濕強劑在二次纖維配抄薄頁包裝紙中的應用研究

柯吉熊苗慶顯陳禮輝黃六蓮［. 福建優蘭發集團（實業）有限公司，　福建　晉江　36；. 福建農林大學 材料工程學院，　福建　福州　35000］

濕強劑在二次纖維配抄薄頁包裝紙中的應用研究

柯吉熊1苗慶顯2陳禮輝2黃六蓮2
［1. 福建優蘭發集團（實業）有限公司，福建晉江362221；
2. 福建農林大學 材料工程學院，福建福州350002］

傳統的薄頁包裝紙生產都采用原生漂白木漿，生產成本較高。采用二次纖維替代部分原生纖維在高速紙機上生產薄頁包裝紙，能夠降低企業生產成本。在添加80%的二次纖維情況下高速抄造薄頁包裝紙過程中，研究了濕強劑聚酰胺環氧氯丙烷樹脂（PAE）的添加對紙張抄造和紙張性能的影響。結果表明，PAE的添加可以迅速降低漿料的溶解電荷和表面電荷，其最佳添加量為0.6%。在此用量下，漿料取得最低的保水性能和較好的抄造性能。此時漿料濾水性能最好，對濕紙抗張指數、濕紙拉伸積和成紙吸收指數提高效率最高。

薄頁包裝紙二次纖維濕強劑PAE抄造性能紙張性能

二次纖維的循環利用是造紙行業的趨勢之一。其回收利用可降低木材資源消耗、環境污染負荷和生產成本。為此，將二次纖維部分取代原生木纖維生產薄頁紙，可用于衛生要求較低的服裝、鞋類、器皿、儀器等的包裝。薄頁包裝紙由于定量較低，所以其抄造性能和成紙強度一直是生產關注的焦點。然而，廢紙在回用過程中不可避免地發生了纖維品質的下降問題[1]，導致了濕紙幅強度和成紙強度性能較差；細小組分和膠黏物含量高，漿料濾水性能下降、濕紙幅發生粘缸粘網，從而使得紙機斷紙次數明顯增加。這些問題嚴重干擾了薄頁包裝紙的紙機運行速度、生產效率和產品性能的提高。

濕強劑通過保護已有纖維間的結合、產生新的抗水結合以及與纖維形成網絡結構三種作用來提高紙頁的干濕強度性能[2]。因此，濕強劑的添加成為提高漿料抄造性能和紙頁產品性能的常用手段。添加濕強劑也可在降低原生木漿配抄比例的同時，保障薄頁紙的濕紙強度以滿足生產的需要。這對節約木材資源、降低企業生產成本具有重大意義。

聚酰胺環氧氯丙烷樹脂（PAE）是一種優良的濕強劑[3]，不僅能適應中堿性造紙，而且負面影響小、應用范圍廣。因此，在前期研究基礎上以80∶20配比的廢紙脫墨漿和漂白硫酸鹽針葉木漿的混合漿料為原料，研究PAE添加對混合漿料濕部系統、抄造性能和成紙性能的影響，以期為薄頁包裝紙的生產實踐提供參考。

1　試驗原料和試驗方法

1.1原料與試劑

漂白硫酸鹽針葉木漿板（NBKP），打漿度62 °SR；脫墨漿（DIP），打漿度53 °SR；聚酰胺環氧氯丙烷樹脂（PAE）:固含量12.0%，陽電荷密度為9.99 meq/g。

1.2試驗儀器

Mütek SZP-06 Zeta電位儀，BTG公司；Mütek PCD-03電荷自動滴定儀，BTG公司；YQ-Z-48B白度測定儀，杭州輕通儀器開發公司；RJ-TDL-50A低速臺式大容量離心機，瑞江公司。

1.3試驗方法

（1）抄片。添加自來水控制漿料濃度為0.01%，用標準紙頁成形器抄定量35 g/m2的紙頁，壓榨烘干，恒溫恒濕處理24 h，以備檢測其物理強度性能。

（2）打漿度的測定。按GB/T 3332—1982 《漿料打漿度的測定法（肖伯爾-瑞格勒法）》進行測定。

（3）漿料Zeta電位的測定。取相當于2 g絕干漿的漿料，配成0.5%的濃度，在磁力攪拌器上攪拌5 min，采用Zeta電位儀測量漿料的Zeta電位。

（4）漿料溶解電荷的測定。取相當于1 g絕干漿的漿料，配成2%的濃度，在磁力攪拌器上充分攪拌，將漿料在3 000 r/min下離心30 min，取10 mL上層清液，以PDADMAC為標準聚陽離子溶液，采用電荷自動滴定儀測定其溶解電荷。

（5）漿料留著率的測定。根據抄片烘干恒溫恒濕后紙頁的質量與抄片時加入漿料的絕干質量計算。

（6）濕紙強度測試。用臥式電子紙張拉力試驗機進行測定，夾距50 mm，紙張寬度15 mm，通過內推法取對應于某個標準干度下的數值報告試驗結果。濕紙幅的干度通過改變吸水紙的層數來調節。

（7）濕紙拉伸積的計算。

式中:S ——拉伸積，N·m；

F ——抗張力，N；

ΔL——伸長量，m。

換算為相同定量，夾距100 mm，試樣寬度15 mm計算。

式中:F——抗張力，N；

Y ——抗張指數，mN/g；

Lw——試樣寬度，mm；

g ——定量，g/m2。

換算為相同定量，夾距100 mm，試樣寬度15 mm計算。

（8）裂斷長測試:

按GB/T 453—1989 《紙和紙板抗張強度的測定法（恒速加荷法）》進行測定。

2　結果與討論

2.1PAE用量對漿料濕部化學特性的影響

2.1.1PAE用量對漿料打漿度的影響

PAE用量對漿料打漿度的影響如圖1所示。隨著PAE樹脂的添加，漿料打漿度呈現先顯著下降后上升的趨勢。PAE的添加應確保漿料的打漿度不宜過高，以使漿料保水能力下降、提高漿料的濾水性能，從而提高紙頁成型和紙機操作運轉效率、降低干燥負荷。

圖1 PAE用量對漿料打漿度的影響

2.1.2PAE用量對漿料溶解電荷的影響

圖2為PAE用量對漿料溶解電荷的影響。由圖（2）可知，隨著陽電性PAE添加量的增加，漿料的溶解電荷先是顯著降低而后趨勢有所減緩，轉折點在添加量0.6%左右。另外，將白水用0.45 μm濾膜進行過濾發現，過濾時間隨PAE添加量的提高呈現先下降、而后升高的趨勢，且當PAE添加量為0.6%時過濾速度最快。這說明，添加PAE可降低白水溶解電荷量的一個重要因素是PAE可通過交聯、中和作用將細小組分留著在紙頁中。繼續提高PAE用量，漿料溶解電荷陽離子電荷需求量不再顯著降低主要是因為PAE吸附到纖維表面，且相對于紙漿纖維其在溶液中的濃度很低；而過濾速度降低則是由于PAE使溶解和膠體物質發生了絮聚。鑒于此，此處將PAE的用量定為0.6%。

圖2 PAE用量對漿料溶解電荷的影響

2.1.3PAE用量對漿料Zeta電位的影響

圖3為PAE用量對漿料Zeta電位的影響。由圖（3）可知，隨著陽離子PAE用量的增加，漿料的Zeta電位呈現先微弱增加而后較快上升的趨勢，轉折點處的PAE用量約為0.6%。這說明，PAE樹脂添加到漿料中，首先是發生PAE中和漿料中的細小組分等攜帶電荷的物質而后PAE才在纖維表面發生吸附。這與前人發現PAE的增濕強過程時發生了PAE的吸附現象一致[4]。漿料的Zeta電位趨近零點對漿料的留著和濾水性能的提高是有利的。鑒于PAE用量高于0.6%時單位用量的PAE對降低漿料Zeta的效費比不高，不建議采用高用量的PAE來提高漿料的Zeta電位值。

圖3 PAE用量對漿料Zeta電位的影響

2.1.4PAE用量對漿料留著率的影響

圖4為PAE用量對漿料單程留著率的影響。從圖（4）可以看出，漿料的留著率隨著PAE用量的增加呈線性升高。因為紙漿具有負電荷表面，加入陽離子助劑后，降低了纖維的表面電荷，促進細小纖維間的絮聚、PAE對細小纖維的靜電吸附和對纖維間的交聯共同作用使得纖維可以得到較好的留著。

圖4 PAE用量對漿料留著率的影響

2.2PAE用量對薄頁紙抄造性能的影響

2.2.1PAE用量對漿料濾水性能的影響

圖5為PAE用量對漿料濾水性能的影響。由圖（5）可知，漿料的抄片濾水時間隨著PAE用量的增加呈現先較快降低至一最低值后轉而增加的趨勢，轉折點的PAE用量約為0.6%。結合圖2和圖3可知，這是由于PAE可中和漿料系統的溶解電荷（由陽電荷需求量表征）和纖維表面電荷（由Zeta電位表征）；漿料系統整體負電荷的降低，削弱了漿料表面的水化層厚度，破壞纖維間的水結構。另外，PAE在漿料纖維和細小組分之間的交聯作用促進細小纖維間的絮聚，可減少結合水的持有量，降低流體阻力，從而提高了漿料的濾水性能[5]。PAE用量繼續增加導致漿料體系由陰電荷轉化為陽電荷，體系過度陽離子化，漿料過度絮聚從而封閉了纖維網絡的孔隙，從而使得濾水時間增加。

圖5 PAE用量對漿料濾水性能的影響

2.2.2PAE用量對濕紙抗張強度的影響

濕紙抗張強度是指紙頁在抄造過程中未經干燥的濕紙幅的強度，一般指紙幅干度在20%~50%時濕紙幅的強度。鑒于手抄片的水分含量對濕紙強度有十分顯著的影響，且在試驗室條件下得到特定干度的紙頁不易實現，此處對不同PAE添加量的紙漿均進行了不同干度下的濕紙強度檢測，然后通過插值法得到手抄片在25%干度時的濕紙抗張指數。其結果如圖6所示。由圖可知，濕紙抗張指數隨PAE添加量的增加先是顯著提高而后趨于平緩，轉折區域在PAE添加量為0.6%左右。

圖6 PAE用量對濕紙抗張指數的影響

對比圖5、圖6可知，PAE的添加同時提高了濕紙抗張強度和濾水性能，都有利于漿料抄造性能的提高。為了考察PAE添加量對漿料抄造性能的提高效率，此處把濕紙強度與該紙幅所對應漿料的打漿度進行了對比，如圖7所示。隨著PAE添加量的增加，濕紙抗張指數隨著打漿度的逐漸降低先較快提高而后趨于穩定，結合圖5可知轉折區域的PAE添加量在0.6%左右。此時PAE的添加對漿料抄造性能的提高效率最好。

2.2.3PAE用量對濕紙拉伸積的影響

參考紙袋紙用抗張能量吸收值或拉伸積來評價紙張承受瞬間沖擊力的能力。此處用拉伸積[6]來評價薄頁紙抄造過程中紙張承受車速波動或其他意外沖擊力而減少斷紙次數的能力。同樣用插值法得到手抄片在25%干度時的濕紙拉伸積，其結果如圖8所示。添加適量的PAE即可顯著提高濕紙幅的拉伸積。當PAE用量超過0.6%時，PAE在纖維間的交聯形成的網絡聚合物對纖維間結合的保護已經接近飽和。這導致繼續增加PAE用量，對纖維間的保護作用增加不大，而是使得多余的PAE在液相中彼此交聯增加，降低了PAE的利用率。因此，濕紙抗張指數和拉伸積均在PAE用量超過0.6%后不再隨PAE用量的提高而顯著增加。

圖7 濕紙抗張指數與打漿度的對應關系

圖8 PAE用量對濕紙拉伸積的影響

2.2.4PAE用量對濕紙幅黏附力的影響

PAE用量對濕紙幅黏附力的影響如圖9所示。從圖（9）可知，濕紙幅黏附力隨PAE用量的增加呈現先減小后增大的趨勢。隨PAE用量的增加，漿料中的細小纖維出現絮聚，破壞了漿料中致密的水結構，從而使得漿料與黏附材料水膜的致密性降低，從而降低了紙幅的黏附力；隨后當PAE用量超過0.6%左右時，過量的PAE使纖維出現了過度的絮聚，同時多余的PAE在水中彼此自交聯，反而使得濕紙與黏附材料間形成更加致密的水膜，從而使得紙幅黏附力上升。

圖9 PAE用量對濕紙黏附力的影響

圖10為PAE用量對濕紙S/A比值（拉伸積/黏附力比值）的影響。從圖10可知，隨著PAE用量的增加，濕紙S/A比值呈現先升高后略微下降的趨勢。

圖10 PAE用量對漿料S/A比值的影響

漿料S/A比值隨PAE用量的升高說明了薄頁紙在抄造過程承受其他意外沖擊力而減少斷紙次數的能力是逐步提高的。結合圖5 PAE用量對漿料濾水性能的影響可知，PAE添加量在0.6%左右時漿料取得最好的濾水性能。綜合漿料S/A比值和濾水性能，混合漿料在PAE添加量為0.6%時取得較好的抄造性能。

2.3PAE用量對成紙性能的影響

PAE樹脂含有叔胺、季胺功能基[6]和氮雜環丁烷功能基，可以與纖維表面的醛基、羧基和羥基發生反應，產生交聯。其中部分PAE樹脂發生自交聯，另一部分在纖維表面發生吸附，如此產生的PAE-纖維網絡結構能保護纖維間的結合，提高抄造過程中濕紙的強度；在后續的熟化過程中PAE-纖維網絡結構的進一步固化，可以防止水進入破壞纖維間的氫鍵結合，從而可以阻止紙受水浸泡后而發生的潰爛，增加了成紙的濕強度[7]。

2.3.1PAE用量對成紙白度的影響

圖11為PAE添加量對成紙白度的影響。從圖11可知，成紙白度隨著PAE添加量的增加先是顯著下降后趨于穩定，轉折區域在0.6%左右的添加量。原因是由于帶有淡黃色的PAE均勻地吸附在纖維上，使得成紙的白度迅速降低。同時紙頁白度在0.6%左右的添加量趨于穩定，表明此時纖維對PAE的吸附開始趨于飽和。

圖11 PAE用量對紙頁白度的影響

2.3.2PAE用量對成紙撕裂度的影響

圖12為PAE添加量對成紙撕裂強度的影響。從圖12可知，PAE添加對成紙撕裂強度影響不大。這是由于紙張撕裂度主要受纖維平均長度、纖維的交織情況及纖維本身強度的影響。

圖12 PAE用量對紙頁撕裂強度的影響

2.3.3PAE用量對成紙裂斷長的影響

提高薄頁紙的吸收指數和裂斷長，不僅可改善紙張的產品性能，而且可減少紙張在生產過程中因受到機械力的沖擊而發生斷紙的頻率，對穩定生產極具意義。圖13為PAE用量對薄頁紙成紙裂斷長和成紙吸收指數的影響。由圖13可知，PAE的添加可以明顯地提高成紙的裂斷長，成紙吸收指數亦隨PAE添加量的增加而逐漸升高；但是，當PAE用量分別達到0.2%和0.6%時，手抄片的吸收指數和裂斷長增加的趨勢均開始放緩。

圖13 PAE用量對紙張性能的影響

2.3.4PAE用量對成紙再濕強度的影響

圖14表明，添加適量的PAE可以顯著提高成紙的濕強度。當PAE用量為0.5%時，成紙裂斷長保留率為21.1%，是未添加濕強劑（裂斷長保留率為5.9%）成紙裂斷長保留率的7.3倍；濕裂斷長為0.61 km，是空白紙（濕裂斷長為0.15 km）裂斷長的4.1倍。

圖14 PAE用量對紙頁濕強度的影響

2.4熟化時間對PAE性能的影響

樹脂熟化是PAE活性基團繼續交聯的過程，是濕強紙獲得濕強度的必要過程。試驗采用烘干法加速熟化過程，具體方法為將紙樣放置在105℃的烘箱中，間隔時間測試紙樣的性能。不同烘干時間加速熟化對紙頁裂斷長的影響如圖15。隨著烘干熟化時間的延長，成紙裂斷長先顯著增加而后開始降低，強度在10 min的時候取得最大值。這是由于烘干增加了酯基的生成，促使了PAE樹脂與纖維的進一步交聯[7]。但是當烘干熟化時間超過10 min后，交聯后的PAE樹脂網絡發生了塑化而變脆，從而導致了成紙強度的下降。

圖15 PAE熟化時間對紙頁裂斷長的影響

圖16為PAE烘干熟化時間對濕抗張強度的影響。從圖16可知，雖然隨著烘干熟化時間的延長，成紙裂斷長的保留率逐步增加，但是成紙裂斷長卻呈現先增后降的趨勢，峰值出現在烘干熟化時間為10 min處。

圖16 PAE熟化時間對濕抗張強度的影響

由圖14 PAE用量對紙頁濕強度的影響可知在PAE添加量為0.5%處，未經過熟化處理的成紙裂斷長保留率為21.1%。由圖16可知，經10 min烘干熟化后的成紙裂斷長保留率為25.4%，濕強度較未經過熟化處理的紙頁有明顯的提高。

當PAE的烘干熟化時間超過10 min時，雖然裂斷長保留率有所增加，但增加幅度不大；同時成紙的裂斷長和濕裂斷長都因樹脂塑化而開始下降。因此，抄造以二次纖維為主要原料的薄頁紙當有需要烘干加速熟化時，時間不應超過10 min。

3　結束語

（1）PAE添加到漿料中，PAE先中和漿料的溶解電荷而后吸附到纖維上。

（2）PAE樹脂的添加使得漿料的保水性先迅速降低后上升，在0.6%左右的添加量漿料取得最低的保水性能。

（3）陽電性PAE樹脂的添加可以迅速降低漿料的溶解電荷和表面電荷，纖維對PAE吸附飽和點在PAE用量0.6%左右。

（4）PAE用量在0.6%左右時，混合漿料獲得較好的抄造性能。此時漿料濾水性能最好；對濕紙抗張指數、濕紙拉伸積和成紙吸收指數提高效率最高；對S/A比值提高效率較大。

（5）當PAE的添加量高于0.6%時，對成紙裂斷長的提高趨于平緩。

（6）PAE樹脂的烘干加速熟化時間為10 min時，對成紙裂斷長提高最大，裂斷長保留率有所增大。

（7）以添加量0.6%左右作抄造以二次纖維為主要原料的薄頁紙時PAE的為最佳添加量。

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