填料-纖維素原纖維復(fù)合材料可以改善紙張強度

在超級壓光紙的生產(chǎn)過程中添加填料不僅有助于提高紙張的光學(xué)性能、表面性能，還可以降低生產(chǎn)成本；但是，填料會降低紙張強度，從而使其應(yīng)用受到制約。采用納米纖維素可能會選擇性地強化填料基質(zhì)。在高嶺土、碳酸鈣并配合有一種陽離子添加劑的懸浮液中加入原纖維（微纖化纖維素、納米纖維素），并將由此獲得的填料-纖維素原纖維復(fù)合材料加到濕部，抄造的紙張在其強度相同的情況下填料的填加比例有可能得到增加。

1　填料-纖維素原纖維復(fù)合材料的作用機理

填料-纖維素原纖維復(fù)合材料的研發(fā)思路是：讓填料顆粒與原纖維很好地結(jié)合在一起，再把獲得的填料-纖維素復(fù)合材料加到濕部，從而使紙張產(chǎn)生多種效果：這種復(fù)合材料的作用與纖維相似，而且留著的效果也比較好；長纖維形成的網(wǎng)絡(luò)不僅可以強化填料基質(zhì)，而且還能阻止填料顆粒聚集在一起。

在高嶺土或重質(zhì)碳酸鈣（GCC）中加入微纖化纖維素可以讓彼此交織在一起。填料的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)各不相同，由此而產(chǎn)生的效果也會不同。適當(dāng)?shù)丶尤胍恍╆栯x子淀粉可以促進(jìn)填料和纖維素之間“交織”（coupling）。一般情況下，懸浮液的黏度和穩(wěn)定性會增加。這說明懸浮液變得更黏稠了；而且，即使長時間不進(jìn)行攪拌，這些固體也不會再次沉積在容器的底部。懸浮液的固含量可以達(dá)到30%甚至更高。

圖1是填料-纖維素原纖維復(fù)合材料的制備及其應(yīng)用的示意圖。填料-纖維素原纖維復(fù)合材料的懸浮液與漿料（含有GCC和高嶺土的超級壓光紙的漿料）混合后用于抄造手抄片。為了進(jìn)行比較，按照生產(chǎn)中的用量抄造手抄片。

圖1　填料-纖維素原纖維復(fù)合材料的制備及其應(yīng)用

2　長纖維形成的網(wǎng)絡(luò)可以強化填料基質(zhì)

通過加入原纖維和填料形成的復(fù)合材料，紙張的抗張強度得到了明顯的改善。在實驗范圍內(nèi)，這些紙張的抗張強度都比只加原纖維的紙張高，如圖2所示。

由圖2可見，以含有高嶺土的手抄片為例，當(dāng)手抄片的抗張指數(shù)為12 N·m/g時，在不添加原纖維的情況下高嶺土的用量最高可以達(dá)到43%。在漿料中加入和傳統(tǒng)生產(chǎn)用量相同的原纖維時，填料的用量最高可以達(dá)到46%。如果同時加入原纖維和填料，那么填料的用量可以提高到48%。此外，GCC和其他類型的原纖維也有助于提高填料的用量。

圖2　紙張抗張指數(shù)與填料用量的關(guān)系

上述微纖化纖維素不僅是一種商業(yè)化的產(chǎn)品，也是從精磨漿中分離而得到的一種試驗品。它們含有粒徑較大的顆粒；因此，微纖化纖維素并不是狹義上的納米纖維素。原纖維的長度短則幾十微米，長則幾百微米。

3　長纖維形成的網(wǎng)絡(luò)可以防止填料聚集

和其他干強劑一樣，納米纖維素也可以提高抗張強度。與淀粉或合成干強劑等水溶性的聚合物不同的是，它們是比較大的固體顆粒，可以隔開填料顆粒，防止這些填料聚集在一起，以保證填料對光的散射能力。納米纖維素的這些功能主要取決于它們的純度。填料與粗糙的原纖維、纖維碎片的連接方式和它們與紙張纖維的連接方式基本相同；但是，這種連接方式無法改善紙張的性能。原纖維的直徑越小，就越容易被填料顆粒包圍，形成適宜的原纖維-填料復(fù)合材料，如圖3所示。

圖3　不同尺寸的原纖維和填料顆粒

紙張中的微纖化纖維素能讓纖維和原纖維之間、原纖維和原纖維之間發(fā)生多重接觸。微纖化纖維素越細(xì)，它們的比表面積就越大，與周圍接觸的機會就越多。接觸面積的增加不僅對抗張強度有影響，也會影響紙張的其他性能。紙張的孔隙率和透氣度緩慢下降，伸長率顯著增加。圖4顯示了填料-纖維素原纖維復(fù)合材料在常規(guī)用量下給紙張性能及工藝帶來的變化（圖中“++”表示正效果最大，“-”表示負(fù)效果最大）。

圖4　填料-纖維素原纖維復(fù)合材料在常規(guī)用量下給紙張性能及工藝帶來的變化

微纖化纖維素在填料-纖維素原纖維復(fù)合材料的作用與磨漿的作用很相似；但是，二者之間存在著明顯的區(qū)別。在這種情況下，漿料受到的作用力沒有磨漿那么大；而且，與纖維長度及其結(jié)合力緊密相關(guān)的撕裂強度在此過程中完全不受影響，彎曲挺度也沒有被破壞。

填料-纖維素原纖維復(fù)合材料的形成離不開陽離子淀粉，它是帶有負(fù)電荷的纖維和不帶電或帶有負(fù)電荷的填料之間的橋梁，可以避免濕部出現(xiàn)填料聚集這樣的情況。另外，添加絮凝劑也無法彌補留著的下降。原纖維在填料之間的作用可以通過不透明度的增加來體現(xiàn)。當(dāng)填料粒子以獨立的分子存在而沒有聚集在一起形成較大的粒子時，填料的效果是最佳的，比如對光進(jìn)行散射的效果。與此同時，白度沒有發(fā)生明顯的變化。

（劉莉暉編譯）