提高瓦楞原纸环压强度的技术探讨

余章书 福建 厦门（361009）

随着造纸包装业迅速发展，包装纸的需求量日益增多，市场竞争的剧烈，也引起包装纸业日益对纸张质量的严格要求和高度重视。一般来说，纸板应具有较好的物理强度性能，如较高的环压强度、耐折强度、抗张强度、耐破强度、撕裂强度、耐磨强度、挺度和适宜的紧度等。某些纸板还具有较好的可压缩强度、电气绝缘性能、尺寸稳定性、适印性和抗流体阻力性以及液体吸收性等。目前用于包装商品的纸板约占纸板总量的90%左右，其中瓦楞纸板是应用十分广泛的材料，其相关的物理性能对于瓦楞纸箱的实际应用具有重要影响。瓦楞原纸作为制造瓦楞纸箱的原材料，其环压强度与瓦楞纸箱的应用性能（如抗压强度）密切相关。本文分析了影响瓦楞原纸环压强度的相关因素，从理论和实践积累经验两方面探索了提高环压强度的途径。

1 对瓦楞原纸和瓦楞纸板物理强度性能的认识

1.1 瓦楞原纸和瓦楞纸板的环压强度

要测定原纸或纸板沿幅宽方向（即垂直于纸张的厚度）的抗压强度比较困难。因为纸或纸板的厚度都很小，要在一张平直的纸上沿垂直于厚度的方向上施加压力，又要原纸或纸板维持形状稳定是难于做到的。若把纸或纸板围成环形，施加压力时其形稳性就好得多。因此，把原纸或纸板围成环形，然后测量其抗压强度，这就是原纸或纸板的环压强度。纸的环压强度是指一定尺寸的环形试样在一定的加压速度下平行受压，压力增大至样品压溃时所能承受的最大压力。自20世纪50年代美国林产品研究所凯利卡托发表了由瓦楞原纸横向环压强度推导出纸箱耐压强度以来，瓦楞原纸和瓦楞纸板的环压强度已引起人们的关注。纸的环压强度可参见G B/T 2679.8－1995规定的方法进行测定。

1.2 瓦楞原纸和瓦楞纸板的平压强度

瓦楞原纸的主要作用是当瓦楞纸板受压变形时，能够使纸板保持原有的厚度，从而使纸板获得较大的惯性矩。瓦楞原纸要能承受应力和应变的作用，在高速起楞时形成均一的瓦楞，并能牢固地与面纸贴合。瓦楞原纸的这种性能可用平压强度来衡量。测定瓦楞原纸平压强度时，先在一定温度和压力下，用槽纹试验仪把瓦楞原纸压成一定形状瓦楞，然后在小型试验机上做平压实验，测定其承载能力（k N）。

瓦楞纸板受到平压载荷而不发生压溃是瓦楞纸板的一个重强度指标。这个指标对于瓦楞纸板在使用时以及在制作纸箱的各个加工过程中，能够保持纸板的原有厚度至关重要。瓦楞纸板的平压强度以垂直作用在纸板单位面积上的力（kpa）来表示。测定瓦楞纸板的平压强度，可以采用小型压力试验机。

1.3 瓦楞纸板的边压强度

瓦楞纸箱用户于产品包装时，要求其防止被压溃、失去刚性。实践表明，体现瓦楞纸箱刚性的一个重要指标是纸箱的抗压强度，此指标又与瓦楞纸板的边压强度密切相关。瓦楞纸板的边压强度是指纸板沿瓦楞纸方向承受压缩载荷的能力，以单位长度上的作用力（N/m）来表示，这一指标可用来比较相似条件下生产的但不是同一批产品的质量，也可用来比较以不同材料生产的瓦楞纸板的产品质量。

1.4 瓦楞原纸的环压强度对纸箱抗压强度的影响

在纸箱制造过程中，瓦楞原纸的环压强度在很大程度上会影响纸箱的整体强度性能，龙其对纸箱的抗压强度影响较大。根据瓦楞原纸的环压强度计算纸箱的抗压强度有许多公式[1]，但较为典型的是凯里科特（kellicutt）公式，即：

式中：P为纸箱的抗压强度；a x2为瓦楞常数（与瓦楞的类型有关）；Z为纸箱周长；J为纸箱常数（与瓦楞的类型有关）；P x为综合环压强度，其中R t为纸箱面纸板、夹层的环压强度，R m为瓦楞原纸的环压强度，r为瓦楞收缩率系数。

从式（1）可以看出，在瓦楞纸箱的其他参数一定的情况下，纸箱的抗压强度与瓦楞原纸的环压强度成正比。

2 影响瓦楞原纸环压强度的因素

2.1 纤维原料与制浆过程

2.1.1 纤维原料的种类

一般来说用于瓦楞原纸生产的原料有木材、草类及废纸。使用何种原料制浆、浆料配比、浆料本身的特性都会影响瓦楞原纸的环压强度。木材纤维包括阔叶纤维和针叶纤维。针叶木纤维长、挺硬，细小纤维含量低，用其抄造的纸板挺度高，但因为纤维较长，不易均匀交织，因此易出现纸页匀度不好的现象。阔叶纤维柔软、纤维较短，较适宜抄造强度要求不高、吸收性能较好、柔韧性良好的纸页。各种工业纸板的下脚料、低级废纸经处理后则可与其他浆种配抄，有利于降低制造成本、节约纤维原料、改进纸的柔软性和弹性等。废纸中黏附的多种杂质若不进行净化处理，势必会造成纤维结合强度下降，从而导致原纸环压强度降低。

就纤维形态化学成分而言，用木浆生产的瓦楞原纸的环压强度比用草浆好。国外的瓦楞原纸一般以阔叶木为原料，多采用半化学制法；目前，瓦楞原纸以废纸浆为主，以废纸为原料生产瓦楞原纸时，控制配比和使用合理的纸浆处理工艺是保证瓦楞原纸环压强度的关键。

2.1.2 制浆打浆过程

不同的制浆方法、打浆工艺都会影响成纸的环压强度。若以废纸为原料，适当的原料分拣及浆料的分级筛选处理对于瓦楞原纸环压强度的提高也具有积极的促进作用。

2.2 抄造工艺

抄造过程对成纸环压强度有很大影响。纸机抄造条件不同,会使成形的纸页中纤维排列情况有所不同。纸机湿部参数对环压强度的影响主要可用纤维取向的变化来解释。纸页在平面和Z向的纤维取向都很重要。纸页平面的纤维取向通过干燥参数的作用而影响环压强度的纵向/横向的比值。Z向取向影响纸页的紧度，该方向的纤维越多，纸页松厚，从而可提高环压强度。流浆箱类型、上浆浓度、、成形器、脱水元件均对纤维成形有影响。

目前，纸页抄造一般采用圆网纸机成形器和长网纸机流浆箱。长网纸机生产的纸页厚度较为均一，物理强度的纵横向指标较好，但紧度较低。在成纸抄造中，应保证纸浆纤维的充分分散，从而使纸页具有良好的匀度，同时还应协调浆速与网速，否则会影响纸页的纵横向拉力比，甚至降低其物理强度指标。

湿压榨是决定成纸结构与强度的重要环节。湿压榨既关系到成纸层间的良好结合，又是控制纸页紧度的重要措施。如果纸页湿压榨达不到要求，纸页中会残存空气，使得湿纸层间结合不良，层间带有气泡的湿纸页到达干燥部时，由于受热，空气泡发生膨胀会导致成纸的“脱层”。成纸的最终强度是在干燥部形成的，为此，干燥部的操作对纸页物理强度的影响很大。在干燥过程中，由于湿纸页水分蒸发，构成纸页的纤维逐渐靠拢并开始紧密结合，从而大大提高了纸页的物理强度。

2.3 瓦楞原纸的特性

纤维的挺度、纤维间的结合力等参数会影响原纸的挺度，进一步影响瓦楞原纸的环压强度。而纸页的挺度主要与厚度及纸页抗拉伸和抗压缩的能力即弹性模量有关。纸页厚度对挺度和环压强度的影响最大。在定量一定时，增加紧度有利于提高纸板纤维间的结合力，从而对裂断长、耐破度等产生积极影响；纸页厚度的降低会对其环压强度产生负面影响，当纤维间结合力的提高弥补不了厚度减少对环压强度的损失时，环压强度就会大幅度降低，导致瓦楞原纸质量档次下降。实验证明，采用不同的纤维原料、制造方法及打浆抄纸工艺，会对纸页的弹性模量产生影响，进而影响成纸的环压强度。

2.4 抄造成纸水分

一般成纸水分含量增加会导致环压强度下降。由于成纸的水分随着相对湿度的变化而变化，相对湿度对于纸页物理特性有着显著的影响，主要体现在对强度特性的影响上。

3 瓦楞原纸环压强度的提高途径

3.1 纤维原料的选用及打浆方式的调整

不同纤维浆料与原纸基本性能之间的关系[2]如表1所示。

从表1可以看出，长纤维浆料比短纤维浆料的挺度低，所以在抄造瓦楞原纸过程中，配用适量的阔叶木浆有利于提高瓦楞原纸的环压强度。

表1 不同原料与原纸基本性能的关系

打浆是改善纸浆纤维成纸性能最好的手段之一。打浆度过低时，成纸虽挺硬但成纸强度可能会很低；打浆度过高时，又会提高成纸的紧度而降低厚度，从而不利于提高成纸的环压强度。为此，对原生木浆和草浆，打浆时可采用游离打浆的方式，草浆应尽量避免纤维的切断以提高成纸的强度；对废纸浆，可采用先疏解后轻度打浆的方法，尽量避免对二次纤维的破坏。在废纸浆打浆过程中，以中浓磨浆代替低浓磨浆，即使磨浆浓度由3%～5%提高到6%～9%，也可使纤维长度免受破坏，同时分丝帚化效果明显改善，有利于纸页各项物理指标的提高，因此适当配用废纸浆不会对成纸环压强度产生较大的负面影响。

目前企业采用新型人字齿形磨片[3]磨浆，适应性广，大大降低能源消耗成本，是改善纸的物理强度,提高经济效益的有效途径。人字齿形磨片也是目前国内首创的节能磨片，值得技术推广。

3.2 抄造工艺参数的优化改进

（1）上网抄造

流浆箱的浆料越浓,纸页内Z向排列的纤维就会越多,成纸紧度就会减小;高浓抄造与低浓抄造相比,前者可降低纤维的定向性,纤维之间的缠绞机会增多,且在纸页平面内的排列更加均匀,这对改善成纸的纵横向比有好处.与传统的低浓成形技术相比,高浓成形技术可使纤维保留率高,纸页环压和层间结合强度好,吨纸节水100 m2以上,节能100kWh以上,且高浓成形装备结构紧凑,占地面积小,设备投资节省三分之二。

纸页成形过程中，浆速与网速正确配合是决定纤维定向排列的重要因素。如果网速大于浆速，那么纤维上网时将受到一个定向力的作用，使纤维纵向排列增加；反之，纤维的横向和竖向排列会有所增加，成纸的纵横向强度比可得到改善。一般认为浆料流速度达到1.6～2.0 m/s[4]、浆速与网速之比为1:0.98时,会使纸页具有较佳的环压强度。

（2）湿压榨

在理论上，湿压榨能提高纸页的紧度从而有利于强化纤维间的结合强度,,但同时会减小纸页的厚度,使纸页环压强度下降。这种湿压榨对环压强度的反作用，又可以从提高纸页的结合强度和提高弹性模量得到补偿。所以在正常情况下`，提高湿压榨的负荷或延长纸页在压区内的停留时间均可提高环压强度。

20世纪80年代初，国际上推出了一种新型纸幅压榨方法，即宽压区压榨，也称为靴式压榨或靴形压榨。靴式压榨在260mm长的靴形板上平均加压4100kpa，相当于在正常压榨方法加压到1000kN/m，它有相对较低的压榨力，再加上可控的压缩率，减少了纸页压溃的可能性。NipcoFlex靴式压榨一般用于包装纸纸机普通压榨之后，目前应用最多的为三压区压榨。运行结果表明，可提高15%的干度，在某些情况下甚至超过上述值。在挂面纸机上可得到51%～54%[5]的最终干度，使纸厂的干燥能力增加了25%。纸页干度的提高必然带来较高的紧度以致于改善环压强度、耐破度、抗张强度、和层间结合强度。Tandem－NipcoFlex压榨适合用于生产高强瓦楞纸、牛皮纸、高耐破纸板，除了可提高干度外，还具有从网部通过压榨区到干燥部为全封闭和运行非常可靠的优点。牛皮箱纸板在所要求的干度下，使用靴式压榨，可使其具有较高的透气度。

采用靴式压榨的优点，其一是脱水能力大。传统的辊式压榨中，压区窄只有20～50mm，作用于湿纸幅的峰形压力过高，容易出现纸幅压溃，所以必须控制低的加压负荷。靴式压榨的压区宽度较宽（200～300mm），可以避免高的峰压，同时，可以加大负荷，强化脱水。因此，压榨出口湿纸页的水分比传统的辊式压榨约降低6%，可以节省20%的干燥蒸汽。靴式压榨的第二个优点是提高纸页的强度，对瓦楞纸而言，在不损伤纸幅的情况下，可以提高纸的紧度，使环压强度、耐破度等强度特性得到改善。

采用大辊径压榨和宽压区压榨并设新型长盲孔带沟纹[6]辊面时，压区宽度增加可明显提高纸页的脱水量（脱水迅速）和主要物理强度，大大降低动力和蒸汽消耗,因而，目前一些高定量纸种如挂面箱纸板和高强瓦楞纸均采用此种压榨方式。表2中给出了几种不同压榨方式的应用参数。

表2 几种不同形式压榨的比较

（3）纸页干燥过程

干燥条件会影响成纸的环压强度,干燥时如果纸页的收缩较大,那么伸长率就会提高,使弹性模量降低;如果阻止纸页收缩,甚至在干燥时将其伸长,则成纸的弹性模量及环压强度都会有所提高。纸页在干燥过程中，要采用合理的干燥曲线以防纸幅横向过大收缩。为此，可采用以下措施：a.采用合适的温度曲线，避免强干燥；b.张紧干毯；c.适当提高下机时成品纸的水分。

（4）纸页干燥过程的半湿软压光

纸幅干燥过程中，干度达到70%左右时，在这种湿热状态下的湿纸幅，纤维具有较高的柔软性，易变形性和弹性，经过三辊半湿软压光机（辊面包聚胺酯材料）后，特别是粗糙面上凹凸不平和细小纤维受到较大压力作用,变得光滑，低面（凹处）上的细小纤维和辅料牢固地结合在纸面上，提高了纸张的平滑度、紧度和表面强度，缩小了平滑度两面差，若水分太低，纤维失去可塑性和弹性，压光效果差。与此同时，纸机若有装置表面施胶机，通过软压而达到光滑平整的纸幅、经表面施胶的施胶量可节省15%～20%。

（5）纸页干燥后经压光

压光会降低纸页厚度，提高纸页紧度，但在干状态下压榨纸页时，纤维的结合并不会像湿状态下得到显著的改善，所以，一般认为纸页的光压操作会降低纸页环压强度。因此，在保证纸页紧度、外观的条件下，应该尽可能降低压光压力、减小压光次数以及采用软压光等，以保证纸页的环压强度在压光时不会受到较大影响。

3.3 合理使用增强性的化学助剂

在纸页抄造过程中常使用增强性的化学助剂来提高环压强度，常用的化学助剂主要有变性淀粉、阳离子高分子聚合物（如C PAM）、聚酰胺（P A E）、三聚氰胺甲醛树脂（M F）、脲醛树脂（U F）等，这些高聚物的分子结构中通常带有羟基、胺基等基团，可与植物纤维分子上的羟基以氢键、离子等结合，可以提高纤维的结合强度，进一步促进纸页挺度和环压强度的提高。化学助剂的使用方法主要有三种，即浆内添加法、表面施胶法和层间喷淋法。使用化学助剂时，既要考虑作用效果，又要考虑生产成本以及对环境的污染影响。

3.4 保持纸页的厚度及适当的细小纤维含量

在定量一定的情况下，增加纸页的厚度时纸页的紧度就会减小，从而降低纤维间的结合力。当纸页厚度增加导致纤维间结合力的减小影响到成纸的环压强度时，通过增大厚度而提高环压强度的目的就不会实现。为此，增加成纸产品的厚度时，一定要兼顾成纸产品的紧度，并使其保持在适当范围内。为此，成纸产品的紧度一般为0.70～0.78 g/c m3之间。

纸产品的强度除了决定于纤维本身的强度外，还决定于纤维与纤维之间的交织结合，而细小纤维的存在又为纤维之间带来了良好效果，因此，在纸页抄造过程中通过使用助留剂等工艺手段提高纸浆中细小纤维的留着，有利于提高成纸的环压强度。

3.5 调整成纸的水分

成纸水分高，会使环压强度降低，因此成纸的水分最好控制在10%以下。抄造生产时，施加一定量的松香等疏水性的胶体物质后，纸的抗水性增加。所以，包装用纸产品也最好具有一定的施胶度，这样的产品在使用过程中吸湿性降低，制成纸箱的含水率也较为稳定，从而较好地保证了纸箱的强度。

4 结束语

影响瓦楞原纸环压强度的主要因素有纤维种类、制浆条件、抄造工艺、成纸特性及成纸水分等；选择适宜的浆料配比、适当调整浆料的打浆和抄造过程的工艺参数对于改善成纸的环压强度具有积极的促进作用；在抄造生产过程中使用以增强为目的的湿部化学助剂是提高成纸环压强度的有效手段；重视化检验的检测监督工作，凭数据说话，则是提高纸成品质量的重要保证。

[1]冯群策.浅谈纸板的挺度和环压强度的影响因素[J].湖北造纸,2002（3）:12

[2]田水辉.瓦楞纸箱的质量检测[J].广东印刷,2004（3）:32

[3]余章书.双盘磨人字齿形磨的创新结构与推广,湖南造纸，2014（1）:46

[4]陈克复.制浆造纸机械与设备（下）[M].北京:中国;出版社1999

[5]蔡文华.靴形压榨在纸机上的应用及探索[J].中华纸业,2004（2）:42

[6]余章书.长形盲孔带沟纹压榨的创新结构与应用.湖南造纸,2012（4）:38