絲光漿對空氣濾紙原紙性能的影響

熊皇偉 惠嵐峰 王發燁

(天津科技大學造紙學院，天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457)

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·絲光漿·

絲光漿對空氣濾紙原紙性能的影響

熊皇偉 惠嵐峰*王發燁

(天津科技大學造紙學院，天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457)

在室溫條件下，對漂白硫酸鹽針葉木漿進行絲光化處理，探討了堿液濃度和處理時間對紙漿聚合度的影響；并進一步研究了絲光漿與針葉木漿的配比、針葉木漿的打漿度、增強劑種類和用量以及壓榨和干燥方式對空氣濾紙原紙性能的影響。結果表明，堿液濃度190 g/L、處理時間45 min時，獲得的絲光漿具有較高的聚合度；另外，當絲光漿用量為50%、針葉木漿的打漿度為22°SR、陽離子聚丙烯酰胺用量為0.06%時，所抄空氣濾紙原紙經壓榨干燥后，其透氣度高于100 μm/(Pa·s)，優于行業標準QB/T 4031—2010阻燃性汽車空氣濾紙要求。

針葉木漿；絲光化；聚合度；空氣濾紙

(*E-mail:huipeak@163.com)

空氣濾紙是原紙經過樹脂浸漬加工形成的過濾用紙，主要用于空氣濾清器，用在汽車、船舶、拖拉機等的內燃機上[1-2]。空氣濾清器位于發動機的進氣系統中，直接影響發動機的使用情況[3]。使用空氣濾紙能夠提高發動機的燃燒效率，延長發動機的使用壽命，防止早期磨損[4]。空氣濾紙不僅影響對空氣的過濾效果，而且影響發動機的使用安全。

用一定濃度的堿液浸漬纖維的過程稱為絲光化，纖維絲光化處理后，其形態和自身特性發生一定程度的變化：在堿液的作用下，纖維得到充分潤脹，寬度變寬，同時纖維的非結晶區被部分溶出，使纖維長度變短、扭曲指數變大，紙漿中細小組分的含量減少。絲光化處理后的纖維表面變得光滑、圓潤，纖維發生扭曲，有利于提高紙張的透氣度，但物理強度會有所降低。絲光漿具有較好的透氣性能及化學穩定性，適于生產過濾紙、吸墨紙、字典紙等紙種[5]。

利用絲光漿配抄空氣濾紙原紙對原紙的物理性能有較大的影響。本實驗研究了絲光漿與針葉木漿的配比、針葉木漿的打漿度、增強劑的種類和用量以及壓榨和干燥方式對空氣濾紙原紙的影響。

1 實 驗

1.1 實驗原料

漂白硫酸鹽針葉木漿：智利進口。

NaOH(分析純)，購于天津市北方天醫化學試劑廠；陽離子淀粉(CS，分析純)，取代度為0.025～0.035，購于北京康普匯維科技有限公司；陽離子聚丙烯酰胺(CPAM，工業級)，相對分子質量為80萬，購于鞏義邦潔凈水材料有限公司。

1.2 實驗儀器

標準紙頁成型器(RK-ZA-KWT，PTI公司，奧地利)，轉鼓式紙張干燥器(2110，AMC公司，美國)，Valley打漿機(1304027，日本KRK株式會社)，纖維分析儀(979444，L&W公司，瑞典)。

1.3 實驗方法

1.3.1 針葉木漿的絲光化處理

首先設定絲光化處理溫度為室溫，并設定不同堿液濃度和處理時間。利用Valley打漿機對針葉木漿進行疏解，稱取一定質量的漿料，根據實驗設計條件加入所需質量的NaOH和補加水量，絲光化處理一定時間后，用清水沖洗漿料至中性。

1.3.2 絲光化處理前后纖維形態觀察及纖維分析

用赫氏染色劑對纖維進行染色，在顯微鏡下觀察纖維形態，取點拍照，并用纖維分析儀進行纖維分析。

1.3.3 手抄片的抄造及性能檢測

將絲光漿與針葉木漿按比例混合后，使用標準紙頁成型器抄造定量為110 g/m2左右的手抄片，分別使用真空干燥器和轉鼓式紙頁干燥器干燥，然后按照相應國家標準對紙張進行各項性能檢測。

2 結果與討論

2.1 堿液濃度與處理時間對絲光化處理的影響

在室溫條件下，堿液濃度和處理時間是影響絲光化作用最主要的因素。絲光化處理后的纖維用于抄造空氣濾紙能夠有效地提高原紙的透氣度，但原紙的強度會有所降低。絲光化處理能夠有效地去除纖維素結晶區間的半纖維素和低聚合度的纖維素，從而改變紙漿的聚合度，因此以聚合度為參數，探討堿液濃度和處理時間的優化條件。

圖1為堿液濃度對紙漿聚合度的影響。由圖1可知，隨著堿液濃度的增大，紙漿聚合度先逐漸增加，達到最大值后又降低。當堿液濃度較低時，由于半纖維素和低聚合度的纖維素被大量去除，尤其是聚木糖的溶出，溶出率高達80%，其余的聚木糖可能與纖維素形成共價鍵結合，難以去除[6-9]，因此導致紙漿的聚合度有所增大；當堿濃超過一定值后，由于纖維素也發生劇烈降解，導致紙漿的聚合度明顯降低。由圖1可得絲光化處理的最佳堿液濃度為190 g/L。

圖1 堿液濃度對紙漿聚合度的影響

圖2 處理時間對紙漿聚合度的影響

處理時間對紙漿聚合度的影響如圖2所示。從圖2可以看出，紙漿的聚合度隨處理時間先有所升高，達到最大值后，聚合度又適量降低。這是由于隨著處理時間的增加，紙漿中的半纖維素和低聚合度的纖維素大量脫除；隨著處理時間的延長，纖維素發生劇烈降解，聚合度下降。因此最佳處理時間可選擇為45 min。

綜上，絲光化處理可除去紙漿中大量的聚木糖，從而提高紙漿的聚合度。在室溫條件下，絲光化處理的優化條件是堿液濃度190 g/L、處理時間45 min，在此條件下紙漿具有較高的聚合度。

2.2 絲光化處理前后纖維形態的變化

圖3為絲光化處理前后針葉木漿纖維的顯微鏡照片。由圖3可以看出，絲光化處理后紙漿中的細小組分有所降低，纖維扭曲程度有所增加，且纖維表面變得更加光滑，說明纖維表面有部分暴露出來的細小纖維被降解了。

表1為絲光化處理對纖維形態的影響。從表1可以看出，絲光化處理后，纖維平均長度變短，平均寬度變寬，說明經絲光化處理后的纖維自身發生潤脹，這是由帶負電荷的氫型離子基向鈉型結構轉換而引起的。離子交換在纖維細胞壁內形成了滲透壓，使得水合鈉離子向濃度低的細胞壁滲透，使細胞壁發生潤脹和塑化[10]。由表1還可知，纖維的平均扭曲角和平均扭曲指數都有所增大，說明纖維整體彎曲程度變大；紙漿中細小組分含量降低了45%，說明絲光化處理有利于除去紙漿中的細小組分。

2.3 絲光漿用量對空氣濾紙原紙性能的影響

將針葉木漿打漿至38°SR，然后與絲光漿配抄定量為110 g/m2左右的手抄片，絲光漿的比例分別為0、10%、20%、30%、40%、50%(相對于紙張絕干量)，壓榨5 min后用真空干燥器干燥，按照相應標準方法對手抄片進行物理性能檢測。

圖3 絲光化處理前后針葉木漿纖維的顯微鏡照片

表1 絲光化處理前后纖維形態參數

圖4 絲光漿用量對空氣濾紙原紙松厚度和透氣度的影響

圖4～圖6為絲光漿用量對空氣濾紙原紙性能的影響。從圖4可以看出，隨著絲光漿用量的增加，空氣濾紙原紙的松厚度和透氣度增大，且透氣度增大趨勢明顯。從圖5可以看出，隨著絲光漿用量的增加，空氣濾紙原紙的抗張指數和耐破指數都降低，可知，絲光漿的加入會劇烈降低原紙的強度。從圖6可以看出，空氣濾紙原紙的撕裂指數隨絲光漿用量的增加呈先增大后減少的趨勢，而耐折度呈持續降低的趨勢。

由于絲光化處理后的纖維表面變得光滑、圓潤[5]，且纖維整體彎曲程度變大，導致成形后的空氣濾紙原紙更疏松且含有更多的孔隙，從而空氣濾紙原紙的透氣度提高。另外，由于絲光化處理使纖維中的半纖維素大量脫除，所以絲光漿的打漿能力差；且與未經絲光化處理的紙漿相比，絲光漿具有抗張強度小、撕裂強度較大和零距抗張較大等特點[11-15]，所以空氣濾紙原紙的撕裂指數會先增大，但絲光化處理后的纖維表面暴露出來的羥基被脫除，導致其在干燥過程中與其他纖維形成的氫鍵結合力更弱，降低了纖維間的鍵合強度，因此空氣濾紙原紙的撕裂指數會隨著絲光漿用量的不斷增加而降低。

圖5 絲光漿用量對空氣濾紙原紙抗張指數和耐破指度的影響

圖6 絲光漿用量對空氣濾紙原紙撕裂指數和耐折度的影響

雖然隨著絲光漿用量的不斷增加，空氣濾紙原紙的物理性能都呈降低的趨勢，但在絲光漿的配比為50%時，撕裂指數仍然高于只有針葉木漿抄造的原紙的水平，可見，絲光漿的加入能夠提高紙張的撕裂指數，可歸因于絲光化處理后的纖維本身的撕裂強度較大，但其他物理強度明顯降低。以空氣濾紙原紙的透氣度為主要參考對象，絲光漿的配比可選為50%。

2.4 針葉木漿打漿度對空氣濾紙原紙性能的影響

為了保證空氣濾紙原紙具有較高的透氣度的同時，又具有一定的強度，所以對針葉木漿進行打漿，通過改變針葉木漿的打漿度來探討其對空氣濾紙原紙強度的影響。將針葉木漿分別打漿0、10、20、30、40、50 min，其打漿度分別為14、16、22、30、34、38°SR，與絲光漿(打漿度16°SR)配抄定量為110 g/m2左右的空氣濾紙原紙，保持絲光漿的配比為50%，壓榨5 min后，用真空干燥器干燥，然后按照標準方法進行紙張物理性能檢測。

圖7～圖9是針葉木漿打漿度對空氣濾紙原紙性能的影響。從圖7可以看出，隨著針葉木漿打漿度的提高，空氣濾紙原紙的松厚度和透氣度都呈下降的趨勢。從圖8可以看出，空氣濾紙原紙的抗張指數和耐破指數隨針葉木漿打漿度的增大而增大，尤其是打漿度從14°SR增大至16°SR，空氣濾紙原紙的強度有明顯的提高，打漿度達到30°SR以后，抗張指數和耐破指數增加的趨勢較平緩。從圖9可以看出，打漿度從14°SR增大至16°SR，撕裂指數和耐折度都有明顯的提高，隨后撕裂指數趨于平衡，而耐折度一直呈直線增大的趨勢。

圖7 針葉木漿打漿度對空氣濾紙原紙松厚度和透氣度的影響

圖8 針葉木漿打漿度對空氣濾紙原紙抗張指數和耐破指數的影響

圖9 針葉木漿打漿度對空氣濾紙原紙撕裂指數和耐折度的影響

隨著針葉木漿打漿度的增大，纖維潤脹和細纖維化程度增加，纖維的比表面積增大，游離出更多的羥基，促進纖維間的氫鍵結合，使纖維間的結合力不斷上升，同時纖維間的孔徑和孔隙率等也隨之下降[16-17]。考慮到空氣濾紙的過濾能力、過濾效果以及濾芯加工的簡易性，針葉木漿的打漿度不宜過高，也不宜過低，否則過濾效果和容塵量會急劇降低。綜上，為了既保證空氣濾紙原紙的透氣度和過濾性能，又保證空氣濾紙原紙有較好的機械性能，最終選擇針葉木漿的打漿度為22°SR。

2.5 增強劑對空氣濾紙原紙性能的影響

提高打漿程度雖能提高抗張強度，同時又會降低透氣度和松厚度，不能兼得，所以為了既能提高紙張的抗張強度，又不對其他性能產生較大的影響，借助增強劑是一種理想的方式[16]。本實驗采用了兩種常見的商品增強劑，陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)和陽離子淀粉(CS)。這是由于陽離子型增強劑能夠直接吸附在纖維表面上，增強效果明顯，且不會給白水循環系統帶來過多的陰離子垃圾[18]。

2.5.1 CPAM用量對空氣濾紙原紙性能的影響

選擇打漿度為22°SR的針葉木漿與打漿度為16°SR 的絲光漿進行配抄，其中絲光漿的配比為50%，配抄定量為110 g/m2左右的空氣濾紙原紙，CPAM的用量分別為0、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%(相對于紙張絕干量)，壓榨5 min后，用真空干燥器干燥，然后按照相應標準方法對紙張物理性能進行檢測。

圖10～圖12為CPAM用量對紙張性能的影響。從圖10可以看出，CPAM的加入對空氣濾紙原紙的松厚度無明顯的影響，對透氣度有提升作用，但隨著CPAM用量的繼續增加，透氣度無明顯增大。從圖11可以看出，空氣濾紙原紙的抗張指數隨CPAM用量的增加而增大，而耐破指數表現為先增大后減小，且在CPAM用量為0.06%時達到最大值。從圖12可以看出，空氣濾紙原紙的撕裂指數和耐折度隨CPAM用量的增加先增大后減小，且在CPAM用量為0.06%時達到最大值。

圖10 CPAM用量對空氣濾紙原紙松厚度和透氣度的影響

圖11 CPAM用量對空氣濾紙原紙抗張指數和耐破指數的影響

圖12 CPAM用量對空氣濾紙原紙撕裂指數和耐折度的影響

由于CPAM是陽離子型的，能夠直接吸附在纖維表面上，作為中間介質，可促使纖維間形成更多的氫鍵，從而使纖維間結合力增大，所以隨著CPAM用量的增加，空氣濾紙原紙的物理性能會增大；但用量超過0.06%時，耐破指數、撕裂指數和耐折度都有所降低，這可能是由于CPAM的過量加入使纖維絮聚加快，降低了原紙的勻度，從而使物理性能有所降低。

2.5.2 CS用量對空氣濾紙原紙性能的影響

將打漿度為22°SR的針葉木漿與打漿度為16°SR的絲光漿以1∶1的比例混合，抄造定量為110 g/m2左右的空氣濾紙原紙，CS的用量分別為0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%(相對于紙張絕干量)，壓榨5 min后，用真空干燥器干燥，然后按照標準方法進行紙張物理性能檢測。

圖13 CS用量對空氣濾紙原紙松厚度和透氣度的影響

圖14 CS用量對空氣濾紙原紙抗張指數和耐破指數的影響

圖15 CS用量對空氣濾紙原紙撕裂指數和耐折度的影響

圖13～圖15為CS用量對空氣濾紙原紙物理性能的影響。從圖13可以看出，隨著CS用量的增加，空氣濾紙原紙的松厚度無明顯變化，而透氣度持續降低，但降低程度較小。從圖14可以看出，空氣濾紙原紙的抗張指數和耐破指數都隨CS用量的增加而增大。從圖15可以看出，空氣濾紙原紙的撕裂指數和耐折度都隨CS用量的增加呈先增大后減小的趨勢，并在用量為0.6%時達到最大值。

由于CS帶有正電荷，能與帶負電荷的纖維緊密結合，促使纖維間形成更多的氫鍵，從而提高纖維間的結合力，使空氣濾紙原紙強度增大，然而隨著CS用量的增加，纖維絮聚更加明顯，從而影響紙張的勻度，所以空氣濾紙原紙的強度性能也會有所降低。綜上，CS的用量選為0.6%。

2.5.3 增強劑種類的選擇

CPAM和CS都能有效地提高空氣濾紙原紙的物理性能，表2為兩種增強劑在優化條件下所得空氣濾紙原紙的物理性能，從表2可以看出，加入CPAM的空氣濾紙原紙的透氣度優于加入CS的，而撕裂指數和耐折度都不及加入CS的，以透氣度為首要參數，且其他性能相當，認為CPAM更有利于絲光漿配抄空氣濾紙。

表2 兩種增強劑在優化條件下的對比情況

表3 壓榨及干燥方式對空氣濾紙原紙的影響

2.6 壓榨及干燥方式對空氣濾紙原紙性能的影響

將針葉木漿和絲光漿混合配抄定量為110 g/m2左右的空氣濾紙原紙，其中，絲光漿配比為50%，針葉木漿的打漿度為22°SR，絲光漿的打漿度為16°SR，CPAM用量為0.06%。分別以壓榨5 min后用真空干燥器烘干、壓榨5 min后用轉鼓式紙頁干燥器干燥和不經壓榨直接用轉鼓式干燥器干燥3種方式抄造空氣濾紙原紙，然后按照標準方法進行紙張物理性能檢測。

表3顯示了壓榨及干燥方式對空氣濾紙原紙性能的影響。從表3可知，壓榨+轉鼓干燥的空氣濾紙原紙的松厚度和透氣度比壓榨+真空干燥的大，但是抗張指數、耐破指數和耐折度都不及后者，其中耐破指數下降幅度高于50%，撕裂指數下降程度較小，可見轉鼓式干燥有利于提高紙張松厚度和透氣度，但耐破指數下降明顯；未壓+轉鼓干燥的空氣濾紙原紙的松厚度比壓榨+轉鼓干燥的有較大的提升，同時，抗張指數、耐破指數和耐折度下降劇烈，其中抗張指數下降幅度高達50%，撕裂指數降低相對較少，可見壓榨可有效提高空氣濾紙原紙的機械性能，尤其對抗張指數影響最大，對松厚度和透氣度的影響次之。

綜上，壓榨和干燥方式對空氣濾紙原紙的各項指標都有較明顯的影響。綜合考慮后，選擇壓榨5 min后用轉鼓式紙頁干燥器干燥的方式，所得空氣濾紙原紙既有較大的透氣度，又有較好的機械強度。

3 結 論

采用光學顯微鏡和纖維形態分析儀等方法分析了絲光化處理前后的纖維形態，并與針葉木漿配抄，探討了絲光漿用量、針葉木漿打漿度、增強劑種類和用量、壓榨及干燥方式等對空氣濾紙原紙性能的影響。

3.1 在室溫條件下，研究了堿液濃度和處理時間對紙漿聚合度的影響。結果表明，堿液濃度為190 g/L、處理時間為45 min時，所得絲光漿具有較高的聚合度。

3.2 在室溫條件下，對針葉木纖維進行絲光化處理后，纖維表面變得更加圓潤、平滑，纖維得到充分潤脹，纖維的扭曲指數增大，紙漿中的細小組分有所降低，經絲光化處理后的纖維變得更加彎曲且富有彈性，能有效地提高空氣濾紙原紙的透氣度。

3.3 用絲光漿與針葉木漿配抄空氣濾紙原紙，絲光漿的比例為50%，絲光漿和針葉木漿的打漿度分別為16°SR和22°SR，CPAM用量為0.06%，壓榨5 min后，用轉鼓式紙頁干燥器干燥后的空氣濾紙原紙性能優良。

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(責任編輯：劉振華)

The Effects of Mercerized Pulp on the Properties of Base Paper of Air Filter Paper

XIONG Huang-wei HUI Lan-feng*WANG Fa-ye

(TianjinKeyLabofPulpandPaper,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin, 300457)

Bleached softwood kraft pulp was mercerized in ambient temperature, and the effects of the concentration of alkali liquid and the processing time on the DP of the pulp were explored.And the effects of the mixing ratio of mercerized pulp and softwood pulp, the beating degree of softwood pulp, the kind and dosage of reinforcing agents and the process of pressing and drying on the properties of base paper of air filter paper were further studied.The results indicated that the DP of the mercerized pulp was optimized when the concentration of alkali liquid was 190 g/L and the mercerization time was 45 min.When the dosage of mercerized pulp was 50%, the beating degree of softwood pulp was 22°SR, the CPAM doage was 0.06%, the permeability of the resultant base paper was higher than 100 μm/(Pa·s) and much higher than the industry standard, meanwhile its mechanical properties were well meet the requirements of industry.

softwood pulp; mercerization; degree of polymerization(DP); air filter paper

熊皇偉先生，在讀碩士研究生；主要研究方向：加工紙與特種紙。

2015-07-04(修改稿)

TS761.2

A

10.11980/j.issn.0254-508X.2015.11.003

*通信作者：惠嵐峰先生，E-mail：huipeak@163.com。