應(yīng)用于生活用紙漿料質(zhì)量評估和控制的實(shí)驗(yàn)室濕法起皺技術(shù)

應(yīng)用于生活用紙漿料質(zhì)量評估和控制的實(shí)驗(yàn)室濕法起皺技術(shù)

生活用紙在起皺過程中最重要的性能要求是柔軟度和吸水性，生活用紙不能簡單地在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行生產(chǎn)，最主要的原因是不同種漿料會影響起皺過程以及生活用紙的最終質(zhì)量。該實(shí)驗(yàn)研究了一種實(shí)驗(yàn)室起皺方法，并進(jìn)一步在生活用紙的工業(yè)生產(chǎn)中對于不同種漿料的質(zhì)量進(jìn)行評價和控制。該實(shí)驗(yàn)分為2部分：第1部分是建立一種實(shí)驗(yàn)室濕法起皺技術(shù)從而用于生活用紙漿料質(zhì)量的評價和控制；第2部分是研究起皺設(shè)備和起皺條件，包括原紙的定量、紙頁的干燥以及打漿度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此方法能夠使實(shí)驗(yàn)室抄造的紙頁表面形成皺紋，而且起皺后的紙頁結(jié)構(gòu)被證實(shí)柔軟度和吸水性有所提高。實(shí)驗(yàn)室濕法起皺中不同種漿料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之所以不同，主要是因?yàn)闈{料不同，纖維形態(tài)和機(jī)械處理也不盡相同。實(shí)驗(yàn)所用的漿料主要是桉木漿、甘蔗渣、竹漿和脫墨漿，然后通過控制不同的打漿度來優(yōu)化紙頁的柔軟度、吸水性和強(qiáng)度等性能。

在生活用紙的抄造過程中，起皺是最重要的一道工序。起皺刮刀通過機(jī)械力作用在紙的表面形成一些“皺紋”，從而在一定程度上降低纖維之間的結(jié)合力。起皺過程會使生活用紙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)一步提高紙頁的柔軟度和吸水性，同時紙頁的強(qiáng)度也會有一定的降低。起皺方法通常有干法和濕法2種：干法起皺指的是起皺之后不再需要烘缸進(jìn)行二次干燥的起皺技術(shù)；濕法起皺是指紙頁水分在55%～80%進(jìn)行起皺，其后再進(jìn)行二次烘干。在起皺過程中，起皺條件以及原紙的性能對成紙的柔軟度和吸水性都會有一定的影響。

在起皺過程中，起皺設(shè)備、刮刀角度、起皺比、助劑以及烘缸的表面結(jié)構(gòu)都會對起皺結(jié)果產(chǎn)生巨大的影響。另外原紙的定量、打漿度以及漿料的種類也會影響到起皺后的紙頁性能。在實(shí)際生產(chǎn)中，生活用紙所用的漿料種類很多，這就意味著難以控制漿料的種類，從而影響起皺過程以及最終的產(chǎn)品質(zhì)量。

僅僅在實(shí)驗(yàn)室中難以生產(chǎn)出起皺生活用紙并且沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)來評價實(shí)驗(yàn)室起皺法，這就是控制漿料質(zhì)量的最主要的難點(diǎn)所在。因此實(shí)驗(yàn)室測試所用的紙頁和起皺后的生活用紙會有完全不同的結(jié)構(gòu)和物理、機(jī)械性能。

本次研究的目標(biāo)就是建立一種實(shí)驗(yàn)室起皺方法，使其能夠用來評價各種漿料的質(zhì)量，包括廢紙漿、木漿以及非木漿，從而進(jìn)一步在紙頁的生產(chǎn)過程中控制漿料的質(zhì)量。本實(shí)驗(yàn)室起皺技術(shù)是在濕法起皺的基礎(chǔ)上研究的，同時也對設(shè)備以及起皺條件進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

實(shí)驗(yàn)所用原料均來自某生活用紙生產(chǎn)廠，分別是漂白硫酸鹽桉木漿、漂白竹漿、漂白甘蔗渣和漂白脫墨漿。打漿度根據(jù)ISO 5264-1《紙漿.實(shí)驗(yàn)室打漿第1部分：瓦利（VALLEY）打漿法》進(jìn)行表征。

1.2 方法

實(shí)驗(yàn)室起皺技術(shù)是在濕法起皺的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。起皺設(shè)備主要由2部分組成：足夠長度的玻璃起皺基層和角度可調(diào)節(jié)的160 μm厚的刮刀。原紙的抄造過程中不添加任何的化學(xué)品，抄造的標(biāo)準(zhǔn)是ISO 5369-1《紙漿.物理試驗(yàn)用實(shí)驗(yàn)室紙張的制備.常規(guī)紙頁成形法》。成形后的紙頁寬度為17 cm，定量為30 g/m2，紙頁的干度為20%，以保證紙頁與玻璃起皺基層之間有足夠的黏附力。

在起皺過程中，在濕紙頁表面會再鋪一層吸墨紙，當(dāng)濕紙頁完全與基層貼合時，再取下吸墨紙。用刮刀角度為30°的刮刀在濕紙頁表面進(jìn)行起皺，皺紋形成后將刮刀向后拉，從而在玻璃基層上形成均勻的皺紋，如圖1所示。

根據(jù)ISO 187《紙漿、紙和紙板.溫濕處理和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)大氣及其控制程序與試樣溫濕處理的步驟》，將起皺后的紙頁在（23±1）℃的溫度和（50±2）%的濕度條件下進(jìn)行干燥。最后，將起皺后紙頁的頂層用刮刀刮掉，剩下的部分用于生產(chǎn)紙板。在測試之前，不改變起皺的結(jié)構(gòu)。

圖1 實(shí)驗(yàn)室濕法起皺技術(shù)示意圖

1.3 分析測試

根據(jù)ISO 534《紙和紙板.厚度、密度和比容的測定》對樣品的定量、厚度和緊度進(jìn)行測試。

根據(jù)ISO 1924-2《紙和紙板.拉伸性能的測定.第2部分：恒速拉伸法（20 mm/min）》將試樣裁成50 mm長，在50 mm/min的速度下進(jìn)行抗張強(qiáng)度的測試。

根據(jù)ISO 8787《紙和紙板.毛細(xì)上升的測定.克萊姆（KIEMM）法》對樣品的吸水性進(jìn)行測試。

根據(jù)ISO 5637《紙和紙板.吸水率和浸水后厚度增加量的測定》對樣品的保水性進(jìn)行測試。

根據(jù)TAPPI標(biāo)準(zhǔn)T 451cm-84，用Clark柔軟度-挺度測試儀對樣品的柔軟度進(jìn)行測試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)室法起皺紙頁

圖2表示的是桉木漿抄造的紙頁起皺前后的SEM圖對比。

從圖2可以看出：在300～600 μm的起皺尺寸內(nèi)，起皺后的紙頁被壓彎；沿著起皺線的方向，纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變得松散以及分層，這就增加了紙頁的孔隙率。

圖3是拍攝的厚度方向上的SEM圖。

由圖3也能夠看出紙頁存在分層的現(xiàn)象。

圖4～6顯示了起皺后紙頁的物理和機(jī)械性能。其中，圖4表示了不同的打漿度下紙頁的緊度的不同[緊度的范圍是0.17～0.24 g/cm3，加拿大游離度（以下簡稱“游離度”）的范圍是200～500 mL]。

圖5（a）表示了沿著起皺的方向以及垂直于起皺的方向這2個方向上的抗張強(qiáng)度（抗張指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是 0.76～4.44 N·m/g）。圖 5（b）表示了用 Clark柔軟度-挺度測試儀對紙頁進(jìn)行柔軟度的測試（柔軟度的標(biāo)準(zhǔn)偏差是0.39～2.76 1/g）。

圖2 桉木漿抄造的紙頁起皺前后的SEM圖

圖3 紙頁在厚度方向起皺前后的對比

圖4 不同游離度下紙頁起皺前、后的緊度對比

圖5（a）表明，紙頁垂直于起皺的方向的抗張強(qiáng)度較低，這就說明實(shí)驗(yàn)室法起皺后的紙頁具有各向異性，垂直于起皺方向的紙頁具有更好的松散性。圖5（b）表明，垂直于起皺方向的紙頁的柔軟度變化范圍在3～17 1/g，而未起皺的紙頁的柔軟度變化范圍在0.4～0.8 1/g，幾乎不受游離度變化的影響。

圖6表示的是不同游離度下，紙頁的保水性和吸水速率的變化趨勢（保水性的標(biāo)準(zhǔn)偏差是3.10～10.90 g/m2，吸水速率的標(biāo)準(zhǔn)偏差是0.026～0.142 mm/s）。

由圖6可見，起皺后的紙頁保水性的變化范圍是137～210 g/m2，吸水速率的變化范圍是0.5～1.3 mm/s，均高于未起皺的紙頁。

圖5 不同游離度下紙頁起皺前、后抗張指數(shù)和柔軟度的變化

2.2 工業(yè)用漿料質(zhì)量的評價

實(shí)驗(yàn)所用漿料分別是漂白硫酸鹽桉木漿、漂白竹漿、漂白甘蔗渣和漂白脫墨漿，均來自于生活用紙生產(chǎn)廠。用型號為FS5的Metso纖維分析儀對漿料的纖維形態(tài)進(jìn)行分析；用纖維電位分析儀對纖維的表面能進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出：游離度的范圍為300～500 mL；纖維長的范圍是0.651～1.147 mm；粗糙度的范圍是0.05～0.086 mg/m；Zeta電位的范圍是-35～-95 mV；竹漿的纖維形態(tài)與其余漿種差異較大，竹漿纖維擁有較大的纖維長和較小的Zeta電位；其余漿料的纖維長以及粗糙度均沒有太大的差異。

圖7顯示了不同種漿料起皺后在不同游離度下柔軟度和保水性的差異。

從圖7（a）可以看出：當(dāng)游離度高于300 mL時，不同種漿料起皺后的紙頁柔軟度有較明顯的差異；游離度低于300 mL時，不同種漿料之間的柔軟度差異不甚明顯。結(jié)合圖7的（a）和（b）可以看出：桉木漿的柔軟度和保水性是最好的，竹漿的柔軟度和保水性是最差的；隨著游離度的變化，竹漿的柔軟度和保水性變化不大。

圖6 不同游離度下紙頁起皺前、后保水性和吸水速率的變化

表1 不同種漿料的纖維形態(tài)對比

圖8顯示了柔軟度與抗張指數(shù)的關(guān)系（圖中的回歸方程是分析了所有種類的漿料所得到的）。圖9顯示了不同游離度下漿料的抗張指數(shù)變化趨勢。

圖8表明：抗張強(qiáng)度越低，柔軟度越高；竹漿抄造的紙頁柔軟度是最低的。結(jié)合圖9來看，為了得到較高的柔軟度，需要適當(dāng)?shù)亟档蜐{料的打漿度。

圖10顯示了不同種漿料的抗張指數(shù)與保水性

圖7 不同種漿料起皺后在不同游離度下柔軟度和保水性的差異

圖8 柔軟度與抗張指數(shù)的關(guān)系

從圖10可以看出，桉木漿和甘蔗渣的保水性比竹漿和脫墨漿高。同時也說明，保水性的變化較難影響竹漿和脫墨漿所抄造紙頁的物理性能。

3 結(jié)果與討論

在打漿過程中，實(shí)驗(yàn)室抄造的紙頁的柔軟度和保水性是一直處于變化中的，這就導(dǎo)致了這2個指標(biāo)不易測量，因此研究了起皺的方法。紙頁以最佳的黏附力黏附在玻璃基層上，而紙頁干度、定量和刮刀角度的變化則會影響?zhàn)じ搅推鸢櫝潭?。在此次?shí)驗(yàn)中，努力降低各種因素對起皺結(jié)果的影響，但是漿料的種類和打漿度仍然會對最終的起皺結(jié)果產(chǎn)生不小的影響。實(shí)驗(yàn)室濕法起皺技術(shù)能夠使紙頁產(chǎn)生皺紋，從而改變紙頁的結(jié)構(gòu)（詳見圖2和圖3）。與工業(yè)生產(chǎn)的生活用紙相比較，實(shí)驗(yàn)室抄造的紙頁的纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞的程度較低。另外，實(shí)驗(yàn)室抄造的紙頁中纖維的排列具有各向同性，這也可能是導(dǎo)致成紙與工業(yè)生產(chǎn)的紙頁有所不同的原因。但是，實(shí)驗(yàn)室濕法起皺技術(shù)能夠確定并優(yōu)化紙頁的柔軟度、吸水性和抗張強(qiáng)度等重要的性能，盡管對于未起皺的原紙的這些性能檢測的結(jié)果較為模糊。當(dāng)游離度的范圍在200～500 mL時，紙頁的柔軟度和保水性與漿料有很大的聯(lián)系。根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以說明，實(shí)驗(yàn)室濕法起皺技術(shù)可以在實(shí)際生產(chǎn)中用于評價不同種漿料的質(zhì)量。

圖9 不同游離度下漿料的抗張指數(shù)變化趨勢

圖10 不同種漿料的抗張指數(shù)與保水性的關(guān)系

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，在一定的濾水性能下，用脫墨漿、桉木漿、甘蔗渣和竹漿抄造出的紙頁具有不同的柔軟度、保水值和強(qiáng)度性能。桉木漿和甘蔗渣的質(zhì)量最優(yōu)，抄造出的紙頁在相同的抗張強(qiáng)度下具有更高的柔軟性和保水值。竹漿可以添加在其他的漿料中來提高成紙的強(qiáng)度，但同時會降低紙頁的柔軟度和保水值。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)室濕法起皺技術(shù)能夠提高起皺后紙頁的柔軟度和吸水性。起皺能夠減弱纖維之間的連接，同時增加紙頁的孔隙率。將這種方法應(yīng)用于不同的漿料時發(fā)現(xiàn)，桉木漿和甘蔗渣抄造的紙頁具有更高的柔軟度和保水值。與脫墨漿相比，雖然竹漿所抄造的紙頁的保水值更低，但是具有更高的強(qiáng)度。

（管敏 編譯）

《中華紙業(yè)》2018年征訂啟事

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