应用于生活用纸浆料质量评估和控制的实验室湿法起皱技术

2017-11-24管敏

造纸化学品 2017年5期

生活用纸在起皱过程中最重要的性能要求是柔软度和吸水性，生活用纸不能简单地在实验室里进行生产，最主要的原因是不同种浆料会影响起皱过程以及生活用纸的最终质量。该实验研究了一种实验室起皱方法，并进一步在生活用纸的工业生产中对于不同种浆料的质量进行评价和控制。该实验分为2部分：第1部分是建立一种实验室湿法起皱技术从而用于生活用纸浆料质量的评价和控制；第2部分是研究起皱设备和起皱条件，包括原纸的定量、纸页的干燥以及打浆度。实验结果表明，此方法能够使实验室抄造的纸页表面形成皱纹，而且起皱后的纸页结构被证实柔软度和吸水性有所提高。实验室湿法起皱中不同种浆料的实验结果之所以不同，主要是因为浆料不同，纤维形态和机械处理也不尽相同。实验所用的浆料主要是桉木浆、甘蔗渣、竹浆和脱墨浆，然后通过控制不同的打浆度来优化纸页的柔软度、吸水性和强度等性能。

在生活用纸的抄造过程中，起皱是最重要的一道工序。起皱刮刀通过机械力作用在纸的表面形成一些“皱纹”，从而在一定程度上降低纤维之间的结合力。起皱过程会使生活用纸的内部结构发生变化，进一步提高纸页的柔软度和吸水性，同时纸页的强度也会有一定的降低。起皱方法通常有干法和湿法2种：干法起皱指的是起皱之后不再需要烘缸进行二次干燥的起皱技术；湿法起皱是指纸页水分在55%～80%进行起皱，其后再进行二次烘干。在起皱过程中，起皱条件以及原纸的性能对成纸的柔软度和吸水性都会有一定的影响。

在起皱过程中，起皱设备、刮刀角度、起皱比、助剂以及烘缸的表面结构都会对起皱结果产生巨大的影响。另外原纸的定量、打浆度以及浆料的种类也会影响到起皱后的纸页性能。在实际生产中，生活用纸所用的浆料种类很多，这就意味着难以控制浆料的种类，从而影响起皱过程以及最终的产品质量。

仅仅在实验室中难以生产出起皱生活用纸并且没有具体的标准来评价实验室起皱法，这就是控制浆料质量的最主要的难点所在。因此实验室测试所用的纸页和起皱后的生活用纸会有完全不同的结构和物理、机械性能。

本次研究的目标就是建立一种实验室起皱方法，使其能够用来评价各种浆料的质量，包括废纸浆、木浆以及非木浆，从而进一步在纸页的生产过程中控制浆料的质量。本实验室起皱技术是在湿法起皱的基础上研究的，同时也对设备以及起皱条件进行了研究。

1 实验

1.1 原料

实验所用原料均来自某生活用纸生产厂，分别是漂白硫酸盐桉木浆、漂白竹浆、漂白甘蔗渣和漂白脱墨浆。打浆度根据ISO 5264-1《纸浆.实验室打浆第1部分：瓦利（VALLEY）打浆法》进行表征。

1.2 方法

实验室起皱技术是在湿法起皱的基础上发展起来的。起皱设备主要由2部分组成：足够长度的玻璃起皱基层和角度可调节的160 μm厚的刮刀。原纸的抄造过程中不添加任何的化学品，抄造的标准是ISO 5369-1《纸浆.物理试验用实验室纸张的制备.常规纸页成形法》。成形后的纸页宽度为17 cm，定量为30 g/m2，纸页的干度为20%，以保证纸页与玻璃起皱基层之间有足够的黏附力。

在起皱过程中，在湿纸页表面会再铺一层吸墨纸，当湿纸页完全与基层贴合时，再取下吸墨纸。用刮刀角度为30°的刮刀在湿纸页表面进行起皱，皱纹形成后将刮刀向后拉，从而在玻璃基层上形成均匀的皱纹，如图1所示。

根据ISO 187《纸浆、纸和纸板.温湿处理和试验的标准大气及其控制程序与试样温湿处理的步骤》，将起皱后的纸页在（23±1）℃的温度和（50±2）%的湿度条件下进行干燥。最后，将起皱后纸页的顶层用刮刀刮掉，剩下的部分用于生产纸板。在测试之前，不改变起皱的结构。

图1 实验室湿法起皱技术示意图

1.3 分析测试

根据ISO 534《纸和纸板.厚度、密度和比容的测定》对样品的定量、厚度和紧度进行测试。

根据ISO 1924-2《纸和纸板.拉伸性能的测定.第2部分：恒速拉伸法（20 mm/min）》将试样裁成50 mm长，在50 mm/min的速度下进行抗张强度的测试。

根据ISO 8787《纸和纸板.毛细上升的测定.克莱姆（KIEMM）法》对样品的吸水性进行测试。

根据ISO 5637《纸和纸板.吸水率和浸水后厚度增加量的测定》对样品的保水性进行测试。

根据TAPPI标准T 451cm-84，用Clark柔软度-挺度测试仪对样品的柔软度进行测试。

2 实验结果

2.1 实验室法起皱纸页

图2表示的是桉木浆抄造的纸页起皱前后的SEM图对比。

从图2可以看出：在300～600 μm的起皱尺寸内，起皱后的纸页被压弯；沿着起皱线的方向，纤维网状结构变得松散以及分层，这就增加了纸页的孔隙率。

图3是拍摄的厚度方向上的SEM图。

由图3也能够看出纸页存在分层的现象。

图4～6显示了起皱后纸页的物理和机械性能。其中，图4表示了不同的打浆度下纸页的紧度的不同[紧度的范围是0.17～0.24 g/cm3，加拿大游离度（以下简称“游离度”）的范围是200～500 mL]。

图5（a）表示了沿着起皱的方向以及垂直于起皱的方向这2个方向上的抗张强度（抗张指数的标准偏差是 0.76～4.44 N·m/g）。图 5（b）表示了用 Clark柔软度-挺度测试仪对纸页进行柔软度的测试（柔软度的标准偏差是0.39～2.76 1/g）。

图2 桉木浆抄造的纸页起皱前后的SEM图

图3 纸页在厚度方向起皱前后的对比

图4 不同游离度下纸页起皱前、后的紧度对比

图5（a）表明，纸页垂直于起皱的方向的抗张强度较低，这就说明实验室法起皱后的纸页具有各向异性，垂直于起皱方向的纸页具有更好的松散性。图5（b）表明，垂直于起皱方向的纸页的柔软度变化范围在3～17 1/g，而未起皱的纸页的柔软度变化范围在0.4～0.8 1/g，几乎不受游离度变化的影响。

图6表示的是不同游离度下，纸页的保水性和吸水速率的变化趋势（保水性的标准偏差是3.10～10.90 g/m2，吸水速率的标准偏差是0.026～0.142 mm/s）。

由图6可见，起皱后的纸页保水性的变化范围是137～210 g/m2，吸水速率的变化范围是0.5～1.3 mm/s，均高于未起皱的纸页。

图5 不同游离度下纸页起皱前、后抗张指数和柔软度的变化

2.2 工业用浆料质量的评价

实验所用浆料分别是漂白硫酸盐桉木浆、漂白竹浆、漂白甘蔗渣和漂白脱墨浆，均来自于生活用纸生产厂。用型号为FS5的Metso纤维分析仪对浆料的纤维形态进行分析；用纤维电位分析仪对纤维的表面能进行分析，结果如表1所示。

从表1可以看出：游离度的范围为300～500 mL；纤维长的范围是0.651～1.147 mm；粗糙度的范围是0.05～0.086 mg/m；Zeta电位的范围是-35～-95 mV；竹浆的纤维形态与其余浆种差异较大，竹浆纤维拥有较大的纤维长和较小的Zeta电位；其余浆料的纤维长以及粗糙度均没有太大的差异。

图7显示了不同种浆料起皱后在不同游离度下柔软度和保水性的差异。

从图7（a）可以看出：当游离度高于300 mL时，不同种浆料起皱后的纸页柔软度有较明显的差异；游离度低于300 mL时，不同种浆料之间的柔软度差异不甚明显。结合图7的（a）和（b）可以看出：桉木浆的柔软度和保水性是最好的，竹浆的柔软度和保水性是最差的；随着游离度的变化，竹浆的柔软度和保水性变化不大。

图6 不同游离度下纸页起皱前、后保水性和吸水速率的变化

表1 不同种浆料的纤维形态对比

图8显示了柔软度与抗张指数的关系（图中的回归方程是分析了所有种类的浆料所得到的）。图9显示了不同游离度下浆料的抗张指数变化趋势。

图8表明：抗张强度越低，柔软度越高；竹浆抄造的纸页柔软度是最低的。结合图9来看，为了得到较高的柔软度，需要适当地降低浆料的打浆度。

图10显示了不同种浆料的抗张指数与保水性

图7 不同种浆料起皱后在不同游离度下柔软度和保水性的差异

图8 柔软度与抗张指数的关系

从图10可以看出，桉木浆和甘蔗渣的保水性比竹浆和脱墨浆高。同时也说明，保水性的变化较难影响竹浆和脱墨浆所抄造纸页的物理性能。

3 结果与讨论

在打浆过程中，实验室抄造的纸页的柔软度和保水性是一直处于变化中的，这就导致了这2个指标不易测量，因此研究了起皱的方法。纸页以最佳的黏附力黏附在玻璃基层上，而纸页干度、定量和刮刀角度的变化则会影响黏附力和起皱程度。在此次实验中，努力降低各种因素对起皱结果的影响，但是浆料的种类和打浆度仍然会对最终的起皱结果产生不小的影响。实验室湿法起皱技术能够使纸页产生皱纹，从而改变纸页的结构（详见图2和图3）。与工业生产的生活用纸相比较，实验室抄造的纸页的纤维网状结构被破坏的程度较低。另外，实验室抄造的纸页中纤维的排列具有各向同性，这也可能是导致成纸与工业生产的纸页有所不同的原因。但是，实验室湿法起皱技术能够确定并优化纸页的柔软度、吸水性和抗张强度等重要的性能，尽管对于未起皱的原纸的这些性能检测的结果较为模糊。当游离度的范围在200～500 mL时，纸页的柔软度和保水性与浆料有很大的联系。根据这些实验结果可以说明，实验室湿法起皱技术可以在实际生产中用于评价不同种浆料的质量。

图9 不同游离度下浆料的抗张指数变化趋势

图10 不同种浆料的抗张指数与保水性的关系

通过研究可以发现，在一定的滤水性能下，用脱墨浆、桉木浆、甘蔗渣和竹浆抄造出的纸页具有不同的柔软度、保水值和强度性能。桉木浆和甘蔗渣的质量最优，抄造出的纸页在相同的抗张强度下具有更高的柔软性和保水值。竹浆可以添加在其他的浆料中来提高成纸的强度，但同时会降低纸页的柔软度和保水值。

4 结论

实验结果表明，实验室湿法起皱技术能够提高起皱后纸页的柔软度和吸水性。起皱能够减弱纤维之间的连接，同时增加纸页的孔隙率。将这种方法应用于不同的浆料时发现，桉木浆和甘蔗渣抄造的纸页具有更高的柔软度和保水值。与脱墨浆相比，虽然竹浆所抄造的纸页的保水值更低，但是具有更高的强度。

（管敏编译）

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