轻型纸的制备及其纤维间结合力分析

金海兰 岡山隆之 于 钢

(1.东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨，150040;2.东京农工大学大学院连合农学研究科，日本东京，1838509)

轻型纸的柔软性好、不透明度高、印刷适应性及印刷后原稿还原性好，质量轻而厚，用其印制的图书的质量比用普通纸印制的图书约轻1/4～1/3，方便了读者，也节约了运输和邮购费用。制备轻型纸时，一般配抄GP、TMP等机械浆，但这些机械浆在一些高品质轻型纸中的应用会受到限制，通常通过配抄BCTMP来提高高品质轻型纸的松厚度，但这类轻型纸在长久保存时会返黄。松厚剂的添加可降低纸张紧度，从而提高纸张的松厚度［1-4］，避免由配抄机械浆引起的轻型纸老化问题。本实验通过添加松厚剂来制备轻型纸，研究松厚剂添加条件和抄纸条件对纸张松厚度、光学性能及纤维间结合力的影响。

1 实验

1.1 原料

漂白硫酸盐阔叶木浆，打浆度25.9°SR、36.0°SR;松厚剂:A为脂肪酸酰胺类、B为烷基聚醚胺类;实验室用水为自来水。

1.2 纸张抄造

调节打浆后浆料的浆浓为2%，然后添加松厚剂并搅拌，放置30 min后抄纸。抄纸条件为:pH值为7.5或4.5(用 Al2(SO4)3调节)，浆料温度为常温15℃或加热至40℃，松厚剂添加量为绝干浆质量的0.4%、0.8%、1.2%;干燥条件为 105℃，干燥时间2 min。按 JIS P8222［5］制备定量为 60 g/m2的轻型纸。

1.3 轻型纸性能检测及断面的观察

经24 h恒温恒湿处理后，按文献［6-9］中的方法分别测定轻型纸的紧度、抗张强度、零距抗张强度、白度、光散射系数等性能。利用扫描电子显微镜(SEM)照片观察轻型纸断面。

1.4 松厚剂留着率测定

以氯仿为萃取剂，采用萃取松厚剂的方法测定氯仿萃取率。氯仿萃取率为松厚剂在绝干纸张中所占的质量分数，由氯仿萃取率可推算出松厚剂留着率。

1.5 纤维间结合力分析

一般认为，添加助剂，特别是添加疏水性助剂，会减弱纤维间结合力，从而导致成纸抗张强度降低［10］。本研究采用Page理论详细论述了影响纸张抗张强度的因素。纤维实际接触面积、单位面积的纤维的接触数量和结合数量决定纤维间结合强度的大小，见Page公式。

式中，T为抗张强度;Z为零距抗张强度;A为纤维的平均断面面积;p为纤维密度;g为重力加速度;b为单位面积结合力;P为纤维断面的周长;L为纤维长度;R.B.A.为相对结合面积。

Cildir等［11］基于Page公式进一步提出，防止纸张破裂的抵抗力由单根纤维强度指数(F)和结合强度指数(B)组成。

由Page理论推导出:F=8Z/9。只要测定纸张的抗张强度T和零距抗张强度Z，就可得出纤维间结合强度指数B。本研究通过测定纸张抗张强度和零距抗张强度，并采用Page理论，从单根纤维强度与纤维间结合力方面对轻型纸强度进行了探讨。

2 结果与讨论

2.1 松厚剂对纸张性能的影响

松厚剂对纸张性能的影响如表1所示。由表1可知，添加松厚剂A的纸张(A纸)的紧度比添加松厚剂B的纸张(B纸)的低，表明松厚剂A的松厚效果比松厚剂B的好。纸张抗张强度随紧度的减小而降低。在相同条件下添加松厚剂A和松厚剂B，打浆度分别为25.9°SR与36°SR浆料的成纸性能变化趋势相似，这与松厚剂的作用效果不受浆料打浆度影响的结果相一致［4］。因此，本实验仅对用打浆度为25.9°SR浆料抄造的轻型纸进行讨论。

纸张的光散射系数可作为纤维间结合力的指标，一般光散射系数越小，纤维间结合力越大［12］。从表1可以看出，与空白样相比，A纸的抗张强度明显降低，光散射系数显著增大;而B纸抗张强度和光散色系数变化不明显。此结果表明，本实验中轻型纸抗张强度的降低与纤维间结合力的减弱密切相关。

根据Page理论，纸张抗张强度主要受单根纤维强度和纤维间结合力的影响。由表1可知，1/F变化较小，说明添加松厚剂对单根纤维强度几乎无影响;而1/B增大，说明添加松厚剂(尤其是松厚剂A)会减弱纤维间结合力。分析结果表明，轻型纸抗张强度的降低主要是由于纤维间结合力的减弱所引起。可推断，吸附到阴离子纤维表面的阳离子松厚剂是在后续的压榨、干燥过程中扩展、熔融在纤维表面，使纤维表面的疏水性增强，阻碍了一部分纤维间的结合，最终导致纸张抗张强度降低。同时，纤维表面疏水性的增强妨碍了纤维间的进一步结合，从而使纸张松厚度提高。

表1 松厚剂对纸张性能的影响

添加松厚剂A前后，纸张断面的SEM照片见图1。由图1可知，添加松厚剂A可提高纸张厚度，表明松厚剂A可用于制备松厚度良好的纸张。

2.2 抄纸条件对纸张性能的影响

2.2.1 浆料pH值的影响

浆料pH值和添加松厚剂对纸张紧度的影响如图2所示。由图2可知，在松厚剂添加量相同的情况下，浆料pH值对纸张紧度的影响不明显。随着松厚剂A和松厚剂B添加量的增加，纸张紧度呈降低趋势。松厚剂添加量增加到0.8%以上，A纸的紧度急剧下降，而B纸的紧度降低幅度不大。

在松厚剂添加量0.8%及不同浆料pH值的条件下，纸张的紧度和松厚剂的留着率见表2。由表2可知，浆料pH值对松厚剂留着率的影响不大，松厚剂A和松厚剂B的留着率分别约为70%和25%。松厚剂A的松厚效果比松厚剂B好的主要原因之一是其留着率高。

表2 纸张紧度和松厚剂留着率的变化

浆料pH值和松厚剂添加量对纸张抗张强度的影响见图3。由图3可知，在松厚剂添加量相同的情况下，酸性条件下抄造的纸张抗张强度明显低于中性条件下抄造的纸张。松厚剂A添加量达0.8%及以上时，A纸的抗张强度显著降低，最大降低了25%。B纸的抗张强度也有降低趋势，但变化很小。纸张在酸性条件下的抗张强度比中性条件下弱的另一个原因，是调节pH时添加的硫酸铝粒子会附着在纤维表面，与纤维形成了一种疏水性的离子结合，阻碍了纤维间的结合［13］。

图3 添加松厚剂对纸张抗张强度的影响

利用Page公式计算可得出不同pH值条件下纸张的1/F、1/B(见图4和图5)。与2.1的结果相同，单根纤维强度变化不明显(即1/F变化不大)，而1/B随松厚剂A添加量的增加而增大，特别是酸性条件下的1/B比中性条件下的大，且增加幅度大，即纤维间结合力大幅降低。这与纸张在酸性条件下的抗张强度比中性条件下弱的结果相一致。由图5可知，B纸也显示了同样的变化趋势。这说明，纸张强度的降低主要是由纤维间结合力的减弱导致的。

2.2.2 浆料温度的影响

浆料温度对纸张性能的影响见表3。从表3可看出，浆料温度为40℃时，松厚剂A和松厚剂B的松厚效果良好，且纸张抗张强度基本保持不变。在常温(15℃)条件下添加松厚剂，浆料的保水值降低;而在40℃条件下添加松厚剂，浆料保水值几乎没有变化。这是由于40℃加热处理维持了纤维的润胀性能，纤维表面水分增加，纤维在脱水、干燥过程中容易结合，从而保证了一定的纸张强度。松厚剂作用的发挥主要受脱水、干燥过程等条件的影响，但其机理还不是很明确［14］。

表3 浆料温度对纸张性能的影响

由表3可知，A纸和B纸的单根纤维强度几乎无变化。A纸的1/B在浆料温度为15℃时增大，即纤维间结合力减弱，而在浆料温度为40℃时几乎保持不变，纤维间结合力并没有受到太大影响，维持了纸张强度。此结果说明，通过添加松厚剂制备轻型纸时，对浆料进行一定的热处理可抵消添加松厚剂对纤维间结合力的影响，但结果还有待于进一步的实验证明。

3 结论

添加松厚剂(A为脂肪酸酰胺类、B为烷基聚醚胺类)制备轻型纸，并采用Page理论，从单根纤维强度与纤维间结合力方面对轻型纸强度进行了探讨。

3.1 增加松厚剂A的添加量，纸张变得越松厚，抗张强度的降低也越明显。

3.2 根据Page理论分析得出，纸张抗张强度降低的主要原因是纤维间结合力的减弱。纤维间结合力越弱的纸张松厚度越好，纸张光散射系数的变化也证明了这一结论。

3.3 酸性条件下制备的轻型纸的抗张强度比中性条件下的弱，这是由于松厚剂与硫酸铝粒子阻碍了纸张纤维间的结合。

3.4 在浆料温度40℃时添加松厚剂，可提高纸张松厚度，同时保持一定的成纸强度。这表明，适当地提高浆料温度可保持纤维的保水值，使纤维润胀，增加纤维间的结合，抵消添加松厚剂对纤维间结合力的影响。

［1］越智隆.Challenge to the development of bulky paper in NPI［J］.Japan Tappi Journal，2007，61(1):50.

［2］友田裕一，田中多加志，向川阳一.Density decreaser for paper—Muscut series［J］.Japan Tappi Journal，2006，60(8):47.

［3］高桥广通.A new chemistry for the lighter weight and improved paper production by using“Bulking Promoter”［J］.Japanese Journal of Paper Technology，2000，43(7):14.

［4］曾根成彦，松岛辉幸，川村正明.Paper caliper increaser“PT Product Line”［J］.Japan Tappi Journal，2005，59(9):60.

［5］日本工业标准调查会.JIS P8222—1998 Preparation of laboratory sheets for physical testing［S］.Japan，1998.

［6］日本工业标准调查会.JIS P8223—2005 Laboratory sheets determination of physical properties［S］.Japan，2005.

［7］日本工业标准调查会.JIS P8227—2008 Determination of zero-span tensile strength，wet or dry［S］.Japan，2008.

［8］日本工业标准调查会.JIS P8148—2001 Paper，board and pulps-Measurement of diffuse blue reflectance factor(ISO brightness)［S］.Japan，2001.

［9］全国造纸工业标准化技术委员会.GB/T 10339—2007纸、纸板和纸浆的光散射和光吸收系数的测定［S］.北京，2007.

［10］Robinson J V.Pulp and Paper Chemistry and Chemical Technology［M］.3ed.New York:John Wiley＆ Sons，Inc.，1980.

［11］Cildir H，Howarth P.The effect of re-use on paper strength［J］.Paper Technology，1972，13(5):333.

［12］Page D H.A theory for the tensile strength of paper［J］，TAPPI，1969，52(4):674.

［13］矶贝明.Material science of cellulose［M］.Japan:Univ Tokyo Press，2001.

［14］Asakura K，Isogai A.Effects of internal addition of fatty acid diamide salts on sheet peoperties［J］.Nordic Pulp and Paper Reaserch Journal，2003，18(2):188.