出的優(yōu)勢。本研究探討了以100%低白度麥草化學漿為纖維原料、合成硅酸鈣為填料抄造輕型印刷紙的可行性。

1 實 驗

1.1 實驗原料

麥草化學漿(取自國內(nèi)某企業(yè)，打漿度43°SR)，漂白硫酸鹽針葉木漿(好升牌，打漿度42°SR)，針葉木化機漿(昆河牌BCTMP，打漿度42°SR)，闊葉木化機漿(國產(chǎn)楊木BCTMP，打漿度41°SR)，合成硅酸鈣(實驗室合成)，輕質(zhì)碳酸鈣(取自國內(nèi)某企業(yè))，其他化工助劑(取自國內(nèi)造紙企業(yè))。

1.2 主要實驗儀器

高速分散機，中國制漿造紙研究院自制；2000MU型激光粒度儀，英國馬爾文公司；NOVA 2000e型比表面積及孔隙度分析儀，美國康塔儀器公司； S-3400N型掃描電子顯微鏡，日本日立公司；Rapid-K ?then型紙頁成形器，奧地利PTI公司；DCP-HDY04型紙張厚度儀，四川長江造紙儀器有限公司；DCP-KZ1000型紙張拉力儀，四川長江造紙儀器有限公司；P95933型Cobb吸水性測定儀，奧地利PTI公司。

表2 合成硅酸鈣和PCC性能

1.3 實驗方法

(1)填料白度、吸油值、沉降體積按照GB/T 19281—2003《碳酸鈣分析方法》測定。

(2)填料粒徑和粒徑分布：高速分散后用Mastersizer 2000型激光粒度儀測定。

(3)堆積密度：用處于自然堆積狀態(tài)下未經(jīng)振實的顆粒物料質(zhì)量與堆積物料的總體積之比表示。

(4)比表面積：按照BET法，采用NOVA 2000e比表面積及孔隙度分析儀測定。

(5)粒子形態(tài)：用S-3400N掃描電子顯微鏡分析。

(6)手抄片和紙張抄造。配漿順序：紙漿→CS→AKD→填料→CPAM；分別在凱塞紙頁成形器和動態(tài)紙頁成形器上抄造手抄片和紙張，定量60 g/m2。

(7)助劑：陽離子淀粉(CS)用量1.0%、AKD用量0.2%，陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)用量0.03%，以上用量均相對絕干纖維質(zhì)量，為確保能與紙漿充分反應，輔料添加的間隔時間為5 min。

(8)紙張物理性能：按照相應國家標準測定。

2 結果與討論

2.1 紙漿和合成硅酸鈣性能分析

紙漿種類和配比對成紙松厚度、抗張強度等性能具有直接影響，輕型印刷紙纖維原料一般以化機漿為主，具有較高的松厚度。本實驗對比了針葉木化學漿、針葉木化機漿、闊葉木化機漿和麥草化學漿手抄片性能，結果如表1所示。

表1 不同漿種漿張性能

從表1可以看出，麥草化學漿手抄片的松厚度最小，抗張強度比化機漿手抄片的高；化機漿手抄片的松厚度均較高。由于麥草化學漿手抄片的松厚度較低，以輕型紙常用填料PCC加填抄造輕型印刷紙存在松厚度低的問題，進而影響紙張挺度、不透明度等性能。合成硅酸鈣是一種高孔隙率填料，有利于提高加填紙張的松厚度、挺度和不透明度。合成硅酸鈣和PCC性能及加填手抄片性能如表2和表3所示。

圖1 合成硅酸鈣的SEM照片

從表2可以看出，與PCC相比，合成硅酸鈣粒徑較粗，有利于填料在抄紙過程中的機械截留；合成硅酸鈣的堆積密度較小、沉降體積較大，預示填料在水相分散體系和漿料中具有良好的懸浮性，有利于填料在紙張中的均勻分布和填料留著率的提高；合成硅酸鈣具有較大的比表面積和吸油值，有利于提高紙張的油墨吸收性，改善印刷效果。從圖1可以看出，合成硅酸鈣呈疏松多孔結構，預期可改善加填紙張的松厚度和適印性。

表3 合成硅酸鈣和PCC加填手抄片的性能

注 紙漿配比：針葉木化學漿∶針葉木化機漿∶闊葉木化機漿=20∶50∶30；PCC加填量為30%，合成硅酸鈣加填量為25%。

從表3可知，在定量和灰分含量相近條件下，合成硅酸鈣加填手抄片的松厚度和抗張強度均明顯高于PCC加填手抄片，松厚度高19%左右，抗張強度高18%左右。

從表1和表3可知，麥草化學漿成紙松厚度較低，與PCC加填相比合成硅酸鈣加填對成紙松厚度和抗張強度均具有十分積極的作用，一方面可以降低麥草化學漿取代針葉木化學漿后的強度損失，另一方面可以減少麥草化學漿取代化機漿后的松厚度損失，使采用麥草化學漿替代木漿抄造輕型印刷紙具有了可能性。

2.2 麥草化學漿配抄對輕型印刷紙性能的影響

以高孔隙率合成硅酸鈣為填料，以輕型印刷紙常用紙漿配比為基礎，逐步提高紙漿中麥草化學漿的比例，考察麥草化學漿和合成硅酸鈣對手抄片性能的影響，結果如表4所示。

表4 麥草化學漿配抄手抄片的性能

注 填料為合成硅酸鈣，加填量為30%。

圖2 麥草化學漿配抄對輕型印刷紙松厚度的影響

從圖2可以看出，隨著麥草化學漿逐漸取代化學木漿和化機漿，手抄片的松厚度稍有下降，主要是由于化機漿本身的松厚度很高，合成硅酸鈣對成紙松厚度的貢獻不足以彌補麥草化學漿取代化機漿后的松厚度損失。

對于常規(guī)填料(如GCC和PCC)來說，填料對紙張松厚度的影響是負面的。因為填料的密度比纖維的高，所以增加填料用量會降低紙張的松厚度[7]。從表4和圖2可知，隨著紙漿中麥草化學漿比例的逐漸提高，手抄片松厚度雖呈下降趨勢，但是，100%麥草化學漿抄造手抄片的松厚度仍然高達2.5 cm3/g以上；同時，從表3和表4可知，在紙漿配比相同的情況下，合成硅酸鈣加填量高的手抄片的松厚度更高，灰分從14.3%提高到19.3%，松厚度從2.54 cm3/g提高到2.69 cm3/g；說明合成硅酸鈣加填可提高手抄片的松厚度，這主要是因為合成硅酸鈣呈疏松多孔結構(見圖1)，同時其粒徑較大，有助于減緩手抄片在干燥過程中的收縮變形，有利于手抄片松厚度的保持。

圖3 麥草化學漿配抄對輕型印刷紙白度和不透明度的影響

從表4和圖3可知，隨著紙漿中麥草化學漿比例的提高，手抄片白度逐漸降低，主要是因為麥草化學漿和合成硅酸鈣本身的白度較低所致；隨著麥草化學漿比例的提高，手抄片不透明度先呈上升趨勢，后趨于平緩，這與紙漿本身的不透明度相關，麥草化學漿的不透明度與化機漿的差不多但高于針葉木化學漿的(見表1)，同時，灰分的提高對手抄片不透明度的上升也具有一定的貢獻。

從圖4可知，隨著紙漿中麥草化學漿比例的提高，手抄片抗張強度先下降后上升，這是因為麥草化學漿抗張強度低于針葉木化學漿而高于化機漿，麥草化學漿取代針葉木化學漿后的手抄片抗張強度有所下降，麥草化學漿取代化機漿后的手抄片的抗張強度呈上升趨勢；100%麥草化學漿抄造手抄片灰分較高的情況下，其抗張強度還要高于低灰分的常規(guī)紙漿配比抄造的手抄片，抗張強度從28.4 N·m/g提高到32.1 N·m/g，與化機漿相比，麥草化學漿具有較好的強度優(yōu)勢。

圖5 麥草化學漿配抄對輕型印刷紙灰分的影響

從圖5可知，隨著紙漿中麥草化學漿比例的提高，手抄片灰分增加，表明合成硅酸鈣的留著率逐漸提高。填料留著是機械截留和膠體吸附的綜合效果，填料粒徑較大時，機械截留對填料的留著占主導作用[8]。麥草纖維沉降速度較化機漿纖維的快，而硅酸鈣密度較小，在抄造過程中沉降較慢，成形過程中麥草漿優(yōu)先形成纖維濾餅，增強了纖維對填料的機械截留作用，從而提高了合成硅酸鈣的留著率。

2.3 動態(tài)紙頁成形器抄造紙張性能

動態(tài)紙頁成形器可以模擬造紙機生產(chǎn)條件，可抄造出與紙機生產(chǎn)紙張物理性能相似的紙張，通過動態(tài)紙頁成形器抄紙實驗進一步驗證麥草化學漿抄造輕型印刷紙的可行性。動態(tài)紙頁成形器抄造紙張的性能如表5所示。

表5 動態(tài)紙頁成形器抄造的輕型印刷紙經(jīng)壓光后的性能

注 填料為合成硅酸鈣，加填量為30%。

從表5可知，在壓光后紙張平滑度相近的條件下，與常規(guī)木漿配比加填PCC紙張相比，100%麥草化學漿加填合成硅酸鈣抄造紙張的松厚度從1.74 cm3/g提高到1.88 cm3/g，抗張指數(shù)從34.2 N·m/g提高到44.5 N·m/g，吸水值從47.0 g/m2降低到35.9 g/m2，不透明度基本保持一致，高達92.6%，白度從80.3%降低到71.7%，但依然符合輕型印刷紙的白度要求。以100%麥草化學漿為原料、合成硅酸鈣為填料抄造的輕型印刷紙的松厚度、抗張強度和抗水性均好于常規(guī)漿料配比(以混合木漿和PCC為主要原料)抄造的輕型紙。

3 結 論

3.1 以合成硅酸鈣為填料，低白度麥草化學漿配抄輕型印刷紙時，隨著紙漿中麥草化學漿比例的提高，填料留著率呈上升趨勢，手抄片的不透明度、抗張強度和抗水性均逐漸提高，松厚度稍有下降，白度下降。

3.2 100%低白度麥草化學漿加填合成硅酸鈣采用動態(tài)紙頁成形器抄紙，填料的留著率較高，成紙質(zhì)量好于常規(guī)漿料配比(以混合木漿和PCC為主要原料)抄造的輕型紙，松厚度從1.74 cm3/g提高到1.88 cm3/g，抗張指數(shù)從34.2 N·m/g提高到44.5 N·m/g，吸水值從47.0 g/m2降低到35.9 g/m2，不透明度基本保持一致，高達92.6%，白度從80.3%降低到71.7%，但依然符合輕型印刷紙的白度要求。

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[2] WAGN Bao. Researching and Producing of High Quality Low Density Printing Paper and its Application Technology[D]. Nnajing: Nanjing Forestry University, 2007. 王 保. 優(yōu)質(zhì)輕型紙的研制及生產(chǎn)應用技術[D]. 南京： 南京林業(yè)大學, 2007.

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(責任編輯：郭彩云)

Manufacture of Low Density Printing Paper Using Wheat Straw Chemical Pulp

ZHANG Quan1,2,*PENG Jian-jun1,2CHEN Xue-mei1,2CHEN Ling-hua1,2SHEN Zhen-huang1,2

(1.ChinaNationalPulpandPaperResearchInstitute,Beijing, 100102;2.NationalEngineeringLabforPulpandPaper,Beijing, 100102)

Manufacture of low density printing paper using low brightness wheat straw chemical pulp mixed with CTMP as fiber saw material and synthetic calcium silicate as fiber was studied. The results showed that, with the proportion of wheat straw chemical pulp increasing gradually, the retention rate of filler, the opacity, tensile strength and water resistance of the handsheet showed an increasing tendency, the bulk and brightness of handsheet decreased. Under similar smoothness condition compared with conventional low density printing paper made of mixed wood pulp and PCC, the low density printing paper made of low brightness wheat straw chemical pulp and synthetic calcium silicate and prepared by using dynamic sheet former had better quality, the bulk increased from 1.74 cm3/g to 1.88 cm3/g, the tensile strength increased from 34.2 N·m/g to 44.5 N·m/g, the Cobb60decreased from 47.0 g/m2to 35.9 g/m2, the opacity kept stable, and the brightness decreased from 80.3% to 71.7%．

low brightness wheat straw chemical pulp； low density printing paper； synthetic calcium silicate

張 權先生，高級工程師；主要研究方向：新型填料開發(fā)及應用，紙張低定量化的研發(fā)。

2017- 04- 24(修改稿)

TS721+.3;TS761.1

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.08.006