采用白水循环方法制备手抄片以评价细小纤维对纸张性能的影响

2016-04-27宋顺喜

造纸化学品 2016年1期

在造纸过程中，由于细小纤维对纸张的机械性能影响显著，因此，测定细小纤维的含量以及制备细小纤维含量恒定的手抄片对于评价不同种类的细小纤维的影响尤为重要。实验采用配备有白水循环装置的快速纸页成形器抄造定量为60 g/m2的手抄片、流式细胞仪表征纤维形态，采用3种不同的抄片器的成形网（120、325和500目）对白水循环的方法进行了评价；当采用325目成形网抄纸时，从第8张手抄片开始，细小纤维含量达到恒定。该方法可用于评价初级细小纤维、二次细小纤维以及纤维素添加剂对手抄片性能的影响。

1　概述

在对化学浆和机械浆的组分研究中，有关细小纤维对纸张成形和性能的影响备受关注。与纸浆纤维相比，细小纤维由于其比表面积大，因此是影响不同纸浆和纸张性能的重要因素。在评价细小纤维对手抄片性能的影响时，通常需要固定细小纤维含量以准确地推断实验结果。

根据北欧纸浆、纸和纸板测试委员会的定义[SCAN-CM 66：05（2005）]，细小纤维是能通过孔径为76 μm筛网（200目）的组分。这些粒子可进一步细分，包括化学浆的细小纤维、机械浆的细小纤维以及初级细小纤维和二次细小纤维。机械浆含有大量的细小纤维（20%～30%），从而可影响纸张的不透明度和强度。有研究人员对机械浆细小纤维分成了“Mehlstoff”和“Schleimstoff”等2类，分别指高木素含量、低键合能力的粗短粒子以及分丝帚化且高键合能力的粒子。有研究表明，机械浆中分丝帚化的细小纤维主要来自于纤维的初生壁和次生壁，而片状细小纤维主要来自于胞间层。化学浆中的细小纤维含量低于机械浆中的细小纤维含量。磨浆程度不同，浆料中细小纤维的含量可以很少，也可达到10%～12%。初级细小纤维在制浆工段形成，主要包括部分胞间层、射线细胞，薄壁细胞以及纤维碎片。与纸浆其余组分相比，这部分细小纤维含有更多的抽出物和木素。纸浆经过磨浆处理后便会产生二次细小纤维。这主要是由于机械作用造成纤维细胞初生壁和次生壁的剥落所形成的。研究人员对二次细小纤维的影响研究较多。例如，经过Valley打浆机打浆2 h所得到的细小纤维，添加15%的用量可使硫酸盐浆手抄片获得更高的抗张强度。同时发现，与长纤维组分相比，二次细小组分可造成纸张的紧度和光学性能变化以及较高的阴离子电荷。另外，在纸浆中添加二次细小纤维也延长纸料的滤水时间。

二次细小纤维对纸料滤水、纸张强度以及孔隙率的影响与初级细小纤维有所不同。有研究表明，二次细小纤维具有纤丝状的特点，使得纤维之间的接触更加紧密，从而增强纤维之间的键合能力，导致纸张抗张强度的提高。与初级细小纤维相比，二次细小纤维对纸张抗张强度的提高作用更大。另有研究表明，初级细小纤维形态为粗短形状，起到连接纤维的作用，有利于提高纤维接触面积；但是相比而言，二次细小纤维更加有效。其他研究也表明，二次细小纤维具有更高的比表面积，填充在纤维网络孔隙间会降低纸张的厚度和孔隙率。在化学浆和机械浆中添加分丝帚化的二次细小纤维有利于提高纸张的抗张强度，其原因主要是其拉近了纤维之间的距离；但是，当手抄片中硫酸盐浆细小纤维的含量超过15%时，可显著降低纸张的光散射性能。

前期研究表明，细小纤维可影响到纸浆和纸张的许多性质，如厚度、抗张强度、滤水性能、透气度以及光散射性能。为了在实验室条件下研究不同种类细小纤维的影响，最重要的问题是如何在手抄片中能够保持细小纤维含量的恒定。为了解决这个问题，主要采用了以下3种方法：

（1）采用真空过滤的方法，在滤纸上制备手抄片；根据ISO 3688（1999）方法测定手抄片的蓝光漫反射因子；

（2）在薄膜上制备手抄片；

（3）采用白水循环方法制备手抄片。

虽然前2种方法所制备的手抄片的细小纤维含量恒定（留着几乎100%），但是存在2个缺点：一是滤纸和薄膜的小孔会造成纸浆滤水速度很慢；二是在手抄片成形过程中细小纤维与长纤维的沉降行为不一致导致该方法中的细小纤维与真实手抄片中细小纤维的分布有所不同。

采用白水循环方法不仅可解决上述方法的缺陷，同时也可避免沉降作用。采用白水循环方法抄造手抄片时，经过抄造多张手抄片后，细小纤维的含量可保持恒定，进而测定手抄片的性能。有研究者采用类似方法，在抄造10张手抄片后，纸张的细小纤维含量可保持稳定。还有研究者采用了北欧纸浆、纸和纸板委员会推荐的方法[SCAN-CM 64：00（2000）]，即采用白水循环的系统，将纸张中细小纤维的含量与滤水时间建立起某种关系。

本研究主要针对保持手抄片中的细小纤维含量恒定以及细小纤维含量测定的可靠方法进行研究。虽然BDDJ测定细小纤维含量既精确又简单，但却需要耗费大量的时间，因此实验采用L&W Fiber Tester Plus测试仪代替BDDJ测定细小纤维含量。为了提高实验效率、降低纤维用量，采用流式细胞仪测定纤维形态。通过采用3种不同的成形网，即120、325和500目，研究初级细小纤维、二级细小纤维和纤维素添加剂对手抄片性能的影响。

2　实验

采用漂白针叶木硫酸盐浆（为云杉和松木的混合浆）进行实验。根据SCAN-CM 66：05（2005），采用Britt动态滤水仪分离浆料中的初级细小纤维。该方法原本用来测定浆料中细小纤维的含量，但也可以用于分离细小纤维。采用实验室Hollander打浆机对分离细小纤维后的浆料进行打浆处理2 h以产生二次细小纤维，并采用Britt动态滤水仪将其分离出来。采用烧杯收集细小纤维并使其沉淀；然后测定2种细小纤维悬浮液的固含量并进行浓缩以进行实验。实验所采用的第3种细小组分是市售纤维素添加剂。

实验首先采用瑞典制造的L&W纤维测试仪对初级细小纤维、二次细小纤维以及纤维素添加剂进行测试，然后再加入到纸浆中，根据ISO 5267-1方法测定混合浆料的肖伯尔打浆度。

2.1采用白水循环方法制备手抄片

采用配备有白水循环装置的快速纸页成形器抄造定量为60 g/m2的手抄片。由于成形网网目可影响细小纤维的留着，所以实验采用120（开孔直径125 μm，成形器配备的标准网目）、325（开孔直径44 μm）以及500目（开孔直径25 μm）等3种成形网抄造手抄片。所选择的网目对浆料滤水性能的影响并无显著差异。

在实验过程中，抄造每张手抄片产生的白水存于单独的水箱中，用于抄造下一张手抄片。随着手抄片数量的增加，白水中的细小纤维含量不断增加直至达到稳定。此后，每张手抄片的细小纤维含量与抄造所用浆料中的细小纤维含量相同。

手抄片制备好平衡24 h后，测定厚度[DIN EN ISO 534（2011）]，透气度[ISO 5636-3（2013）]以及裂断长[DIN EN ISO 1924-2（2009）]。

2.2细小纤维含量的测定

采用L&W纤维测定仪（基于形态特征分析）测定每张手抄片中细小纤维的含量。“细小纤维含量”定义为长度小于200 μm微粒所占的总微粒数的比例。

3　结果与讨论

采用L&W纤维测试仪对不同细小纤维进行分析，其长度分布如图1所示。

图1　不同细小纤维的重均长度分布

由图1可见，2种细小纤维和纤维素添加剂的尺寸大部分都小于200 μm。其中，与二次细小纤维相比，初级细小纤维的平均长度更大，而纤维素添加剂的尺寸分布主要分布在100 μm以下，因此它是本研究中尺寸最小的组分。

采用3种不同的细小组分抄造手抄片后，对纸张中的纤维长度进行了测定。图2显示了细小纤维含量与采用白水循环的方法制备的手抄片数量（算术平均值）的关系。

与其他研究不同，实验对留在手抄片中的细小组分含量进行了测定。除此之外，还研究了3种不同网目的成形网对细小纤维留着性能的影响。结果表明：与120目成形网相比，较小孔尺寸的成形网（如500目）可留着更多含量的细小纤维；随着手抄片数量的增加，其中的细小纤维含量也逐渐增加并最终趋于稳定。图2表明，采用500目成形网抄造手抄片时，第3张手抄片开始细小纤维含量便趋于稳定，而采用325目和120目成形网时，细小纤维含量要达到稳定状态需要手抄片的数量分别为5张和7张。采用500目成形网时虽然浪费的手抄片数量最少，但是实际上，由于纸页和成形网之间有较高的毛细管作用力使得纸张很难不被破坏而剥离下来，最终无法对其进一步研究。这对于未打浆的浆料来说更是如此。因此，采用325目成形网进行后续实验以研究初级细小纤维、二次细小纤维以及机械法制备的纤维素添加剂对手抄片性能的影响。

图2　不同成形网网目对细小纤维留着的影响

3组实验采用无细小纤维的未磨硫酸盐浆料，通过加入初级细小纤维、二次细小纤维以及纤维素添加剂制备手抄片，以考察其对纸张性能的影响。细小纤维的用量为4.8%，这与未磨浆料中初级细小纤维的含量相同。手抄片制备好后，测定其质量、厚度、透气度、滤水性能和裂断长，为了确保每组纸样细小纤维含量相同，实验取第8张之后的纸样进行检测，其结果如图3所示。

从图3可以看出，添加二次细小纤维后，纸张的紧度和裂断长提高而滤水性能和透气度降低。有研究认为细小纤维和纤维之间较高的毛细管作用力可改善纸张性能：细小纤维的存在会拉近纤维之间的距离，从而降低孔隙率和透气度；与初级细小纤维和纤维素添加剂相比，二次细小纤维的这种作用更加强烈；与初级细小纤维相比，二次细小纤维细纤维化程度和表面电荷更高，从而有利于提高纸张的紧度；因此，这不仅增加了键合面积也增加了键合强度。有研究表明，添加初级细小纤维可使纸张的抗张强度提高约5%，而若采用经过磨浆后的细小纤维则可提高近30%。另有研究表明，当添加10%的二次细小纤维或者15%的初级细小纤维，均可使纸张的抗张强度提高30%。本实验添加二次细小纤维纸张的裂断长比添加初级细小纤维的纸张高84%。

图3　不同类型的细小纤维对手抄片性能的影响

含有初级细小纤维和纤维素添加剂的纸张表现出了相似的性能，且添加纤维素添加剂的浆料的滤水性能更好。机械法制备的纤维素添加剂长度较短，但是其宽度很大，这些球状颗粒可能导致透气度更高。由于该仪器的测试上限为5 000 mL/min，因此无法测定该样品的真实透气度。此外，浆料的滤水性能的改善也反映出了纸张中的孔隙并未被纤维素添加剂堵上，因此手抄片中纤维素添加剂起到了扩充作用。