張便芝 劉 忠 惠嵐峰 楊 乾 程金茹

（天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457）

紙紗原紙（又稱為紙線原紙）是以植物纖維為主要原料，經(jīng)過特定條件生產(chǎn)成為紙張，分切成紙條，再經(jīng)過染色、并捻等加工過程，制成粗細(xì)不等的紙紗用于生產(chǎn)紡織品[1]。根據(jù)紙紗原紙不同的使用范圍以及滿足后期再加工的需要，要求紙紗原紙有很好的抗張強(qiáng)度、柔軟度、平滑度、撕裂度和耐折度等。本研究通過在麻漿中加入聚乙烯醇（PVA）纖維，選擇合適的打漿度、干燥溫度、聚酰胺環(huán)氧氯丙烷（PAE）添加量、兩性聚丙烯酰胺（AmPAM）添加量和烷基烯酮二聚體（AKD）添加量以及壓榨、壓光等工藝，對手抄片進(jìn)行物理性能檢測，在盡量滿足低能耗、綠色環(huán)保的條件下，分析抄造紙紗原紙最適宜的工藝條件，以便應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料及化學(xué)助劑

馬尼拉麻：長度2.8 mm，寬度21.3 μm，山東龍德復(fù)合材料科技股份有限公司；PVA 纖維：長度6.0 mm，寬度1.5 μm，熔點(diǎn)60℃，濟(jì)南馳達(dá)科貿(mào)有限公司；聚酰胺環(huán)氧氯丙烷（PAE），南通荒川化學(xué)工業(yè)有限公司；兩性聚丙烯酰胺（AmPAM），電荷密度0.232 mol/L，南通荒川化學(xué)工業(yè)有限公司；烷基烯酮二聚體（AKD），索理斯上?；び邢薰尽?/p>

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

標(biāo)準(zhǔn)疏解器，普利賽斯國際貿(mào)易有限公司；肖伯爾打漿度儀，L&W 公司；PFI-MILL 磨漿機(jī)，瑞典；紙頁成型器，奧地利PTI 公司；濕紙頁壓榨機(jī)，日本熊谷理機(jī)工業(yè)株式會社；壓光機(jī)，德國Sumet-Messte chnik 公司；光學(xué)顯微鏡，日本松下公司；掃描電子顯微鏡（SEM），日本電子公司；紙料Zeta 電位儀，瑞典BTG 公司；動態(tài)接觸角儀，瑞典FIBRO SYSTEM.AB；紙張物理性能檢測儀器。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

（1）打漿：采用PFI 磨漿機(jī)對麻漿打漿至一定打漿度。

（2）抄片：將一定量的PVA纖維加入到麻漿中進(jìn)行疏解，之后加入干強(qiáng)劑、濕強(qiáng)劑、施膠劑，用紙頁成型器進(jìn)行抄片，然后放入壓榨機(jī)中正壓（0.4 MPa）5 min、反壓（0.6 MPa）2 min，最后進(jìn)行干燥。

（3）壓光：在常溫（23℃）條件下，在線壓力15 N/mm下進(jìn)行壓光。

1.4 手抄片性能檢測

（1）采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察添加PVA纖維前后手抄片斷面的纖維形態(tài)以及添加PAE、AKD前后的手抄片表面形態(tài)。

（2）采用光學(xué)顯微鏡觀察麻漿打漿前后的纖維形態(tài)變化。

（3）將手抄片經(jīng)過恒溫恒濕處理4 h后，按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)檢測手抄片的定量、厚度、抗張強(qiáng)度、伸長率、平滑度、柔軟度、撕裂度和耐折度等物理指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 干燥溫度及PVA 纖維添加量對手抄片性能的影響

PVA 纖維是一種重要的功能化纖維，由于具有良好的耐熱性、耐酸和耐堿性能，溶于水后無味、無毒，并且能在較短時(shí)間內(nèi)分解，是一種環(huán)保型的綠色產(chǎn)品，因此在造紙行業(yè)中越來越受到重視。在植物纖維中加入PVA 纖維可以在一定程度上提高紙張的抗張強(qiáng)度、撕裂度、耐折度等性能，可以作為紙張?jiān)鰪?qiáng)劑來使用[2]。

2.1.1 干燥溫度對手抄片性能的影響

為了使PVA 纖維更好地發(fā)揮黏結(jié)作用，首先要使PVA 纖維熔融。在PVA 纖維添加量為3%的條件下，探究干燥溫度對手抄片性能的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 干燥溫度對手抄片抗張強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of drying temperature on the tensile strength of hand sheets

由圖1 可看出，當(dāng)干燥溫度低于80℃時(shí)，手抄片抗張指數(shù)的增加趨勢比較緩慢，當(dāng)干燥溫度在80～90℃之間時(shí)，抗張指數(shù)基本穩(wěn)定，當(dāng)干燥溫度高于90℃時(shí)，抗張指數(shù)又呈現(xiàn)下降趨勢。這是因?yàn)楦稍餃囟容^低時(shí)，PVA 纖維呈現(xiàn)半熔融狀態(tài)，黏結(jié)作用比較弱，隨著干燥溫度升高，增加趨勢比較緩慢；當(dāng)干燥溫度達(dá)到80℃時(shí)，PVA 纖維全部熔融，纖維間的結(jié)合力迅速增加，手抄片抗張指數(shù)達(dá)到最大；而當(dāng)干燥溫度高于90℃時(shí)，使得PVA 纖維自身強(qiáng)度下降，抄造的手抄片強(qiáng)度降低。因此，較優(yōu)的干燥溫度為80℃。

2.1.2 PVA纖維添加量對手抄片性能的影響

在干燥溫度在80℃條件下，探究不同PVA 纖維添加量對手抄片抗張強(qiáng)度和柔軟度（TS7 值）的影響，結(jié)果如圖2所示。圖3為手抄片斷面的SEM圖。

圖2 PVA添加量對手抄片抗張強(qiáng)度和柔軟度的影響Fig.2 Effects of PVA dosage on the softness and tensile strength of hand sheets

圖3 手抄片斷面的SEM圖（×35）Fig.3 SEM images of the fracture of hand sheets（×35）

由圖2 可以看出，隨著PVA 纖維添加量的增加，手抄片抗張指數(shù)逐漸上升，當(dāng)PVA 纖維添加量為2.0%時(shí)，手抄片抗張指數(shù)達(dá)到最大值，與未添加PVA 纖維的手抄片相比，抗張指數(shù)提高了11.8%，柔軟度提高34.8%；繼續(xù)增大PVA 纖維添加量，手抄片強(qiáng)度逐漸降低；當(dāng)PVA 纖維添加量為5.0%時(shí)，與未添加PVA纖維手抄片相比，手抄片柔軟度TS7值降低了18 個(gè)單位，柔軟性越來越好。對比圖3(a)和圖3(b)可看出，未添加PVA 纖維的手抄片受到外力被拉斷時(shí)，斷口處的纖維大多被整根抽出，纖維本身還較為完整，被拉斷的較少，而且斷口處較為稀松，說明纖維本身的強(qiáng)度要大于纖維間的結(jié)合強(qiáng)度；PVA 纖維添加量為2.0%的手抄片在被拉斷時(shí)，被拉斷的纖維較多，斷口處較為緊密，說明纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度大于纖維自身的強(qiáng)度。手抄片柔軟性隨著PVA 纖維的加入變得越來越好是因?yàn)镻VA 纖維自身的柔軟性比麻漿纖維好。綜合紙紗原紙性能要求，最終選擇PVA添加量為2.0%。

2.2 壓榨工藝對手抄片性能的影響

在麻漿中加入2.0%的PVA 纖維進(jìn)行抄造，將濕紙幅放入壓榨機(jī)中正壓5 min，反壓2 min，壓榨前后手抄片的物理性能如表1所示。

表1 壓榨前后手抄片的物理性能Table 1 Physical properties of hand sheets before and after pressing

表1 結(jié)果表明，壓榨后紙張的強(qiáng)度性能明顯提高，這是因?yàn)閴赫タ梢栽黾蛹垙埨w維間的接觸，促進(jìn)纖維間更多的氫鍵結(jié)合，手抄片內(nèi)部纖維結(jié)合得更緊密，纖維間的結(jié)合面積增加，從而紙張的結(jié)合強(qiáng)度提高[3]。

2.3 壓光線壓力對手抄片性能的影響

紙紗原紙需要有良好的平滑度和較低的厚度，壓光可以提高紙張的平滑度，降低紙張厚度，提高厚度的均一性[4]，壓光線壓力對手抄片抗張強(qiáng)度和平滑度的影響如圖4所示。

由圖4 可以看出，隨著線壓力的增加，手抄片平滑度越來越好，抗張指數(shù)逐漸降低。這是由于隨著壓光線壓力的增加，導(dǎo)致纖維間結(jié)合力下降[5]，使得手抄片抗張強(qiáng)度降低?？紤]到紙紗原紙對光滑度和抗張強(qiáng)度的綜合要求，最終選擇壓光線壓力15 N/mm。

圖4 壓光線壓力對手抄片抗張強(qiáng)度和平滑度的影響Fig.4 Effects of line pressure on the tensile strength and smoothness of hand sheets

2.4 打漿度對手抄片性能的影響

選用PFI 磨對麻漿進(jìn)行磨漿處理，觀察打漿度對手抄片抗張強(qiáng)度的影響，并觀察打漿前后麻漿纖維的變化，結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 為磨漿轉(zhuǎn)數(shù)對打漿度的影響。由圖5 可以看出，在磨漿轉(zhuǎn)數(shù)低于15000 轉(zhuǎn)時(shí)，隨著磨漿轉(zhuǎn)數(shù)的增加，打漿度的上升趨勢比較明顯，在磨漿轉(zhuǎn)數(shù)高于15000 轉(zhuǎn)后，磨漿轉(zhuǎn)數(shù)的增加對打漿度的影響較小，打漿度上升速度變緩。圖6為打漿度對手抄片抗張強(qiáng)度的影響。由圖6可知，手抄片抗張強(qiáng)度隨打漿度的升高而升高，打漿度低于70°SR時(shí)，打漿度對手抄片抗張強(qiáng)度影響較大，而打漿度高于75°SR 時(shí)，手抄片抗張強(qiáng)度變化很小。如圖7所示，隨著打漿度的上升，纖維分絲帚化現(xiàn)象越來越明顯，打漿后的纖維由于纖維素和半纖維素的分子結(jié)構(gòu)中所含的極性羥基與水分子產(chǎn)生極性吸引，水分子進(jìn)入纖維的無定形區(qū)，使纖維素分子鏈之間的距離增大，引起纖維潤脹，分子間的氫鍵結(jié)合受到破壞而游離出更多的羥基，進(jìn)一步促進(jìn)纖維潤脹，纖維比表面積增大，有利于纖維的細(xì)纖維化，能有效增加纖維間的接觸面積，提高成紙強(qiáng)度[4]。經(jīng)過分析對比，最終選擇打漿度為75°SR。

2.5 PAE添加量對手抄片性能的影響

在打漿度為75°SR 麻漿中加入2.0%的PVA 纖維，配制成漿濃為1%的懸浮液，然后在漿液中添加不同量的PAE，觀察其Zeta 電位的變化；對添加PAE 前后的手抄片性能進(jìn)行測試，并用SEM觀察添加PAE前后手抄片的表面形態(tài)，結(jié)果如表2、表3和圖8所示。

表2為PAE 添加量對漿料Zeta 電位的影響。由表2 可以看出，由于植物纖維表面本身帶有負(fù)電荷，麻漿纖維和PVA 纖維混合成的整個(gè)系統(tǒng)呈負(fù)性，隨著PAE 添加量的增加，整個(gè)系統(tǒng)的Zeta 電位趨于0，繼續(xù)添加PAE，系統(tǒng)呈正電性，此時(shí)若PAE 添加過多，容易導(dǎo)致纖維絮聚，且PAE 自身易發(fā)生自交聯(lián)反應(yīng)，自交聯(lián)反應(yīng)對水較為敏感，且成鍵強(qiáng)度比PAE 和纖維間的鍵合作用弱[6]，會降低紙張強(qiáng)度，故最終選擇PAE添加量為2.4%。

圖5 磨漿轉(zhuǎn)數(shù)與打漿度的關(guān)系Fig.5 Effect of refining revolutions on the beating degree

圖6 打漿度對手抄片抗張強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of beating degree on the tensile strength of hand sheets

圖7 打漿前后纖維的光學(xué)顯微鏡圖（×10）Fig.7 Microscopic view of fiber changes before and after beating（×10）

圖8 PAE添加前后手抄片表面的SEM圖（×800）Fig.8 SEM images of the surface of hand sheets before and after adding PAE（×800）

表2 PAE添加量對漿料Zeta電位的影響Table 2 Effect of PAE dosage on Zeta potential

表3 PAE添加對手抄片性能的影響Table 3 Effect of PAE dosage on the properties ofhand sheets

表3 為PAE 添加對手抄片性能的影響。由表3 可以看出，添加2.4%PAE 后，手抄片抗張指數(shù)提高了4.67%，撕裂指數(shù)提高了3.54%，耐折度提高了14.6%，濕抗張指數(shù)提高了671.4%，PAE 對手抄片濕抗張強(qiáng)度有很大影響。原因是因?yàn)镻AE 作為一種陽離子型助劑，本身帶有較多的正電荷，能夠與纖維上的羥基結(jié)合，并且PAE 具備聚電解質(zhì)的特性，其在水溶液中能夠發(fā)生電離使分子鏈帶上正電荷，能夠吸附到帶負(fù)電荷的紙漿纖維上并在纖維表面形成一層致密的抗水聚合物網(wǎng)絡(luò)層（膜），從而紙張的濕抗張強(qiáng)度提高[7]。

圖8為PAE添加前后手抄片表面的SEM圖。由圖8 可以看出，添加PAE 后，手抄片表面纖維間的空隙比未添加的少，紙張表面更均勻，勻度更好。

2.6 AmPAM添加量對手抄片性能的影響

AmPAM 因分子內(nèi)含陽離子電荷和陰離子電荷，所以它除了具備陽離子干強(qiáng)劑的特點(diǎn)之外，還表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能，經(jīng)顆粒電荷測定儀測試其電荷密度為0.232 mol/L。圖9 為AmPAM 添加量對手抄片抗張強(qiáng)度的影響。

圖9 AmPAM添加量對手抄片抗張強(qiáng)度的影響Fig.9 Effect of AmPAM addition on the tensile strength of hand sheets

圖9為AmPAM 添加量對手抄片抗張強(qiáng)度的影響。從圖9 可以看出，隨著AmPAM 添加量的增加，手抄片抗張指數(shù)和濕抗張指數(shù)均先上升后下降，當(dāng)Am-PAM添加量在少于0.05%時(shí)，手抄片抗張指數(shù)和濕抗張指數(shù)均迅速增加；繼續(xù)增大AmPAM 添加量，手抄片抗張指數(shù)急劇下降，濕抗張指數(shù)也有下降趨勢。這是因?yàn)锳mPAM 自身帶有陽離子電荷，可以與纖維上的陰離子形成離子鍵，酰胺基與纖維的羥基形成氫鍵，從而可以提高紙張強(qiáng)度，但AmPAM 是高分子聚合物，分子鏈比較長，當(dāng)添加量過多時(shí)極易產(chǎn)生絮聚現(xiàn)象，纖維之間發(fā)生團(tuán)聚降低紙張的勻度，從而導(dǎo)致紙張強(qiáng)度降低[8]，因此選擇AmPAM添加量為0.05%。

2.7 AKD添加量對手抄片性能的影響

圖10 為AKD 添加量對手抄片接觸角的影響。由圖10 可以看出，隨著AKD 添加量的增加，接觸角由小逐漸變大，當(dāng)添加量達(dá)到0.18%，接觸角如圖11所示；繼續(xù)增大添加量，接觸角變化越來越小。通過圖12 與圖8(b)對比可以看出，添加AKD 后，AKD 分子在纖維上鋪展。AKD 自身帶有脂肪烴長鏈官能團(tuán)，具有憎水性，加入到疏解好的漿料后，在干燥過程中，疏水基團(tuán)定向朝外排列，從而使紙張獲得抗水性[9]。

圖10 AKD添加量對手抄片接觸角的影響Fig.10 Effect of AKD addition on the contact angle of hand sheets

圖11 AKD添加量為0.18%的手抄片接觸角Fig.11 Contact angle diagram of hand sheets with 0.18%AKD

圖12 AKD添加量為0.18%的手抄片表面SEM圖（×800）Fig.12 SEM image of the hand sheets surface with 0.18%AKD

2.8 紙紗原紙性能檢測

由實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)麻漿打漿度為75°SR，PVA 纖維添加量為2.0%，PAE 添加量為2.4%，AmPAM 添加量為0.05%，AKD 添加量為0.18%，經(jīng)過濕壓榨后，干燥溫度為80℃，然后用15 N/mm 壓光線壓力進(jìn)行壓光處理，在此條件下紙紗原紙的物理性能達(dá)到最佳值，如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)紙樣物理性能Table 4 Physical properties of paper

3 結(jié) 論

本研究在麻漿中添加聚乙烯醇（PVA）纖維制備紙紗原紙，探究了抄造工藝條件對紙紗原紙性能的影響。

3.1 PVA 纖維在一定溫度下熔融，起增強(qiáng)作用，當(dāng)干燥溫度為80℃、PVA 纖維添加量為2.0%時(shí)，與未添加PVA 纖維的手抄片相比，手抄片抗張指數(shù)提高了11.8%，柔軟度提高了34.8%。

3.2 打漿、壓榨和壓光工藝都會對手抄片性能產(chǎn)生影響，綜合紙紗原紙抗張強(qiáng)度、平滑度等的要求，最終選擇麻漿打漿度為75°SR、濕壓榨以及15 N/mm 的壓光線壓力。

3.3 當(dāng)聚酰胺環(huán)氧氯丙烷（PAE）添加量為2.4%、兩性聚丙烯酰胺（AmPAM）添加量為0.05%、烷基烯酮二聚體（AKD）添加量為0.18%時(shí)，紙紗原紙的各物理性能指標(biāo)達(dá)到最佳值。

3.4 在最優(yōu)工藝條件下所抄紙紗原紙的主要物理性能：抗張指數(shù)80.0 N·m/g，濕抗張指數(shù)32.8 N·m/g，撕裂指數(shù)14.7 mN·m2/g，耐折度1498 次，平滑度41 s，柔軟度TS7值為53.8，伸長率3.37%。