不同類型飛刀對纖維打漿性能的影響

摘 要： 本研究以未漂白硫酸鹽針葉木漿為原料，探討了Valley飛刀對打漿前后的纖維形態及紙張性能的影響。結果表明，不同類型飛刀對纖維打漿性能影響顯著。在相同打漿條件下，隨著齒寬的增加，飛刀對纖維的揉搓作用增強，加劇了纖維形態變化，纖維分絲帚化現象更明顯，從而加快打漿度和紙漿纖維保水值的提升。當漿濃提高時，飛刀類型對纖維打漿效果的影響減弱。在同一漿濃、相近打漿度下，不同類型飛刀的紙張性能差異較小。其中漿濃為2. 0%時，齒寬為2 mm的2#飛刀處理的紙張性能最佳，其紙張在打漿度為56 °SR時的抗張指數、耐破指數和撕裂指數分別為104 N·m/g、6. 93 kPa·m2/g和11. 5 mN·m2/g。

關鍵詞：Valley飛刀；打漿；纖維形態；紙張性能

中圖分類號：TS752 文獻標識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 06. 015

打漿作為紙張生產過程中的一道關鍵工序，對改善紙張性能、提高紙張質量有著極其重要的影響[1]。目前，工業化生產主要使用盤磨、錐磨、柱磨等磨漿機對漿料纖維進行打漿[2]，但 Valley 打漿機由于其適應范圍廣、靈活性好等優點，仍被國內外造紙廠使用[3]。特別是針對棉、麻、韌皮等高長徑比的漿料纖維，在實際生產中，通常采用Valley打漿機先對其切短，以免長纖維直接進入打漿系統發生纏繞及堵塞等現象[4]，再進行后續打漿。

目前，關于打漿工藝影響纖維打漿性能的研究比較多，如打漿比壓[5]、漿濃[6]、漿料種類[7]、紙漿 pH值[8]及添加物[9]等。陳雪梅等[10]研究發現采用 Valley小比壓打漿，竹漿纖維長度保持較好，較大比壓打漿有利于纖維的分絲帚化。韓霜等[11]通過正交實驗研究了打漿時間、掛刀負荷、漿濃等對芳綸漿粕纖維形態以及紙張性能的影響。然而，針對Valley打漿機本身結構元件如何影響打漿性能的研究較少。飛刀作為Valley打漿機的重要組成部件，在打漿過程中提供機械作用力。圖 1 為纖維在打漿過程中的狀態。由圖 1 可知，漿料纖維從掛入開始受到擠壓，到邊緣對邊緣受到剪切作用，再到表面對表面接受揉搓，直至打漿結束。在此過程中，不同類型飛刀對纖維的處理形式存在較大差異，進而對纖維的切斷、揉搓、細纖維化等作用各有側重。

本研究以未漂白硫酸鹽針葉木漿為原料，研究了不同類型飛刀對漿料的打漿度、保水值、纖維形態和紙張性能的影響，以期為實際生產提供理論指導，同時為其他打漿設備的研究提供新思路。

1 實 驗

1. 1 實驗原料

本研究所用原料為未漂白硫酸鹽針葉木漿板，取自加拿大某廠。

1. 2 實驗儀器與設備

Valley 打漿機 （FFiber Beating 30CUT，廣東弗艾博 纖 維 技 術 研 究 技 術 有 限 公 司）、打 漿 度 測 定 儀（P95587， 德 國 Frank-PTI） 、 保 水 值 離 心 機（S414800002，德國 Frank-PTI）、纖維分析儀 （FS5，芬蘭Valmet）、生物顯微鏡 （BX43FC，儀景通光學科技 （廣州） 有限公司）、漿料疏解機 （99159，瑞典Lamp;W）、凱賽法快速紙頁成型器 （RK3AKWT，德國Frank-PTI）、抗張強度儀 （CE062，瑞典Lamp;W）、耐破度 測 定 儀 （CE180，瑞 典 Lamp;W）、撕 裂 度 儀 （009，瑞典Lamp;W）。

1. 3 實驗方法

1. 3. 1 打漿

首 先 ， 根 據 漿 板 的 含 水 率 計 算 出 不 同 漿 濃（0.3%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%） 打漿條件下所需的漿板絕干質量及用水量，然后將稱好的漿板撕碎，加入適量的清水浸泡 12 h。在6.5 kg砣的負荷下，采用5#飛刀，按照實驗室Valley打漿機法（GB/T 24325—2009） 進行打漿，之后更換飛刀，重復上述操作。飛刀具體參數如表1所示。

1. 3. 2 打漿度和保水值測定

打漿度的測定按照 GB/T 3332—2004進行；保水值的測定按照GB/T 29286—2012進行。

1. 3. 3 纖維形態測定

采用纖維分析儀測定各漿料打漿前后纖維的長度、寬度、扭結指數及細小纖維含量變化。其中纖維的扭結是指由于纖維細胞壁受損產生的突然且生硬的轉折，一般采用Kibblewhite定義的方法來表征[12]，具體計算如式（1）所示。

1. 3. 4 光學顯微鏡觀察

采用解剖針挑取少許漿料置于潔凈的載玻片上，滴加赫氏染色劑，用解剖針將已染色的漿料分離成單根纖維，使其在載玻片上均勻分布。然后蓋上蓋玻片，避免產生氣泡，最后將蓋玻片四周擠出的染色劑用濾紙條吸去。制樣完成后，轉移至光學顯微鏡下觀察纖維形態。

1. 3. 5 抄紙及紙張物理性能分析

采用凱賽法快速紙頁成型器對處理后的漿料進行濕 法 成 形，抄 造 定 量 為（60±2）g/m2 的 紙 張。按 照GB/T 12914—2018 測 定 紙 張 的 抗 張 強 度 ； 按 照GB/T 455—2002測定紙張的撕裂度；按照GB/T 454—2020測定紙張的耐破度。

2 結果與討論

2. 1 飛刀類型對打漿性能的影響

2. 1. 1 打漿度

圖 2 為不同類型飛刀對漿料打漿度的影響。由圖 2 可以發現，飛刀類型對漿料打漿度有顯著的影響。3 種飛刀打漿后漿料的打漿度均隨著打漿時間的增加而上升，且在同一打漿條件下，5#飛刀打漿后漿料打漿度上升速率最快，3#飛刀次之，2#飛刀最 慢 ， 且 漿 濃 越 低 ， 此 趨 勢 越 明 顯 。 在 漿 濃 為0.3%，打漿時間 30 min 時，5#、3#、2#飛刀后打漿的打漿度分別為 90、86、76 °SR。原因可能是飛刀齒寬增大，增加了纖維與刀齒間的接觸面積[13]，使纖維受到更多的揉搓力，纖維發生更大程度的破裂，暴露出更多的微細纖維，使得打漿度快速上升；隨著漿濃的增大，纖維網絡體之間的擠壓和摩擦對纖維的作用效果增強[14]，飛刀對漿料打漿度的影響逐漸減小。

2. 1. 2 紙漿纖維保水值

飛刀類型對紙漿纖維保水值的影響如圖 3 所示。由圖 3 可知，隨著打漿時間的增加，3 種飛刀打漿后的紙漿纖維保水值均呈上升趨勢。打漿前期，由于漿料纖維吸水潤脹和細纖維化作用，保水值增加較快；隨著打漿的進行，保水值緩慢增加，這是因為在打漿后期，漿料纖維充分吸水潤脹，難以繼續分絲帚化，保水值上升困難[15]。在相同打漿條件下，利用 3種飛刀進行打漿，紙漿纖維保水值大小依次為 5#飛刀gt;3#飛刀gt;2#飛刀。其中在漿濃為 0.3%，打漿時間 30 min時，5#、3#、2#飛刀的打漿后的紙漿纖維保水值分別為 311.31%、249.92%、226.57%。這說明在 5#飛刀的機械作用下，紙漿纖維發生更大程度的細纖維化，從而暴露出更多的微細纖維，能結合更多的水分子。

2. 1. 3 纖維長度

不同類型飛刀對打漿后纖維長度的影響如圖4所示。由圖 4 可知，3 種飛刀打漿后纖維的平均長度均隨打漿時間的增加逐漸下降。同一打漿條件下，5#飛刀打漿后纖維長度下降最快，3#飛刀次之，2#飛刀最慢。在漿濃為 0.3% 時，打漿 30 min 后，5#飛刀打漿后纖維長度下降62.1%，3#飛刀打漿后下降50.1%，2#飛刀打漿后僅下降28.1%。原因是隨著齒寬增加，刀齒對纖維的面壓力增大[16]，而且飛刀齒數的減少導致單位齒長所受載荷增大，從而提高了飛刀對纖維的打漿強度[17]，使得纖維長度下降速率加快。隨著漿濃的升高，飛刀類型對纖維長度的影響逐漸減弱，這是因為漿濃升高時，飛刀與底刀間的纖維數量增多，飛刀對單根纖維的作用力減弱[18]，纖維切斷更少，纖維長度緩慢下降。

2. 1. 4 纖維寬度

圖 5 為不同類型飛刀對打漿后纖維寬度的影響。從圖 5 可以發現，3 種飛刀纖維寬度均隨打漿時間的增加呈先上升后下降趨勢。在漿濃為 0.3% 和 0.5%時，2#飛刀打漿后纖維寬度變化較為緩慢，而5#飛刀打漿后纖維寬度上升后迅速下降。這可能因為刀齒加寬，飛刀與底刀表面對表面的摩擦作用更明顯，纖維受到更多的壓潰與擠壓，使得纖維寬度在短時間內發生變化；而齒寬變小時，飛刀與底刀邊緣對邊緣的直接剪切作用力更強[19]，纖維形狀變化均勻，使得纖維寬度平緩上升和下降。漿濃在1.0%及以上時，3種飛刀打漿后纖維寬度變化均不明顯，原因是漿濃升高，飛刀與底刀間隙漿料密度增大，打漿負荷分布變得均勻，纖維受到的機械作用減弱，導致纖維寬度變化程度逐漸減小。

2. 1. 5 纖維扭結

圖6為不同類型飛刀對打漿后纖維扭結指數的影響。由圖 6 可知，隨著打漿時間的增加，3 種飛刀打漿后纖維的扭結均呈先下降后上升趨勢。這是因為在漿板生產過程中，纖維經過干燥工序后變得卷曲，扭結角度普遍偏大[20]，使得漿板的初始扭結指數偏高。在打漿前期，纖維經過飛刀與底刀間隙時受到擠壓，纖維被拉直，致使纖維的總長度 （L 總） 增加，扭結指數下降，這與式（1）相符。隨著打漿進行，纖維受到機械力和纖維間的摩擦力作用而發生形變，導致扭結增加。5#飛刀打漿后的纖維扭結上升速率最快，3#飛刀次之，2#飛刀最慢。這是因為齒寬增加，加劇了刀齒對纖維的揉搓力，產生扭結的纖維增多，扭結指數變化越大。

2. 1. 6 細小纖維

圖 7 為不同類型飛刀對打漿后細小纖維的影響。纖維在打漿過程中受到多種作用力會發生縱向分裂和破碎，從而產生細小纖維[21]，FS5 所測定的細小纖維是指寬度lt;10 μm 且長度gt;0.2 mm 的顆粒。由圖 7 可知，3種飛刀打漿后細小纖維含量隨著打漿時間的增加呈上升趨勢。在相同打漿條件下，采用3種飛刀打漿后細小纖維含量大小依次為5#飛刀gt;3#飛刀gt;2#飛刀，且漿濃越低，此趨勢越明顯。原因是隨著齒寬增加，增大了刀齒對纖維的摩擦力，纖維脫落更多的顆粒碎片，而齒寬小的 2#飛刀為纖維提供更多的剪切作用，切斷后的纖維寬度變化緩慢，纖維依舊能保持整體形狀，使得產生的細小纖維顆粒減少。

2. 1. 7 纖維形態

圖 8 為纖維經不同類型飛刀打漿后的顯微鏡圖（40 倍）。由圖 8 可知，飛刀類型對漿料打漿后纖維形態有著顯著影響。相同打漿條件下，與齒寬小的飛刀相比，齒寬大的飛刀打漿后纖維形態發生更大程度的破壞，出現更高程度的分絲帚化，纖維表面也分離出更多微細纖維甚至破裂脫落。當漿濃升高時，飛刀類型對漿料纖維形態的影響減弱。在漿濃≥1.0% 時，3 種飛刀打漿后纖維均能保持整體的纖維形態。這是因為升高漿濃，飛刀與底刀之間的纖維數量增加，纖維間摩擦增加，導致纖維的切斷與破裂減少。

圖 9 為 纖 維 經 不 同 飛 刀 切 斷 后 的 顯 微 鏡 圖（400 倍）。由圖 9 可以清晰地觀察到，5#飛刀打漿后纖維的切斷端口不平整，甚至在斷口處有未掉落的纖維碎片，體現了飛刀對纖維的揉搓和拖曳作用力；相反，2#飛刀打漿后纖維斷口平整，無纖維碎片，表明了飛刀對纖維具有更明顯的剪切力，與上述纖維分析結論相符。

2. 2 飛刀類型對紙張性能的影響

圖 10 為不同類型飛刀對木漿紙張性能的影響。由圖 10（a）～圖 10（f）可知，隨著打漿度的增加，3 種飛刀打漿后紙張的抗張指數和耐破指數均呈上升趨勢。在打漿度lt;30 °SR 時，二者增加較快，隨著打漿度的繼續提升，增速變緩。這是因為在打漿前期，纖維吸水潤脹、表面起毛，且長度得到適度切短，使得纖維間結合力迅速增加，紙張的抗張指數、耐破指數增加較快；打漿后期，纖維長度下降過多，但此時纖維間結合力仍起主導作用，紙張的抗張指數、耐破指數緩慢增加[22]。在相近打漿度下，5#飛刀打漿后制備的紙張的抗張指數小于其余 2 種飛刀，增速也略緩。原因是打漿度相近時，5#飛刀的纖維長度最短，纖維間結合位點減少，抗張指數相對較低。打漿度相近時，3 種飛刀打漿后紙張的耐破指數較為接近。雖然打漿條件一致時，3 種飛刀打漿后纖維長度大小依次為 2#飛刀gt;3#飛刀gt;5#飛刀，但纖維間結合力對紙張耐破度的影響更大[23]，上述分析 5#飛刀打漿后紙漿纖維保水值上升的最快，說明纖維出現更多的分絲，增大了纖維間結合力，彌補了纖維長度的不足。由圖 10（g）～圖 10（i）可知，3 種飛刀打漿后紙張的撕裂指數隨打漿度的升高呈先上升后下降趨勢。打漿前期，纖維間結合力上升，撕裂指數逐漸增加；打漿后期，纖維間結合力仍在上升，但纖維被過度切斷，纖維長度對撕裂指數的影響大于纖維間結合力的影響，導致紙張的撕裂指數下降[24]。同一打漿條件下，5#飛刀打漿后紙張的撕裂指數小于其余 2 種飛刀，因為 5#飛刀打漿后纖維長度保留較差。綜合紙張的抗張指數、耐破指數和撕裂指數來看，在同一漿濃、相近打漿度下，不同類型飛刀對紙張性能的影響差異較小。其中漿濃為 2.0% 時，2#飛刀處理的紙張性能最佳，在打漿度為 56 °SR 時，紙 張 的 抗 張 指 數 、 耐 破 指 數 和 撕 裂 指 數 分 別 為104 N·m/g、6.93 kPa·m2/g和 11.5 mN·m2/g。

3 結 論

本研究分析了不同類型的Valley飛刀對未漂白硫酸鹽針葉木漿打漿及其紙張性能的影響。

3. 1 不同類型飛刀對纖維打漿作用影響較大。隨著飛刀齒寬增加，飛刀揉搓作用增強，加劇了纖維形態變化；纖維分絲帚化現象更明顯，加快了打漿度和紙漿纖維保水值的提高。

3. 2 漿濃提高時，飛刀類型對纖維打漿性能的影響減弱，3種飛刀對纖維的打漿效果均呈下降趨勢。在同一漿濃、相近打漿度下，3種類型飛刀對紙張性能的影響差異較小。其中漿濃為2.0%時，2#飛刀處理的紙張性能最佳，其在打漿度為56 °SR時，紙張的抗張指數、耐破指 數 和 撕 裂 指 數 分 別 為 104 N·m/g、6.93 kPa·m2/g 和11.5 mN·m2/g。

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（責任編輯：蔡 慧）