采用白水循環方法制備手抄片以評價細小纖維對紙張性能的影響

?

采用白水循環方法制備手抄片以評價細小纖維對紙張性能的影響

在造紙過程中，由于細小纖維對紙張的機械性能影響顯著，因此，測定細小纖維的含量以及制備細小纖維含量恒定的手抄片對于評價不同種類的細小纖維的影響尤為重要。實驗采用配備有白水循環裝置的快速紙頁成形器抄造定量為60 g/m2的手抄片、流式細胞儀表征纖維形態，采用3種不同的抄片器的成形網（120、325和500目）對白水循環的方法進行了評價；當采用325目成形網抄紙時，從第8張手抄片開始，細小纖維含量達到恒定。該方法可用于評價初級細小纖維、二次細小纖維以及纖維素添加劑對手抄片性能的影響。

1　概述

在對化學漿和機械漿的組分研究中，有關細小纖維對紙張成形和性能的影響備受關注。與紙漿纖維相比，細小纖維由于其比表面積大，因此是影響不同紙漿和紙張性能的重要因素。在評價細小纖維對手抄片性能的影響時，通常需要固定細小纖維含量以準確地推斷實驗結果。

根據北歐紙漿、紙和紙板測試委員會的定義[SCAN-CM 66：05（2005）]，細小纖維是能通過孔徑為76 μm篩網（200目）的組分。這些粒子可進一步細分，包括化學漿的細小纖維、機械漿的細小纖維以及初級細小纖維和二次細小纖維。機械漿含有大量的細小纖維（20%～30%），從而可影響紙張的不透明度和強度。有研究人員對機械漿細小纖維分成了“Mehlstoff”和“Schleimstoff”等2類，分別指高木素含量、低鍵合能力的粗短粒子以及分絲帚化且高鍵合能力的粒子。有研究表明，機械漿中分絲帚化的細小纖維主要來自于纖維的初生壁和次生壁，而片狀細小纖維主要來自于胞間層?；瘜W漿中的細小纖維含量低于機械漿中的細小纖維含量。磨漿程度不同，漿料中細小纖維的含量可以很少，也可達到10%～12%。初級細小纖維在制漿工段形成，主要包括部分胞間層、射線細胞，薄壁細胞以及纖維碎片。與紙漿其余組分相比，這部分細小纖維含有更多的抽出物和木素。紙漿經過磨漿處理后便會產生二次細小纖維。這主要是由于機械作用造成纖維細胞初生壁和次生壁的剝落所形成的。研究人員對二次細小纖維的影響研究較多。例如，經過Valley打漿機打漿2 h所得到的細小纖維，添加15%的用量可使硫酸鹽漿手抄片獲得更高的抗張強度。同時發現，與長纖維組分相比，二次細小組分可造成紙張的緊度和光學性能變化以及較高的陰離子電荷。另外，在紙漿中添加二次細小纖維也延長紙料的濾水時間。

二次細小纖維對紙料濾水、紙張強度以及孔隙率的影響與初級細小纖維有所不同。有研究表明，二次細小纖維具有纖絲狀的特點，使得纖維之間的接觸更加緊密，從而增強纖維之間的鍵合能力，導致紙張抗張強度的提高。與初級細小纖維相比，二次細小纖維對紙張抗張強度的提高作用更大。另有研究表明，初級細小纖維形態為粗短形狀，起到連接纖維的作用，有利于提高纖維接觸面積；但是相比而言，二次細小纖維更加有效。其他研究也表明，二次細小纖維具有更高的比表面積，填充在纖維網絡孔隙間會降低紙張的厚度和孔隙率。在化學漿和機械漿中添加分絲帚化的二次細小纖維有利于提高紙張的抗張強度，其原因主要是其拉近了纖維之間的距離；但是，當手抄片中硫酸鹽漿細小纖維的含量超過15%時，可顯著降低紙張的光散射性能。

前期研究表明，細小纖維可影響到紙漿和紙張的許多性質，如厚度、抗張強度、濾水性能、透氣度以及光散射性能。為了在實驗室條件下研究不同種類細小纖維的影響，最重要的問題是如何在手抄片中能夠保持細小纖維含量的恒定。為了解決這個問題，主要采用了以下3種方法：

（1）采用真空過濾的方法，在濾紙上制備手抄片；根據ISO 3688（1999）方法測定手抄片的藍光漫反射因子；

（2）在薄膜上制備手抄片；

（3）采用白水循環方法制備手抄片。

雖然前2種方法所制備的手抄片的細小纖維含量恒定（留著幾乎100%），但是存在2個缺點：一是濾紙和薄膜的小孔會造成紙漿濾水速度很慢；二是在手抄片成形過程中細小纖維與長纖維的沉降行為不一致導致該方法中的細小纖維與真實手抄片中細小纖維的分布有所不同。

采用白水循環方法不僅可解決上述方法的缺陷，同時也可避免沉降作用。采用白水循環方法抄造手抄片時，經過抄造多張手抄片后，細小纖維的含量可保持恒定，進而測定手抄片的性能。有研究者采用類似方法，在抄造10張手抄片后，紙張的細小纖維含量可保持穩定。還有研究者采用了北歐紙漿、紙和紙板委員會推薦的方法[SCAN-CM 64：00（2000）]，即采用白水循環的系統，將紙張中細小纖維的含量與濾水時間建立起某種關系。

本研究主要針對保持手抄片中的細小纖維含量恒定以及細小纖維含量測定的可靠方法進行研究。雖然BDDJ測定細小纖維含量既精確又簡單，但卻需要耗費大量的時間，因此實驗采用L&W Fiber Tester Plus測試儀代替BDDJ測定細小纖維含量。為了提高實驗效率、降低纖維用量，采用流式細胞儀測定纖維形態。通過采用3種不同的成形網，即120、325和500目，研究初級細小纖維、二級細小纖維和纖維素添加劑對手抄片性能的影響。

2　實驗

采用漂白針葉木硫酸鹽漿（為云杉和松木的混合漿）進行實驗。根據SCAN-CM 66：05（2005），采用Britt動態濾水儀分離漿料中的初級細小纖維。該方法原本用來測定漿料中細小纖維的含量，但也可以用于分離細小纖維。采用實驗室Hollander打漿機對分離細小纖維后的漿料進行打漿處理2 h以產生二次細小纖維，并采用Britt動態濾水儀將其分離出來。采用燒杯收集細小纖維并使其沉淀；然后測定2種細小纖維懸浮液的固含量并進行濃縮以進行實驗。實驗所采用的第3種細小組分是市售纖維素添加劑。

實驗首先采用瑞典制造的L&W纖維測試儀對初級細小纖維、二次細小纖維以及纖維素添加劑進行測試，然后再加入到紙漿中，根據ISO 5267-1方法測定混合漿料的肖伯爾打漿度。

2.1采用白水循環方法制備手抄片

采用配備有白水循環裝置的快速紙頁成形器抄造定量為60 g/m2的手抄片。由于成形網網目可影響細小纖維的留著，所以實驗采用120（開孔直徑125 μm，成形器配備的標準網目）、325（開孔直徑44 μm）以及500目（開孔直徑25 μm）等3種成形網抄造手抄片。所選擇的網目對漿料濾水性能的影響并無顯著差異。

在實驗過程中，抄造每張手抄片產生的白水存于單獨的水箱中，用于抄造下一張手抄片。隨著手抄片數量的增加，白水中的細小纖維含量不斷增加直至達到穩定。此后，每張手抄片的細小纖維含量與抄造所用漿料中的細小纖維含量相同。

手抄片制備好平衡24 h后，測定厚度[DIN EN ISO 534（2011）]，透氣度[ISO 5636-3（2013）]以及裂斷長[DIN EN ISO 1924-2（2009）]。

2.2細小纖維含量的測定

采用L&W纖維測定儀（基于形態特征分析）測定每張手抄片中細小纖維的含量?！凹毿±w維含量”定義為長度小于200 μm微粒所占的總微粒數的比例。

3　結果與討論

采用L&W纖維測試儀對不同細小纖維進行分析，其長度分布如圖1所示。

圖1　不同細小纖維的重均長度分布

由圖1可見，2種細小纖維和纖維素添加劑的尺寸大部分都小于200 μm。其中，與二次細小纖維相比，初級細小纖維的平均長度更大，而纖維素添加劑的尺寸分布主要分布在100 μm以下，因此它是本研究中尺寸最小的組分。

采用3種不同的細小組分抄造手抄片后，對紙張中的纖維長度進行了測定。圖2顯示了細小纖維含量與采用白水循環的方法制備的手抄片數量（算術平均值）的關系。

與其他研究不同，實驗對留在手抄片中的細小組分含量進行了測定。除此之外，還研究了3種不同網目的成形網對細小纖維留著性能的影響。結果表明：與120目成形網相比，較小孔尺寸的成形網（如500目）可留著更多含量的細小纖維；隨著手抄片數量的增加，其中的細小纖維含量也逐漸增加并最終趨于穩定。圖2表明，采用500目成形網抄造手抄片時，第3張手抄片開始細小纖維含量便趨于穩定，而采用325目和120目成形網時，細小纖維含量要達到穩定狀態需要手抄片的數量分別為5張和7張。采用500目成形網時雖然浪費的手抄片數量最少，但是實際上，由于紙頁和成形網之間有較高的毛細管作用力使得紙張很難不被破壞而剝離下來，最終無法對其進一步研究。這對于未打漿的漿料來說更是如此。因此，采用325目成形網進行后續實驗以研究初級細小纖維、二次細小纖維以及機械法制備的纖維素添加劑對手抄片性能的影響。

圖2　不同成形網網目對細小纖維留著的影響

3組實驗采用無細小纖維的未磨硫酸鹽漿料，通過加入初級細小纖維、二次細小纖維以及纖維素添加劑制備手抄片，以考察其對紙張性能的影響。細小纖維的用量為4.8%，這與未磨漿料中初級細小纖維的含量相同。手抄片制備好后，測定其質量、厚度、透氣度、濾水性能和裂斷長，為了確保每組紙樣細小纖維含量相同，實驗取第8張之后的紙樣進行檢測，其結果如圖3所示。

從圖3可以看出，添加二次細小纖維后，紙張的緊度和裂斷長提高而濾水性能和透氣度降低。有研究認為細小纖維和纖維之間較高的毛細管作用力可改善紙張性能：細小纖維的存在會拉近纖維之間的距離，從而降低孔隙率和透氣度；與初級細小纖維和纖維素添加劑相比，二次細小纖維的這種作用更加強烈；與初級細小纖維相比，二次細小纖維細纖維化程度和表面電荷更高，從而有利于提高紙張的緊度；因此，這不僅增加了鍵合面積也增加了鍵合強度。有研究表明，添加初級細小纖維可使紙張的抗張強度提高約5%，而若采用經過磨漿后的細小纖維則可提高近30%。另有研究表明，當添加10%的二次細小纖維或者15%的初級細小纖維，均可使紙張的抗張強度提高30%。本實驗添加二次細小纖維紙張的裂斷長比添加初級細小纖維的紙張高84%。

圖3　不同類型的細小纖維對手抄片性能的影響

含有初級細小纖維和纖維素添加劑的紙張表現出了相似的性能，且添加纖維素添加劑的漿料的濾水性能更好。機械法制備的纖維素添加劑長度較短，但是其寬度很大，這些球狀顆粒可能導致透氣度更高。由于該儀器的測試上限為5 000 mL/min，因此無法測定該樣品的真實透氣度。此外，漿料的濾水性能的改善也反映出了紙張中的孔隙并未被纖維素添加劑堵上，因此手抄片中纖維素添加劑起到了擴充作用。

4　結論

（1）研究建立了一種獲得恒定細小纖維含量手抄片的方法，并且采用L&W纖維測試儀可較為容易地測定細小纖維的含量。該方法可用于評價細小纖維和其他在尺寸上與細小纖維相當的添加物對漿料和紙張性能的影響。

（2）機械留著作用越高，細小纖維達到恒定時所需要的手抄片數量越少；然而，500目的成形網由于毛細管作用力較大，從而成形網剝離紙張時容易造成紙張表面破壞。因此，從實際應用角度考慮，325目的成形網已經是可使用的最細的成形網。

（3）二次細小纖維對裂斷長影響最大。初級細小纖維和纖維素添加劑對紙張性能影響相似。

（宋順喜編譯）