探析紙漿模塑濕部化學原理及其對設備、模具和制品設計的影響

■ 文/劉志忱

紙漿模塑行業異軍突起，發展很快，逐步趨于成熟，但新行業從業人員缺乏相關理論知識，會影響生產和產品質量，生產順利時不甚了解順利的原因，生產不順利時很難準確找出問題的所在。學一些相關理論知識，知其然也要知其所以然，有助于開發新產品，合理使用新設備和設計模具，促進行業發展。

紙漿模塑行業發展初期，大部分產品原料都是使用廢紙，制品是先干燥后整形的內包裝制品。制品的形位公差、尺寸公差和外表都要求不嚴。近年來發展起來的精品包裝、快餐具和食品包裝都使用原漿紙，對制品要求很高，研究紙漿模塑濕部化學原理尤為重要。

1 紙漿模塑濕部化學定義

紙漿模塑濕部化學是論述紙漿料中的各種組分，如纖維、水、填料、化學助劑等在成型機模腔濾水、留著、成型及在白水循環過程中產生的相互間反映與作用的規律以及影響成型機的運行和制品質量的一門學科。

這里提到的紙纖維是指植物秸稈經過蒸煮和分絲帚化加工后才能得到的纖維，含有大量羥基和氫氧鍵，長度在1～7 mm，直徑在20～50μm，壁厚在3～7μm，形態為中空兩端尖尖的微觀物料，與通常講的纖維有本質區別。

濕部化學中提到的紙漿組分中的水起到介質作用，即水橋。各種組分和配料都是懸浮在水中。在工藝的各個階段中，水直接起作用，既起到溶解助劑，水合和潤脹纖維的作用，還起到濕紙坯形成時化學反應的介質環境。

填料和化學助劑是指助留劑、助濾劑、干強劑、濕強劑、消泡劑、防泡劑、防腐劑和色料等。

2 紙漿模塑濕部化學原理與作用

從濕部化學原理開始，借助表面化學和膠體化學研究纖維助留、助濾和脫水等形成機理與過程，從而使紙漿模塑模具設計更加完善和理性化，從而提高產品質量和降低成本。

組成漿料的組分除了纖維以外，其余的組分顆粒直徑均在膠體顆粒范圍之內（即直徑小于10μm）。由于膠體顆粒具有很大的比表面積，這些組分具有很強的吸附能力，化學反應都發生在這些顆粒的表面。此外，濕部化學的反應與整個漿料疏水膠體系統有關，因此在濕部成形過程中發生的各種變化，主要涉及膠體化學和表面化學的反應。

濕部化學研究的目的是通過在漿料中施加填料和助劑來改變制品的成型過程和改善制品的質量。以提高紙品最終使用性能與質量為主要作用的一類助劑被稱為功能性助劑；另一類以促進和改善成型過程為主，防止產生干擾和減少原料和能源消耗的，被稱之為過程助劑。

過程助劑有助留劑、助濾劑、樹脂控制劑、濕強劑、防腐劑和網膜清洗劑等。功能性助劑有干強劑、防水劑、防油劑、染料、增白劑、柔軟劑等。助劑與添料是以水為橋（介質環境），以離子形式吸附在纖維和細小纖維表面以改善其濾水性、留著性或增強纖維間的結合強度。

濕部化學除研究助劑之外，更主要的是研究纖維和細小纖維的化學特性，主要表現為吸附性能、潤脹性能、離子交換性能。這些性能都受到纖維和細小纖維比表面積、表面電荷和表面化學組成的影響。

由于細小纖維的體積小，單位質量有很大的表面積，據Marton研究報告確定，細小纖維表面積是纖維的5至8倍，表面積直接影響吸附?；瘜W助劑主要是通過吸附過程起作用，所以細小纖維在濕部化學中起到主要作用。細小纖維吸附能力是纖維的2至3倍，細小纖維對濾水作用也產生重要影響，細小纖維在配料中占有40%～60%的量，因而，細小纖維的留著對漿料有效作用是關鍵。

有些紙漿模塑企業目前還沒有注意到濕部化學研究將直接影響模具設計和成型機操作的重要性，生產線中缺乏對濕部化學測量和控制手段，在模具設計和評價中更沒有使用纖維留著率測定儀。

了解紙漿模塑機理，掌握濕部化學的變化規律，調整化學助劑的加入點，加入量有利于模具設計和成型機的運行。沒有紙漿模塑理論指導，設計出來的模具是知其然而不知所以然，很難生產好的制品；更重的是會影響生產工藝，造成大量材料和能源的浪費。

3 留著與模具的關系

留著是抄造紙的術語，是指導漿料中的纖維被成型網模截留從而形成紙制品。其定義包含兩個內容：一是指送到成型機濕部的物料數量與熱定型后的紙制品物料數量之比，二是單程留著是濕紙坯在熱定型前所含物料數量與熱定形后物料數量之比。

漿料中的細小組分是一種很細小的顆粒狀物料，一般指能通過60目網孔眼的部分為細小纖維（Jaycoc）。對其某種漿種，細小纖維在配料中占有50%左右的量，所以研究留著實際上是針對這些組分。細小纖維的留著，最終是通過機械截流完成的。機械截留是指通過纖維沉淀在網模上形成墊的縫隙來抓住細小纖維。開始時，由于形成網模的孔洞比纖維顆粒大得多，只有漿料中的長纖維部分被成型網模截留。更多的細小纖維才會在更密的漿墊上被截留。

從細小纖維定義來看，是能通過60目網孔的組分。而一般網模網孔都在40～65目，為了防止細小纖維大量流失，利用濕部化學方法使其漿料中產生膠體聚集。細小纖維的膠體聚集是使細小纖維留著的主要方法。包括有純細小纖維組分形成的絮凝物以及含有纖維的細小纖維組分絮凝物，在后者中，細小纖維吸附在纖維表面上，這些細小纖隨纖維截留在成型漿墊中。

留著使紙制品，在結構上有兩面性，漿料中的細小纖維組分分布在網模一邊要比另外一邊少得多。有些餐具企業為了生產表面光滑便于印刷的紙餐具，采用網模外吸附成形，使網痕留在制品內表面，采用這種方法生產出來的制品，防水、防油功能大大降低，為了獲得同等功能就要加入助劑使用量，從而增加了成本。因此，在設計模具時要根據制品受力和使用情況來選擇模具工作面。

為了保證網模有足夠的通過能力而提高生產率，網模濾網孔就不能選擇太小，而網孔大了之后，大量的細小纖維又會白白跑掉。為了解決這一矛盾，在網模設計時要選擇足夠大的網孔，在漿料中利用助留劑使細小纖維發生膠體聚集，從而提高網模的截留能力。膠體聚劑是尋求促進細小纖維間的絮凝，希望減少純纖維間的絮凝。為了使紙制品均勻和提高留著率，最理想狀態是使大多數的細小纖維組分能粘附在纖維上，要達到這樣的效果，只能在濕部網模前添入助留劑。

使用了助留劑就可以在同等留著率情況下加大網模的網孔，從而提高生產率。助留劑品種的選擇又與網孔的編織方法、網孔的幾何種形狀、網模材質和網絲直徑有著密切關系。

留著是形成紙制品的重要工部，紙制品強度是從這里開始的。紙制品強度的形成和紙纖維的結合力。紙的強度決定于一根纖維和所有纖維的結合，一根纖維標定纖維種類，所有纖維的結合決定于生產工藝。

紙強度形成機理認為在水中的纖維表面游離出大量羥基和氫氧鍵，在水橋作用下，把羥基組成適當的排列，水的表面張力將纖維拉近在一起，最終形成纖維間的氫鍵結合，這種氫鍵結合即表現為纖維之間的結合力。氫鍵結合只有在相鄰羥基之間的距離小于27.6-8cm時才能實現。

4 濕部化學對成型機運行穩定性影響

濕部化學對成型機運行有正、反兩面的影響，一方面，濕部化學可以用在增強濾水性，減少空氣進入和消除泡沫，保持成型機清潔，以及保持白水中低的固體含量。另一方面，如果這些因素失去控制，相同的濕部化學現象會使成型機運轉不正常，制品產生斑點和氣泡，并降低濾水性，使成型機不清潔，從而降低生產效率。其主要表現以下幾方面。

4.1 紙料的濾水性

在成型機運行中，紙料的濾水性是一個重要性能。濾水程度將受纖維與纖維以及細小纖維與細小纖維間的絮凝影響。如果形成的絮凝物大而多孔，就會使紙料變得黏滯而阻礙水通過，從而降低濾水性。

4.2 沉淀和結垢

當濕部化學失控時，經常會發生沉淀和結垢，通常的原因是化學添加劑的過量使用、電荷不平衡、化學品的不兼容以及化學平衡不穩定等。這些都能導致成型機產生沉淀和結垢，目前已有許多方法可以清理沉淀和結垢，但最好的辦法是找到失控的原因，并加以校正。

4.3 泡沫的形成

纖維含有能穩定空氣進入紙漿的物質（某些化學添加劑也起同樣的作用），會降低紙料的濾水性，產生黏狀物和泡沫。一旦發生了，最好的方法是找到根源并消除。如果不可能做到，一般可以采用機械的和化學的方法來消除，此時濕部化學的作用將減小。

5 濕部化學測量、控制和發展趨勢

最近幾年，紙漿模塑行業對濕部化學領域的最大興趣就是試圖對濕部化學品的添加和運用建立一套可以全面控制的技術與方法。目前對于這個問題的解決，是要達到建立一個復雜的物理化學模式來試圖解釋多組分化學體系中的吸附、留著和其他工藝運行性。這個方面的內容主要包括濕部化學的試驗測量技術和在線測量，成型機運行數據以及濕部化學的過程控制技術。

在過去十年中，濕部化學研究的一個主要趨勢是完成了從酸性抄紙到堿性抄紙的轉化。紙制品在較高的pH值下進行成型，優點是減少設備的腐蝕，使纖維獲得很好的潤脹，強度大大提高，填料含量的提高、濕紙坯干燥容易，成型速度加快、產量增加、能耗降低。因此，中性或堿性造紙技術的應用推廣，對濕部化學產生了巨大的影響。在這種情況下，就需要對造紙中應用化學添加劑進行全面的概括和研究。造紙濕部化學目前的發展趨勢主要表現在以下幾個方面。

第一個趨勢：就是CaCO3，填料以及填料改性等。

第二個趨勢：濕部化學實際在廢紙漿的使用中，由于廢紙中帶進的污染物在漿料中大量增加，這些污染物在消耗化學添加劑的同時，網模的沉淀問題也隨之出現。

第三個趨勢：化學添加劑用在高精制品和食品包裝上，在使用填料、助留劑、增強劑等時一定要選用最先進的造紙業技術，紙漿模塑雖然是后起之秀，不要忘記造紙業技術遠遠超前。

第四個趨勢：開發新型濕部化學助劑如陽離子型的干強劑、濕強劑、陽離子分散松香膠等造紙化學品。

第五個趨勢：未來濕部化學過程測量與控制，隨著新的在線監測技術的發展，從業人員在實際運用新的控制以及將濕部化學過程控制與成型機其他控制方案分開進行，從而達到對紙漿模塑濕部化學作用的控制。

紙漿模塑行業新技術的發展，要求建立起一套與之相適應的濕部化學控制系統。目前市場上供應的造紙化學助劑復雜多樣，在濕部化學方面如何用好這些化學助劑以促進紙漿模塑工業發展顯得十分重要。