打漿度和纖維配比對(duì)液體包裝紙板面層纖維基片性能的影響

盧詩(shī)強(qiáng) 陳建云 陳 婷 許慧瑜 羅玉瑩

（1.珠海紅塔仁恒包裝股份有限公司，廣東珠海，519000；2.珠海華豐紙業(yè)有限公司，廣東珠海，519000）

液體包裝紙板[1]是造紙行業(yè)的高端產(chǎn)品，對(duì)表面印刷適應(yīng)性要求高，以保證產(chǎn)品包裝獲得高品質(zhì)印刷圖案[2-3]。液體包裝紙板功能性要求高，要求紙板具有優(yōu)異的挺度、松厚度、透氣度、縱橫強(qiáng)度比以及抗水、抗乳酸、抗雙氧水滲漏等性能，使其在印刷、消毒、灌裝、封合等工段中表現(xiàn)優(yōu)異且穩(wěn)定[4-6]。液體包裝紙板在食品安全方面[7]要求嚴(yán)格，對(duì)纖維原料、化學(xué)品、生產(chǎn)過(guò)程、成品檢驗(yàn)和包裝運(yùn)輸環(huán)節(jié)都有嚴(yán)格的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確保產(chǎn)品的安全性[8]。

液體包裝紙板主要由三層（面、芯、底層）或者四層（面、襯、芯、底）漿組成[9-10]，且逐步以三層為主流工藝。不同漿層賦予液體包裝紙板不同性能，其中面層纖維需要有足夠高的強(qiáng)度來(lái)保證紙板在印刷、灌裝、封合工段中不出現(xiàn)表面掉粉、分層和棱角爆裂等品質(zhì)問(wèn)題[11]。紙漿強(qiáng)度由纖維自身的強(qiáng)度、纖維的平均長(zhǎng)度、纖維與纖維間的接觸面積和結(jié)合強(qiáng)度、纖維成形的排布方向、造紙功能性化學(xué)品及成紙水分等共同決定，其中纖維自身強(qiáng)度和纖維與纖維間的結(jié)合力是影響成紙強(qiáng)度的最重要因素[12]。本課題利用液體包裝紙板的實(shí)際生產(chǎn)工藝，探討不同打漿度和纖維配比對(duì)液體包裝紙板面層纖維基片性能的影響，利用抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破度、挺度、松厚度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度等指標(biāo)對(duì)其性能進(jìn)行表征，并通過(guò)壓痕測(cè)試評(píng)價(jià)產(chǎn)品后加工應(yīng)用適應(yīng)性，為液體包裝紙板工藝配方的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供支持。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

銀星牌松木漂白針葉木漿（簡(jiǎn)稱(chēng)針葉木漿），鸚鵡牌樺木漂白闊葉木漿（簡(jiǎn)稱(chēng)闊葉木漿）。

1.2 設(shè)備與儀器

Valmet RF-03 型錐型磨；長(zhǎng)春月明J-DJY100 型紙漿打漿度測(cè)定儀；奧地利PTI RK-H 型紙頁(yè)成型器；長(zhǎng)江造紙儀器DCP-KZ100 型紙張抗張?jiān)囼?yàn)儀；長(zhǎng)江造紙儀器J-SLY1000A 型紙張撕裂度儀；長(zhǎng)江造紙儀器DCP-NPY5600型紙板耐破度儀；L&W 11513242型紙張挺度儀；長(zhǎng)江造紙儀器J-HDY04B（B）型電動(dòng)厚度測(cè)定儀；潤(rùn)湖儀器RH-T541 型紙板層間結(jié)合強(qiáng)度儀；和興模具TP-LPB323 型壓痕儀；HANATEK MFI型壓痕測(cè)試儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 打漿

液體包裝紙板面層定量大，四層網(wǎng)的紙機(jī)可以將面層漿料分成面、襯層上漿，提高產(chǎn)品勻度，具體制漿工藝流程示意圖見(jiàn)圖1。由圖1 可知，面、襯層使用同一混合漿料。正常生產(chǎn)情況下，闊葉木漿包和針葉木漿包按工藝配比碎漿后進(jìn)磨前池，濃度4%，混合漿料通過(guò)Valmet RF-03錐型磨獲得目標(biāo)打漿度后進(jìn)入磨后池，然后再分配到面、襯層混漿池。試驗(yàn)中選取兩種液體包裝紙板測(cè)試工藝配方，使用30%針葉木漿/70%闊葉木漿配比和50%針葉木漿/50%闊葉木漿配比，并通過(guò)改變磨機(jī)加載功率，獲得不同打漿度測(cè)試樣。

圖1 制漿工藝流程示意圖Fig.1 Pulping process diagram

1.3.2 抄片

在PTI 抄片機(jī)上分別抄造定量為（60±2）g/m2和（200±6）g/m2的纖維基片，置于標(biāo)準(zhǔn)大氣條件，溫度（23±1）℃、相對(duì)濕度（50±2）%的恒溫恒濕室中平衡24 h。

1.3.3 分析與測(cè)定

根據(jù)GB/T 451.2—2002 測(cè)定定量；根據(jù)GB/T 451.3—2002 測(cè)定厚度；依照GB/T 22898—2008 測(cè)定抗張強(qiáng)度；依照GB/T 455—2002 測(cè)定撕裂度；依照GB/T 454—2002測(cè)定耐破度；依照GB/T 22364—2008測(cè)定挺度；依照GB/T 26203—2010 測(cè)定結(jié)合力。其中挺度和壓痕測(cè)試按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)使用（200±6）g/m2的纖維基片測(cè)定，其他指標(biāo)使用（60±2）g/m2纖維基片測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 打漿和纖維配比對(duì)抗張強(qiáng)度影響

圖2 為打漿和纖維配比對(duì)纖維基片抗張指數(shù)的影響。由圖2中可以看出，提高打漿度對(duì)纖維基片的抗張強(qiáng)度改善明顯，通過(guò)打漿可以提高纖維與纖維間的交織幾率和結(jié)合強(qiáng)度，抗張指數(shù)升高；但打漿度過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致纖維平均長(zhǎng)度和強(qiáng)度受損，抗張指數(shù)反而下降。兩種配比纖維基片抗張指數(shù)在打漿度（30±2）oSR獲得最大值；30%針葉木漿/70%闊葉木漿配比，打漿度在32oSR 時(shí)纖維基片獲得最大抗張指數(shù)61.5 N·m/g，較打漿前提高100.3%；50%針葉木漿/50%闊葉木漿配比，打漿度在29oSR時(shí)纖維基片獲得最大抗張指數(shù)68.2 N·m/g，較打漿前提高227.2%；針葉木漿配比增加20%，纖維基片抗張指數(shù)提高11.0%。

圖2 打漿和纖維配比對(duì)纖維基片抗張指數(shù)的影響Fig.2 Effect of beating degree and mixed pulp ratio on tensile index

2.2 打漿和纖維配比對(duì)撕裂強(qiáng)度影響

研究表明紙張發(fā)生撕裂是把纖維從紙張中拉出，或把纖維扯斷，因此，纖維的平均長(zhǎng)度和自身強(qiáng)度是紙板撕裂度的決定因素，但纖維排列方向、交織情況、纖維與纖維間結(jié)合強(qiáng)度同樣影響著成紙的撕裂強(qiáng)度[13]。圖3 為打漿和纖維配比對(duì)纖維基片撕裂指數(shù)的影響。由圖3中可以看出，隨著打漿度的增加，纖維基片撕裂指數(shù)先升高后降低，兩種漿料配比纖維基片的撕裂指數(shù)均在打漿度22oSR 獲得最大值，其中30%針葉木漿/70%闊葉木漿配比的纖維基片撕裂指數(shù)為12.3 mN·m2/g，較打漿前提高21.5%；50%針葉木漿/50%闊葉木漿配比纖維基片撕裂指數(shù)為13.4 mN·m2/g，較打漿前提高27.4%；針葉木漿配比增加20%，纖維基片撕裂指數(shù)提高8.6%。

圖3 打漿和纖維配比對(duì)纖維基片撕裂指數(shù)的影響Fig.3 Effect of beating degree and mixed pulp ratio on tear index

2.3 打漿和纖維配比對(duì)耐破度影響

圖4 為打漿和纖維配比對(duì)纖維基片耐破指數(shù)的影響。由圖4中可以看出，提高打漿度對(duì)纖維基片耐破度改善明顯，通過(guò)打漿可以提高纖維與纖維間的交織幾率和結(jié)合強(qiáng)度，耐破度提升；但打漿度過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致纖維平均長(zhǎng)度和自身強(qiáng)度過(guò)度受損，耐破度反而下降。兩種纖維配比混合漿料耐破指數(shù)均在打漿度（30±2）oSR 獲得最大值。30%針葉木漿/70%闊葉木漿配比，打漿度在32oSR 時(shí)纖維基片耐破指數(shù)獲得最大值5.39 kPa·m2/g，較打漿前提高120.0%；50%針葉木漿/50%闊葉木漿配比，打漿度在29oSR時(shí)纖維基片耐破指數(shù)獲得最大值5.82 kPa·m2/g，較打漿前提高84.8%；針葉木漿配比增加20%，纖維基片耐破指數(shù)提高8.0%。

圖4 打漿和纖維配比對(duì)纖維基片耐破指數(shù)的影響Fig.4 Effect of beating degree and mixed pulp ratio on burst index

2.4 打漿和纖維配比對(duì)挺度影響

挺度是衡量紙和紙板耐彎曲強(qiáng)度的指標(biāo)，挺度的大小決定著紙盒抗彎、抗壓、抗扭矩的能量和承受外界壓力而不彎曲或破壞的能力。GB/T 18192—2008《液體食品無(wú)菌包裝用紙基復(fù)合材料》規(guī)定了不同容量帶覆膜的液體包裝紙挺度值的下限。圖5為打漿和纖維配比對(duì)纖維基片挺度的影響。從圖5 中可以看出，隨著打漿度的增加，挺度值先升高后降低，兩種配比纖維基片在打漿度（26±1）oSR 挺度獲得最大值。適度打漿可以提高纖維基片緊度，增加纖維與纖維間的交織幾率和結(jié)合強(qiáng)度，有助于挺度值增加；打漿過(guò)多，纖維長(zhǎng)度和強(qiáng)度損失過(guò)度，挺度反而降低。30%針葉木漿/70%闊葉木漿配比，打漿度在27oSR時(shí)纖維基片挺度獲得最大值86.5 mN·m，較打漿前提高26.7%；50%針葉木漿/50%闊葉木漿配比，打漿度在25oSR 時(shí)纖維基片挺度獲得最大值85.9 mN·m，較打漿前提高14.2%；針葉木漿配比增加20%，挺度值反而下降0.7%。

圖5 打漿和纖維配比對(duì)纖維基片挺度的影響Fig.5 Effect of beating degree and mixed pulp ratio on stiffness

2.5 打漿和纖維配比對(duì)松厚度影響

圖6 為打漿和纖維配比對(duì)纖維基片松厚度的影響。由圖6可以看出，隨著打漿度的升高，纖維基片的松厚度降低。纖維基片針葉木漿配比增加，松厚度反而下降，其主要原因?yàn)椋涸黾俞樔~木漿配比，相同打漿度下，噸漿磨漿能耗會(huì)增加；長(zhǎng)短纖混合打漿，在磨片選型上往往會(huì)偏向于考慮長(zhǎng)纖，磨齒寬，溝槽寬且深，以避免運(yùn)行過(guò)程中磨機(jī)堵塞，但這樣也會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程中長(zhǎng)纖打漿過(guò)度，短纖打漿不足，即無(wú)法使混合漿料中的長(zhǎng)短纖同時(shí)獲得最佳的打漿性能。液體包裝紙板工藝設(shè)計(jì)及生產(chǎn)過(guò)程中，在確保產(chǎn)品各項(xiàng)物理強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求下，應(yīng)盡可能保留紙板纖維層的松厚度和透氣度，高松厚度、輕挺度是液體包裝紙板產(chǎn)品的主流發(fā)展方向，它既可以節(jié)約原材料成本，減少能耗，又可以改善紙板后加工段復(fù)合和壓痕的適應(yīng)性。

圖6 打漿和纖維配比對(duì)纖維基片松厚度的影響Fig.6 Effect of beating degree and mixed pulp ratio on bulk

2.6 內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度

內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度是指紙或紙板厚度方向（Z向）剝離單位面積所需要的能量，其反應(yīng)出紙或紙板厚度方向（Z向）網(wǎng)絡(luò)交織結(jié)構(gòu)及剝離強(qiáng)度，Scott 內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度測(cè)定是目前應(yīng)用最廣泛的一種[14-15]。GB/T 31122—2014 規(guī)定液體包裝用紙板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度≥150 J/m2。圖7為打漿和配比對(duì)纖維基片內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響。由圖7中可知，30%針葉木漿/70%闊葉木漿配比，打漿度16oSR 時(shí)，纖維基片內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為151 J/m2，已滿足國(guó)標(biāo)要求，隨著纖維基片打漿度的提高，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度上升；打漿度27oSR 時(shí)，纖維基片內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度上升至311 J/m2，針葉木漿配比由30%增加至50%，纖維基片的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)一步提升。提高面層纖維基片的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度既可以提升液體包裝紙板的整體層間內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度，還可以改善紙板應(yīng)用中的印刷適應(yīng)性和聚乙烯（PE）覆膜牢度。

圖7 打漿和配比對(duì)纖維基片內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響Fig.7 Effect of beating degree and mixed pulp ratio on Scott bond

2.7 壓痕測(cè)試

在液體包裝紙板上實(shí)施壓痕工藝，可有效避免棱角處爆裂，確保包材在灌裝機(jī)上使用流暢，成型后外觀平整飽滿，折角筆直挺刮，壓痕效果還直接影響到后加工段的PE 復(fù)合質(zhì)量。使用50%針葉木漿/50%闊葉木漿配比，測(cè)試不同打漿度纖維基片的壓痕效果，壓痕測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，壓痕測(cè)試實(shí)景圖見(jiàn)圖8。從表1 可知，相同測(cè)試條件下，打漿度29oSR 的纖維基片，壓痕寬度最大，壓痕深度適宜，壓痕處挺度保留率最高；從壓痕測(cè)試實(shí)景圖8 來(lái)看，打漿度29oSR 纖維基片的壓痕效果和質(zhì)量最好。壓痕測(cè)試結(jié)果表明，50%針葉木漿/50%闊葉木漿配比，打漿度29oSR 時(shí)，纖維基片的壓痕測(cè)試數(shù)據(jù)和效果表現(xiàn)佳，說(shuō)明提高面層纖維基片抗張強(qiáng)度和耐破性能，可以提高產(chǎn)品壓痕適應(yīng)性，改善加工應(yīng)用工段的流暢性，減少折爆風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 不同打漿度的壓痕表現(xiàn)Fig.8 Crease performance of different beating degree

表1 壓痕測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Crease test data

3 結(jié)論

3.1 50%針葉木漿/50%闊葉木漿配比，纖維基片撕裂指數(shù)在打漿度22oSR 時(shí)獲得最大值13.4 mN·m2/g，較打漿前提高27.4%；挺度在打漿度25oSR 時(shí)獲得最大值85.9 mN·m，較打漿前提高14.2%；耐破指數(shù)和抗張指數(shù)同時(shí)在打漿度29oSR 時(shí)獲得最大值5.82 kPa·m2/g 和68.2 N·m/g，較打漿前提高84.8% 和227.2%。

3.2 50% 針葉木漿/50% 闊葉木漿配比，打漿度29oSR 時(shí)，纖維基片的壓痕測(cè)試數(shù)據(jù)和效果表現(xiàn)佳，說(shuō)明提高面層纖維基片抗張強(qiáng)度和耐破性能，可以提高產(chǎn)品壓痕適應(yīng)性，改善加工應(yīng)用工段的流暢性，減少折爆風(fēng)險(xiǎn)。