探析纸浆模塑湿部化学原理及其对设备、模具和制品设计的影响

■ 文/刘志忱

纸浆模塑行业异军突起，发展很快，逐步趋于成熟，但新行业从业人员缺乏相关理论知识，会影响生产和产品质量，生产顺利时不甚了解顺利的原因，生产不顺利时很难准确找出问题的所在。学一些相关理论知识，知其然也要知其所以然，有助于开发新产品，合理使用新设备和设计模具，促进行业发展。

纸浆模塑行业发展初期，大部分产品原料都是使用废纸，制品是先干燥后整形的内包装制品。制品的形位公差、尺寸公差和外表都要求不严。近年来发展起来的精品包装、快餐具和食品包装都使用原浆纸，对制品要求很高，研究纸浆模塑湿部化学原理尤为重要。

1 纸浆模塑湿部化学定义

纸浆模塑湿部化学是论述纸浆料中的各种组分，如纤维、水、填料、化学助剂等在成型机模腔滤水、留着、成型及在白水循环过程中产生的相互间反映与作用的规律以及影响成型机的运行和制品质量的一门学科。

这里提到的纸纤维是指植物秸秆经过蒸煮和分丝帚化加工后才能得到的纤维，含有大量羟基和氢氧键，长度在1～7 mm，直径在20～50μm，壁厚在3～7μm，形态为中空两端尖尖的微观物料，与通常讲的纤维有本质区别。

湿部化学中提到的纸浆组分中的水起到介质作用，即水桥。各种组分和配料都是悬浮在水中。在工艺的各个阶段中，水直接起作用，既起到溶解助剂，水合和润胀纤维的作用，还起到湿纸坯形成时化学反应的介质环境。

填料和化学助剂是指助留剂、助滤剂、干强剂、湿强剂、消泡剂、防泡剂、防腐剂和色料等。

2 纸浆模塑湿部化学原理与作用

从湿部化学原理开始，借助表面化学和胶体化学研究纤维助留、助滤和脱水等形成机理与过程，从而使纸浆模塑模具设计更加完善和理性化，从而提高产品质量和降低成本。

组成浆料的组分除了纤维以外，其余的组分颗粒直径均在胶体颗粒范围之内（即直径小于10μm）。由于胶体颗粒具有很大的比表面积，这些组分具有很强的吸附能力，化学反应都发生在这些颗粒的表面。此外，湿部化学的反应与整个浆料疏水胶体系统有关，因此在湿部成形过程中发生的各种变化，主要涉及胶体化学和表面化学的反应。

湿部化学研究的目的是通过在浆料中施加填料和助剂来改变制品的成型过程和改善制品的质量。以提高纸品最终使用性能与质量为主要作用的一类助剂被称为功能性助剂；另一类以促进和改善成型过程为主，防止产生干扰和减少原料和能源消耗的，被称之为过程助剂。

过程助剂有助留剂、助滤剂、树脂控制剂、湿强剂、防腐剂和网膜清洗剂等。功能性助剂有干强剂、防水剂、防油剂、染料、增白剂、柔软剂等。助剂与添料是以水为桥（介质环境），以离子形式吸附在纤维和细小纤维表面以改善其滤水性、留着性或增强纤维间的结合强度。

湿部化学除研究助剂之外，更主要的是研究纤维和细小纤维的化学特性，主要表现为吸附性能、润胀性能、离子交换性能。这些性能都受到纤维和细小纤维比表面积、表面电荷和表面化学组成的影响。

由于细小纤维的体积小，单位质量有很大的表面积，据Marton研究报告确定，细小纤维表面积是纤维的5至8倍，表面积直接影响吸附。化学助剂主要是通过吸附过程起作用，所以细小纤维在湿部化学中起到主要作用。细小纤维吸附能力是纤维的2至3倍，细小纤维对滤水作用也产生重要影响，细小纤维在配料中占有40%～60%的量，因而，细小纤维的留着对浆料有效作用是关键。

有些纸浆模塑企业目前还没有注意到湿部化学研究将直接影响模具设计和成型机操作的重要性，生产线中缺乏对湿部化学测量和控制手段，在模具设计和评价中更没有使用纤维留着率测定仪。

了解纸浆模塑机理，掌握湿部化学的变化规律，调整化学助剂的加入点，加入量有利于模具设计和成型机的运行。没有纸浆模塑理论指导，设计出来的模具是知其然而不知所以然，很难生产好的制品；更重的是会影响生产工艺，造成大量材料和能源的浪费。

3 留着与模具的关系

留着是抄造纸的术语，是指导浆料中的纤维被成型网模截留从而形成纸制品。其定义包含两个内容：一是指送到成型机湿部的物料数量与热定型后的纸制品物料数量之比，二是单程留着是湿纸坯在热定型前所含物料数量与热定形后物料数量之比。

浆料中的细小组分是一种很细小的颗粒状物料，一般指能通过60目网孔眼的部分为细小纤维（Jaycoc）。对其某种浆种，细小纤维在配料中占有50%左右的量，所以研究留着实际上是针对这些组分。细小纤维的留着，最终是通过机械截流完成的。机械截留是指通过纤维沉淀在网模上形成垫的缝隙来抓住细小纤维。开始时，由于形成网模的孔洞比纤维颗粒大得多，只有浆料中的长纤维部分被成型网模截留。更多的细小纤维才会在更密的浆垫上被截留。

从细小纤维定义来看，是能通过60目网孔的组分。而一般网模网孔都在40～65目，为了防止细小纤维大量流失，利用湿部化学方法使其浆料中产生胶体聚集。细小纤维的胶体聚集是使细小纤维留着的主要方法。包括有纯细小纤维组分形成的絮凝物以及含有纤维的细小纤维组分絮凝物，在后者中，细小纤维吸附在纤维表面上，这些细小纤随纤维截留在成型浆垫中。

留着使纸制品，在结构上有两面性，浆料中的细小纤维组分分布在网模一边要比另外一边少得多。有些餐具企业为了生产表面光滑便于印刷的纸餐具，采用网模外吸附成形，使网痕留在制品内表面，采用这种方法生产出来的制品，防水、防油功能大大降低，为了获得同等功能就要加入助剂使用量，从而增加了成本。因此，在设计模具时要根据制品受力和使用情况来选择模具工作面。

为了保证网模有足够的通过能力而提高生产率，网模滤网孔就不能选择太小，而网孔大了之后，大量的细小纤维又会白白跑掉。为了解决这一矛盾，在网模设计时要选择足够大的网孔，在浆料中利用助留剂使细小纤维发生胶体聚集，从而提高网模的截留能力。胶体聚剂是寻求促进细小纤维间的絮凝，希望减少纯纤维间的絮凝。为了使纸制品均匀和提高留着率，最理想状态是使大多数的细小纤维组分能粘附在纤维上，要达到这样的效果，只能在湿部网模前添入助留剂。

使用了助留剂就可以在同等留着率情况下加大网模的网孔，从而提高生产率。助留剂品种的选择又与网孔的编织方法、网孔的几何种形状、网模材质和网丝直径有着密切关系。

留着是形成纸制品的重要工部，纸制品强度是从这里开始的。纸制品强度的形成和纸纤维的结合力。纸的强度决定于一根纤维和所有纤维的结合，一根纤维标定纤维种类，所有纤维的结合决定于生产工艺。

纸强度形成机理认为在水中的纤维表面游离出大量羟基和氢氧键，在水桥作用下，把羟基组成适当的排列，水的表面张力将纤维拉近在一起，最终形成纤维间的氢键结合，这种氢键结合即表现为纤维之间的结合力。氢键结合只有在相邻羟基之间的距离小于27.6-8cm时才能实现。

4 湿部化学对成型机运行稳定性影响

湿部化学对成型机运行有正、反两面的影响，一方面，湿部化学可以用在增强滤水性，减少空气进入和消除泡沫，保持成型机清洁，以及保持白水中低的固体含量。另一方面，如果这些因素失去控制，相同的湿部化学现象会使成型机运转不正常，制品产生斑点和气泡，并降低滤水性，使成型机不清洁，从而降低生产效率。其主要表现以下几方面。

4.1 纸料的滤水性

在成型机运行中，纸料的滤水性是一个重要性能。滤水程度将受纤维与纤维以及细小纤维与细小纤维间的絮凝影响。如果形成的絮凝物大而多孔，就会使纸料变得黏滞而阻碍水通过，从而降低滤水性。

4.2 沉淀和结垢

当湿部化学失控时，经常会发生沉淀和结垢，通常的原因是化学添加剂的过量使用、电荷不平衡、化学品的不兼容以及化学平衡不稳定等。这些都能导致成型机产生沉淀和结垢，目前已有许多方法可以清理沉淀和结垢，但最好的办法是找到失控的原因，并加以校正。

4.3 泡沫的形成

纤维含有能稳定空气进入纸浆的物质（某些化学添加剂也起同样的作用），会降低纸料的滤水性，产生黏状物和泡沫。一旦发生了，最好的方法是找到根源并消除。如果不可能做到，一般可以采用机械的和化学的方法来消除，此时湿部化学的作用将减小。

5 湿部化学测量、控制和发展趋势

最近几年，纸浆模塑行业对湿部化学领域的最大兴趣就是试图对湿部化学品的添加和运用建立一套可以全面控制的技术与方法。目前对于这个问题的解决，是要达到建立一个复杂的物理化学模式来试图解释多组分化学体系中的吸附、留着和其他工艺运行性。这个方面的内容主要包括湿部化学的试验测量技术和在线测量，成型机运行数据以及湿部化学的过程控制技术。

在过去十年中，湿部化学研究的一个主要趋势是完成了从酸性抄纸到碱性抄纸的转化。纸制品在较高的pH值下进行成型，优点是减少设备的腐蚀，使纤维获得很好的润胀，强度大大提高，填料含量的提高、湿纸坯干燥容易，成型速度加快、产量增加、能耗降低。因此，中性或碱性造纸技术的应用推广，对湿部化学产生了巨大的影响。在这种情况下，就需要对造纸中应用化学添加剂进行全面的概括和研究。造纸湿部化学目前的发展趋势主要表现在以下几个方面。

第一个趋势：就是CaCO3，填料以及填料改性等。

第二个趋势：湿部化学实际在废纸浆的使用中，由于废纸中带进的污染物在浆料中大量增加，这些污染物在消耗化学添加剂的同时，网模的沉淀问题也随之出现。

第三个趋势：化学添加剂用在高精制品和食品包装上，在使用填料、助留剂、增强剂等时一定要选用最先进的造纸业技术，纸浆模塑虽然是后起之秀，不要忘记造纸业技术远远超前。

第四个趋势：开发新型湿部化学助剂如阳离子型的干强剂、湿强剂、阳离子分散松香胶等造纸化学品。

第五个趋势：未来湿部化学过程测量与控制，随着新的在线监测技术的发展，从业人员在实际运用新的控制以及将湿部化学过程控制与成型机其他控制方案分开进行，从而达到对纸浆模塑湿部化学作用的控制。

纸浆模塑行业新技术的发展，要求建立起一套与之相适应的湿部化学控制系统。目前市场上供应的造纸化学助剂复杂多样，在湿部化学方面如何用好这些化学助剂以促进纸浆模塑工业发展显得十分重要。