一種熱封紙袋用紙的制備研究

程金茹 胡建全 楊 乾 劉 忠惠嵐峰

（天津科技大學輕工科學與工程學院，天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457）

一次性塑料購物袋大多采用聚乙烯或聚丙烯塑料薄膜制成[1]，因其使用方便，價格便宜，得到廣泛應用。但塑料購物袋不易生物降解，丟棄后很難處理，導致白色垃圾泛濫成災，對環境造成嚴重的污染[2]。因此，限制不可降解塑料袋的使用，并尋求可生物降解替代品已成為廣大研究工作者的共識。到2025年底，我國絕大部分地區禁止使用不可降解塑料袋。新版“限塑令”的實施使紙制品重新被重視起來。

然而，“以紙代塑”仍存在很多技術上的挑戰，如紙袋的濕強度不如塑料袋，且不可熱封等問題，均使紙袋的應用受到了限制。濕強紙是指紙張濕強度超過其干強度15%以上的紙張[3]。提高紙張濕強度的方法主要是添加濕強劑，聚酰胺多胺環氧氯丙烷（PAE）是目前應用最廣泛的造紙濕強劑，在中性或堿性的條件下，能夠吸附到帶負電荷的纖維上，形成聚合物網狀結構，從而限制纖維的活動；經過干燥熟化后，PAE樹脂發生縮合，使紙張的濕強度達到最大值[4]。聚乙烯醇（PVA）纖維是一種環保型的綠色產品，能在較短的時間內降解，可以用作紙張增強劑以增加紙張的抗張強度、耐破度和撕裂度等[5-7]，還可以增加美紋紙原紙的層間結合強度[8]。

為了在滿足紙張強度的同時降低生產成本，探索了PAE、烷基烯酮二聚體（AKD）和PVA纖維在紙袋用紙中的應用。本研究選用本色針葉木漿配用一定比例的本色竹漿為纖維原料制備紙袋用紙，并通過漿內添加PAE和AKD提高紙袋用紙的濕抗張強度和抗水性，擴大了紙袋用紙的應用范圍。利用PVA纖維的水溶性特點，將其進行漿內添加，在增強紙張強度的同時實現紙袋用紙的熱封性，滿足了消費者對紙袋密封的需求。

1 實驗

1.1 實驗原料

美國喬治亞太平洋本色針葉木漿，取自玖龍紙業有限公司；本色竹漿，取自四川環龍新材料有限公司；PAE，取自浙江傳化股份有限公司；AKD，取自索理斯上海化工有限公司；PVA纖維，取自濟南馳達科貿有限公司。

1.2 實驗設備

實驗中所用設備如表1所示。

表1 實驗中所用設備Table 1 Equipment used during the experimental

1.3 實驗方法

1.3.1 打漿

用磨漿機對本色針葉木漿和本色竹漿進行打漿，通過控制磨漿機轉數來控制漿料的打漿度。其中，漿料濃度10%，打漿間隙0.2 mm。

1.3.2 打漿度測試

取2 g絕干漿于量筒內，加入300 mL的清水將漿料分散均勻，繼續加清水至1000 mL，攪拌分散均勻后，控制溫度(20±1)℃，倒入濾水筒內，停留5 s后，提起錐形蓋，待側流管停止滴水后，測量打漿度。

1.3.3 抄紙

先用標準疏解器疏解一定量的紙漿，疏解完成后，倒入桶中調節漿濃約0.2%。用紙頁成型器抄造紙袋用紙樣品，干燥溫度95℃，時間10 min。

1.3.4 物理性能檢測

將樣品在溫度(23±1)℃，相對濕度(50±2)%的條件下處理4 h，根據GB/T 12914—2018和GB/T 455—2002進行紙張抗張強度和撕裂度測試。

1.3.5 粘合強度測試

將樣品裁切成150 mm×15 mm的矩形紙條，分別在2張紙條的一端涂抹一層清水，涂抹面積15 mm×15 mm，然后將涂抹部位向內貼合在一起，用自動薄膜封口機進行熱封，參照QB/T 4319—2019進行粘合強度測試。

1.3.6 掃描電子顯微鏡（SEM）觀察

用導電膠將被拉伸試驗機拉開的樣品粘合部位固定在金屬圓臺上，經過噴金處理，在10 kV的加速電壓下進行形貌觀察。

2 結果與討論

2.1 打漿度對紙袋用紙強度性能的影響

2.1.1 打漿度對本色針葉木漿制備紙袋用紙強度性能的影響

為了盡量保留纖維的長度，使纖維盡可能多地分絲帚化，所以選用磨漿機打漿[9]。圖1顯示了不同打漿度的本色針葉木漿制備紙袋用紙的抗張指數和撕裂指數。

圖1 不同打漿度的本色針葉木漿制備紙袋用紙的抗張指數和撕裂指數Fig.1 Tensile index and tear index of paper from unbleached softwood pulp with different beating degrees

從圖1可以看出，本色針葉木漿制備紙袋用紙的抗張指數隨打漿度的增加整體呈上升趨勢。在打漿初期，打漿度較低的漿料制備的紙袋用紙的抗張指數上升較快，這主要是因為半纖維素吸水潤脹和細纖維化。半纖維素分子鏈比纖維素分子鏈短，且半纖維素有很多支鏈結構，沒有結晶區，水分子易于進入，與纖維素相比，打漿時更容易吸水潤脹和細纖維化[10]，使纖維的結合力迅速上升，從而使紙張的抗張指數迅速增加。隨著打漿度進一步提高，纖維素吸水潤脹和細纖維化的程度增大，纖維之間的結合力也進一步提高，導致抗張指數繼續增加，但上升的幅度相對打漿初期有所下降，說明纖維的外表面積已經充分暴露，纖維已經高度分絲帚化，導致纖維結合面積的增加變得非常困難。

從圖1還可以看出，本色針葉木漿制備紙袋用紙的撕裂指數隨著打漿度的增加呈現先上升后下降的趨勢。這是由于紙張撕裂度的主要影響因素是纖維的平均長度，其次是纖維之間的結合力、纖維的排列方向、纖維自身強度和纖維與纖維的交織情況等[11]。打漿初期（打漿度小于13°SR），纖維表面羥基的數量增加，纖維之間的結合力迅速增加，導致纖維被抽出所需作的功增加，故而樣品的撕裂指數迅速升高。當纖維之間的結合力增加到一定程度時，纖維本身被拉斷，而不是纖維被抽出，此時拉斷纖維所需作的功要比克服纖維之間結合力將纖維抽出所需作的功小，表現為撕裂指數下降。所以，綜合考慮抗張指數和撕裂指數，確定本色針葉木漿的打漿度為32°SR，此時紙張的抗張指數和撕裂指數均能達到GB/T 7968—2015中一等品的指標要求。

2.1.2 打漿度對本色竹漿制備紙袋用紙強度性能的影響

圖2顯示了本色竹漿制備紙袋用紙樣品的抗張指數、撕裂指數隨打漿度上升的變化情況。從圖2可以看出，在打漿度小于20°SR階段，本色竹漿制備紙袋用紙的抗張指數和撕裂指數上升幅度均較大，這是因為竹漿的非纖維細胞含量較多[12]，從而在打漿過程中會產生纖維碎片；此外，竹漿纖維較短，易于吸水潤脹，在打漿過程中容易分絲帚化[13]，使纖維間結合力迅速增加，導致樣品的抗張指數和撕裂指數大幅度上升。但當打漿度繼續上升，纖維間結合力進一步增強，此時纖維間的結合強度大于纖維本身的強度，當紙張被撕裂時，拉斷纖維所需作的功小于將纖維抽出所需作的功，所以撕裂指數開始下降。隨著打漿進行，纖維可結合面積的增加速度變得緩慢，導致抗張指數上升速度也變得緩慢。因此，打漿度不宜過高，否則會使紙張的物理強度下降。所以，最終確定本色竹漿的最佳打漿度為27°SR，此條件下制備的紙張可達到GB/T 7968—2015中優等品的要求。

圖2 不同打漿度的本色竹漿制備紙袋用紙的抗張指數和撕裂指數Fig.2 Tensile index and tear index of sack paper from unbleached bamboo pulp with different beating degrees

2.2 漿料配比對紙袋用紙強度性能的影響

為了降低紙袋用紙的成本，同時能夠滿足相關標準要求，將打漿度32°SR的本色針葉木漿和打漿度27°SR的本色竹漿以不同質量比配抄并測定紙樣的抗張指數和撕裂指數，結果如圖3所示。從圖3可以看出，隨著本色針葉木漿占比的減少，本色竹漿占比的增加，紙袋用紙的抗張指數呈下降趨勢，撕裂指數基本保持不變，綜合考慮確定本色針葉木漿與本色竹漿的質量比為7∶3。

圖3 不同配比本色針葉木漿與本色竹漿制備紙袋用紙的抗張指數和撕裂指數Fig.3 Tensile index and tear index of sack paper from mixed unbleached softwood pulp and unbleached bamboo pulp with different mass ratio

2.3 PAE添加量對紙袋用紙干、濕抗張強度的影響

將打漿度32°SR的本色針葉木漿和打漿度27°SR的本色竹漿以質量比7∶3配抄定量60 g/m2的紙袋用紙，漿內添加不同量的濕強劑PAE，紙袋用紙干燥成形后，置于105℃的烘箱干燥30 min，加速熟化，然后經恒溫恒濕預處理，測試紙袋用紙的干、濕抗張指數，結果如圖4所示。從圖4可以看出，PAE能有效提高紙袋用紙的干、濕抗張指數。當在紙漿中加入PAE時，PAE會沉積于纖維之間或吸附在纖維的表面，或滲透到纖維的表面或內部；在干燥過程中，PAE自身發生交聯或與纖維交聯，一方面形成網狀結構，限制了纖維間的活動，同時也限制了纖維的潤脹和變形，另一方面增強纖維間結合力[14]。紙袋用紙的干、濕抗張指數均隨PAE添加量的增加先上升后趨于平穩，這是因為在初始上升階段，吸附在纖維上的陽離子型PAE逐漸增多，形成網狀結構，紙袋用紙的干、濕抗張指數逐漸增大，直到纖維表面的陰離子點飽和，同時漿料系統的電位也在發生變化，逐步趨向于正值，當繼續增加PAE的添加量，PAE的留著率下降，干、濕抗張指數不再增加[15]。表2為不同PAE添加量的漿料Zeta電位的變化，也進一步證明了這一結論。因此，選擇PAE的添加量1.5%，此時紙袋用紙的干、濕抗張指數均高于相關文獻[16-17]的研究結果。

圖4 不同PAE添加量對紙袋用紙抗張指數的影響Fig.4 Influence of different amount of PAE on the tensile index of sack paper

表2 不同PAE添加量的漿料Zeta電位Table 2 Zeta potential of pulp with different amount of PAE

2.4 AKD添加量對紙袋用紙抗水性的影響

為了使紙袋用紙防潮抗濕、適于印刷，需要對其進行施膠。AKD是一種纖維素反應型施膠劑，在紙張受熱干燥時，AKD顆粒熔化并逐漸擴展，以薄層的形式覆蓋在部分纖維的表面，此時紙張水分含量過高，化學反應還不能明顯進行，隨著溫度升高，水分減少，AKD分子的內酯環開環與纖維素羥基發生酯化反應，生成β-酮酯，出現分子能量的重新排布，分子的長鏈烷基從表面向外伸出，賦予紙張憎水性。由于AKD與纖維素的反應在紙張干燥后尚未完成，所以仍需要一定時間的熟化期[11]。本研究中，先在漿內添加1.5% PAE，攪拌10 min后，再向漿內添加不同量的AKD，利用紙頁成型器抄紙，并將紙張置于105℃的烘箱再干燥30 min，促進PAE和AKD熟化，得到不同AKD添加量的紙袋用紙。探究不同AKD添加量下紙張接觸角的變化和其對紙袋用紙強度性能的影響，結果如圖5和圖6所示。根據圖5中接觸角的變化趨勢，AKD添加量0.3%時，紙張的接觸角達最大值120°，之后幾乎趨于平穩，這與池凱等人[18]的研究結果相近。但從圖6可知，紙張的強度性能會受AKD添加量的影響，抗張指數隨AKD添加量的增加呈現略微下降趨勢，但仍能達到標準規定的優等品要求，撕裂指數得到了改善，所以選擇AKD添加量為0.3%。

圖5 不同AKD添加量紙袋用紙的接觸角Fig.5 Contact angle of sack paper with different amount of AKD

圖6 AKD添加量對紙袋用紙強度性能的影響Fig.6 Influence of AKD amount on the strength performance of sack paper

2.5 PVA纖維對紙袋用紙粘合強度的影響

紙袋與塑料袋相比，較顯著的缺點之一就是紙袋不可熱封。紙袋的側面和底部的接頭處一般需要額外涂抹膠水才能粘合在一起，增加了紙袋的生產成本。

本研究利用PVA纖維的水溶性特點[19]，漿內添加適量的PVA纖維，在需要粘合部位的內側涂1層清水，再通過自動薄膜封口機熱封就能將2張紙粘合在一起，操作步驟如圖7所示。漿內添加PVA纖維不但能夠增強紙張的強度，還能夠使紙袋在不需要額外涂抹膠黏劑的條件下實現熱封性。

圖7 封口粘合部位制樣步驟Fig.7 Sample preparation steps for bonding parts of sack paper

2.5.1 PVA纖維用量對紙袋用紙粘合強度的影響

在PAE和AKD添加量分別為1.5%和0.3%的條件下，探究了漿內添加1%、3%、5%、7%、9%和11%（相對于絕干漿質量，下同）的PVA纖維對封口粘合強度的影響，結果如圖8所示。

圖8 PVA纖維用量對粘合強度的影響Fig.8 Influence of different amount of PVA fiber on the adhesive strength

從圖8可以看出，隨PVA纖維用量的增多，紙袋用紙的粘合強度也呈現增加趨勢，變形量也逐漸增加。這是因為PVA纖維用量的增加導致更多的PVA纖維在熱封時熔融，與紙袋用紙的接觸面積增大，結果表現為粘合強度的增加。圖9為粘合部位被分離后，分離面的SEM圖。從圖9可以明顯看出，添加1% PVA纖維的粘合面較光滑，因為有效粘合面積小，粘合點少，所以當粘合部位被分離時拉起的PVA膜少，而PVA纖維添加量9%的粘合面被拉起的PVA膜較多，看起來比較粗糙。值得注意的是，當PVA纖維的添加量增加至絕干漿質量的11%時，紙張本身被拉斷，粘合部位并沒有分離，這是因為此時的粘合強度已經大于紙張本身的抗張強度，繼續增加PVA纖維的用量已經沒有意義。因此，確定PVA纖維用量為9%。

圖9 不同PVA纖維添加量粘合部位SEM圖（×100）Fig.9 SEM images of bonding parts with different amount of PVA fiber(×100)

2.5.2 熱封溫度和熱封時間對紙袋用紙粘合強度的影響

在PVA纖維、PAE、AKD的添加量分別為9%、1.5%、0.3%的條件下，探究了熱封溫度分別為90、95、100、105、110、115℃時，熱封時間分別為4、6、8、13、40 s對封口粘合強度的影響，結果分別如圖10和圖11所示。從圖10可以看出，從100℃上升到105℃時，粘合強度上升幅度最大，溫度繼續上升到115℃時，紙張本身被拉斷。熱封溫度為90℃時，PVA纖維的熔融狀態如圖12(a)所示。從圖12(a)可以看出，此時的粘合面積相對較小。而105℃和110℃時，PVA纖維熔融的狀態較90℃時好一些，如圖12(b)和圖12(d)所示，粘合面積增加，表現為粘合強度的上升。但當溫度為115℃時，紙張本身的抗張強度已經小于粘合強度，所以較合適的熱封溫度為110℃。同理可知，熱封時間為13 s時PVA纖維的熔融狀態比6 s的要好，如圖12(c)和圖12(d)所示，有效粘合面積較大，所以熱封時間為13 s的粘合強度大于6 s的粘合強度。但當熱封時間為6 s時，粘合強度為2.61 kN/m，已經能夠滿足標準要求的2.50 kN/m。延長熱封時間至40 s，此時的粘合強度大于紙張本身的抗張強度，即4.60 kN/m（根據標準用抗張強度來代表紙張的粘合強度，如圖11所示），遠大于標準要求。

圖10 熱封溫度對粘合強度的影響Fig.10 Influence of heat-sealing temperature on the adhesive strength

圖11 熱封時間對粘合強度的影響Fig.11 Influence of heat-sealing time on the adhesive strength

圖12 不同熱封溫度和時間粘合部位SEM圖（×1000）Fig.12 SEM images of bonding parts at different heat-sealing temperature and time(×1000)

2.5.3 其他因素對紙袋用紙粘合強度的影響

粘合部位邊緣的形狀、銅加熱塊的溫度分布是否均勻、涂抹清水的面積及PVA纖維分布是否均勻等其他因素也會對紙袋用紙粘合強度產生影響。

在實驗過程中發現，粘合部位邊緣暴露出更多的纖維時有利于增大粘合強度，所以將粘合部位邊緣的形狀改為鋸齒狀可以增加粘合強度。這是因為PVA纖維是在漿內添加，鋸齒形的邊緣線長度大于直線形的邊緣長度（如圖13所示），能夠暴露出更多的PVA纖維，使邊緣粘合更緊密，能夠避免翹邊問題的發生；自動薄膜封口機到達指定溫度后不要立即進行實驗，因為此時銅加熱塊的溫度并不均勻，等待一定時間，上下加熱塊充分導熱就能改善溫度不均的問題；粘合部位涂抹清水時要注意覆蓋住邊緣，這樣才能使邊緣的PVA纖維熔融；將PVA纖維混合打漿、減小PVA纖維的長度或抄紙時降低漿濃可能會解決纖維分布不均的問題，進而改善手抄片的粘合強度。

圖13 粘合部位的直線形邊緣和鋸齒形邊緣示意圖Fig.13 Schematic diagram of straight edge and jagged edge of the bonding area

2.6 最適條件下紙袋用紙強度性能檢測

綜上所述，研制熱封紙袋用紙的最適條件為：本色針葉木漿打漿度32°SR，本色竹漿打漿度27°SR，二者質量比為7∶3，PAE、AKD的添加量分別為1.5%和0.3%，PVA纖維的用量為9%，封口粘合部位熱封溫度為110℃，熱封時間為6 s。在此條件下測得的強度性能指標如表3所示。

表3 紙袋用紙的強度性能Table 3 Strength performance of sack paper

3 結 論

本研究選用本色針葉木漿和本色竹漿的混合漿為纖維原料制備紙袋用紙，并通過漿內添加PAE和AKD提高紙袋用紙的抗張強度和抗水性；將PVA纖維進行漿內添加，在增強紙張強度的同時實現紙袋用紙的熱封性。

3.1 綜合考慮強度性能和成本，紙袋用紙漿料中本色針葉木漿和本色竹漿適宜的打漿度分別為32°SR和27°SR，質量比為7∶3。

3.2 為了獲得較好的強度和抗水性，PAE和AKD的最適添加量分別為1.5%和0.3%。

3.3 為了獲得較好的熱封性，PVA纖維用量為9%，熱封溫度為110℃，熱封時間為6 s，此時紙袋用紙的粘合強度為2.61 kN/m。