填料-纖維素原纖維復合材料可以改善紙張強度

填料-纖維素原纖維復合材料可以改善紙張強度

在超級壓光紙的生產過程中添加填料不僅有助于提高紙張的光學性能、表面性能，還可以降低生產成本；但是，填料會降低紙張強度，從而使其應用受到制約。采用納米纖維素可能會選擇性地強化填料基質。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-纖維素原纖維復合材料的作用機理

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

在高嶺土或重質碳酸鈣（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構各不相同，由此而產生的效果也會不同。適當地加入一些陽離子淀粉可以促進填料和纖維素之間“交織”（coupling）。一般情況下，懸浮液的黏度和穩定性會增加。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到30%甚至更高。

圖1是填料-纖維素原纖維復合材料的制備及其應用的示意圖。填料-纖維素原纖維復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。為了進行比較，按照生產中的用量抄造手抄片。

圖1　填料-纖維素原纖維復合材料的制備及其應用

2　長纖維形成的網絡可以強化填料基質

通過加入原纖維和填料形成的復合材料，紙張的抗張強度得到了明顯的改善。在實驗范圍內，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，當手抄片的抗張指數為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到43%。在漿料中加入和傳統生產用量相同的原纖維時，填料的用量最高可以達到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　紙張抗張指數與填料用量的關系

上述微纖化纖維素不僅是一種商業化的產品，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　長纖維形成的網絡可以防止填料聚集

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生多重接觸。微纖化纖維素越細，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-纖維素原纖維復合材料在常規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，“-”表示負效果最大）。

圖4　填料-纖維素原纖維復合材料在常規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，與纖維長度及其結合力緊密相關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-纖維素原纖維復合材料的形成離不開陽離子淀粉，它是帶有負電荷的纖維和不帶電或帶有負電荷的填料之間的橋梁，可以避免濕部出現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。當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，比如對光進行散射的效果。與此同時，白度沒有發生明顯的變化。

（劉莉暉編譯）