紗線紙增強工藝研究

摘 要： 以 100% 漂白硫酸鹽針葉木漿為原料制備紗線紙，探究了制備工藝和浸漬水性聚氨酯（WPU）在增強紗線紙機械性能方面的作用。結果表明，當纖維打漿度為 45°SR ，陽離子淀粉（CS）、兩性聚丙烯酰胺（AmPAM）和聚酰胺環氧氯丙烷（PAE）添加量分別為 1.0% 、 0.5%o 和 1.0% ，纖維素微纖絲（MFC）添加量為 0.5% ，WPU 浸漬量為 0.5g/m² 時，制備的紗線紙具有最佳的機械性能，縱向抗張指數和橫向抗張指數分別為118和 23.8N?m/g ，縱向斷裂伸長率為 4.3% 。

關鍵詞：紗線紙；纖維素微纖絲；水性聚氨酯；縱橫比中圖分類號：TS761. 2 文獻標識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 05. 006

Study on Reinforcement Technology of Yarn Paper

HOU Leilei ^1，2 CHENG Yun1，2 CHEN Linghua1，2 GUO Yuqian1，2 ZHANG Xiang3 ZHAO Dongfang3 CHEN Yineng3 CHEN Yuru3 TIAN Chao1，2 ZHANG Hongjie1，2，* （1. China National Pulp and Paper Research Institute Co.，Ltd.，Beijing，；2. National Engineering Lab for Pulp and Paper， Beijing，；3. Ocean King New Material Technology Co.，Ltd.，Zhongshan，Guangdong Province，） （*E-mail：hongjiezhang@cnppri. com）

Abstract：Yarn paper was prepared using 100% bleached kraft softwood pulp as raw the material，and the effects of preparation technology and waterborne polyurethane（WPU）impregnation on the mechanical properties of yarn paper were investigated. The results showed that the optimal mechanical properties were obtained when the fiber beating degree reached 45^o SR，the dosage of cationic starch（CS），amphoteric polyacrylamide（AmPAM）and polyamide epichlorohydrin（PAE）was 1. 0% ， 0.5‰ and 1. 0% respectively，the dosage of MFC was 0.5% ， and the amount of WPU impregnated was 0.5g/m² . The longitudinal tensile index and transverse tensile index of the yarn paper prepared un‐ der these conditions were 118 and 23.8N?m/g ，respectively，and the longitudinal elongation at break was 4.3% . Key words：yarn paper；cellulose microfibrils；waterborne polyurethane；aspect ratio

在“雙碳”戰略背景下，隨著紡織品消費的增加以及人們環保意識的日益增強，紙紗線作為一種新型紡織材料逐漸引起行業內的廣泛關注。紙紗線是以木質纖維素為原料制備而成的一種新型環保紗線，其制備過程是先通過特殊造紙工藝生產低定量（ 16～18g/m²， ）的紗線紙，隨后經分切、染色和并捻等工藝加工而成。這種紙紗線具有原料來源廣泛、可降解、抗菌、除臭、吸汗和速干等諸多優點[1-2]。

在國外，紙紗線的生產技術較成熟。如日本以馬尼拉麻為原料生產的和紙紗，以及韓國以桑樹纖維為原料生產的Hanji紗[3]等，已經在紡織、服飾和手工藝品等領域得到廣泛應用。當前，國內關于紙紗線的研究和進展也逐漸興起，相關企業的數量與規模不斷擴大，但國內生產的紗線紙仍存在強度低、韌性差和剛性高等問題[4]。

在紙紗線生產過程中，紗線紙需要先沿縱向被分切為 2～3mm 的紙條，在后續的紗線制備工藝中，為了防止紙條因拉伸和變形出現斷紗情況，紙條需要具備較高的縱橫比、較強的縱向抗張強度和較大的斷裂伸長率，此外，還需要具備一定的耐磨、耐折和柔軟等性能[5]。為了提高紙紗線的性能，國內外學者圍繞紗線紙原料、紗線紙制備工藝和紗線后處理等方面展開了廣泛研究。如在纖維原料中添加細菌纖維素[6]、聚乙烯醇（PVA）纖維[7]等以提高紗線紙的機械強度；對紙紗線進行高壓蒸汽處理[8]、浸漬有機硅和甘油[9]、上漿羧甲基淀粉[10]和表面涂布黏合劑[11]等方法，增強紙紗線的柔韌性能、耐磨性能和斷裂強度。不過這些研究大多側重于提升某單一性能，并且存在成本較高、工藝復雜等問題，高性能紗線紙的研究與開發仍待進一步深入研究。

本研究以 100% 漂白硫酸鹽針葉木漿為原料，對紗線紙的最佳制備工藝展開探究，同時研究了纖維素微纖絲（MFC）添加量以及浸漬水性聚氨酯（WPU）對紗線紙機械性能和柔韌性能的增強效果，旨在為紗線紙的工業化生產提供創新思路。

1 實 驗

1. 1 實驗原料及試劑

漂白硫酸鹽針葉木漿，由山東某漿廠提供；MFC，中值粒徑 0.31μm ，實驗室自制（以漂白硫酸鹽針葉木漿為原料通過機械研磨獲得）；陽離子淀粉（CS）、聚酰胺環氧氯丙烷（PAE）、兩性聚丙烯酰胺（AmPAM），均由中輕特種纖維材料有限公司提供；陰離子型水性聚氨酯（ WPU₁ ），由安徽某化工廠提供；非離子型纖維素基聚氨酯 （ WPU₂ ），實驗室自制。

1. 2 實驗儀器

3-168 型 PFI磨漿機，奧地利 PTI公司；2543 型動態紙頁成型器、DR-200 型 KRK 烘缸，日本 KRK 公司；95568型紙漿標準解離器，奧地利PTI公司；ZB-WL30 型臥式拉力機，杭州紙邦自動化技術有限公司；T002C 型撕裂度測試儀、ST-1型表面施膠機，；XWY-VII 型光學顯微鏡，珠海華倫造紙科技有限公司；L912-5141型Lamp;W顯微分析儀，瑞士ABB 公司；S-3400N 型掃描電子顯微鏡（SEM），日本日立公司。

1. 3 實驗方法

1. 3. 1 紗線紙的制備

使用 磨漿機對漂白硫酸鹽針葉木漿進行打漿處理，打漿后的針葉木纖維使用標準解離器疏解，隨后按不同的工藝配比加入 AmPAM、PAE、CS 和MFC。配制好的纖維漿料使用動態紙頁成型器抄制成濕紙幅，然后使用KRK 烘缸在 下干燥得到定量為 18g/m² 的紗線紙。

1. 3. 2 紗線紙浸漬聚氨酯

將上述制備得到的紗線紙使用表面施膠機浸漬施膠2 種WPU，通過控制WPU 溶液的質量分數和浸漬時間調控浸漬上膠量，最后在 105^°C 烘缸中干燥。

1. 4 紗線紙性能測試

1. 4. 1 纖維形態

使用光學顯微鏡和顯微分析儀，分析不同打漿程度下纖維形貌和形態的變化。

1. 4. 2 表面形貌

將浸漬施膠不同WPU 的紗線紙粘貼在導電膠帶上，經噴金處理后，在 10kV 的加速電壓下采用SEM觀察其表面形貌。

1. 4. 3 機械性能

依據 GB/T 10739—2023 將紗線紙在溫度 （23±1） ℃和相對濕度 （50±2）% 的標準大氣條件下，平衡水分6h ；依據 GB/T 12914—2018 測試紗線紙的縱、橫向抗張指數以及斷裂伸長率并計算縱橫比；依據GB/T455—2002測試紗線紙的縱、橫向撕裂度。

2 結果與討論

2. 1 轉鼓轉速對紗線紙縱橫比和機械性能的影響

在紙紗線的生產過程中，分切后的紙條必須具備足夠的縱向機械強度和斷裂伸長率，以承受后續捻線和卷曲等工藝過程中產生的拉伸應力。在紙紗線原紙的制備工藝中，直接影響原紙縱向機械性能的是纖維的縱向排布。動態紙頁成型器的轉鼓轉速可以控制紙幅上纖維的縱橫向分布，從而實現對紗線紙縱橫比的調節。不同轉鼓轉速下，紗線紙的縱橫比與機械性能如圖1 所示。由圖1 可知，在 650r/min 轉速下，紗線紙的縱向抗張指數和橫向抗張指數分別為 60.3 和32.8N?m/g ，縱橫比為1.8。隨著轉鼓轉速的提高，紗線紙的縱向抗張指數大幅提高并逐漸趨于平緩，橫向抗張指數則逐漸降低，縱橫比也隨之增大。當轉鼓轉速提升至 1400r/min 時，紗線紙的縱向抗張指數為83.0N?m/g ，相較于 650r/min 時提高了 37.6% ，橫向抗張指數為 14.1N?m/g ，相較于 650r/min 時下降了57.0% ，同時，紗線紙的縱橫比則由最初的1.8 逐漸提高到5.9。在最高轉速 1600r/min 下，紗線紙的縱向抗張指數和橫向抗張指數僅有略微增長。通過逐步提高動態紙頁成型器的轉鼓轉速，紙漿纖維可以更好地在縱向上分布，從而保證紗線紙在后續分切過程中保持更高的紙條強度。綜合考慮設備穩定運行和紗線紙機械性能，轉鼓轉速確定為 1400r/min 。

2. 2 打漿度對紗線紙性能的影響

通過PFI 磨漿機對漂白硫酸鹽針葉木漿進行不同程度的打漿處理，探討不同打漿度對紗線紙性能影響。

2. 2. 1 打漿度對纖維形態影響

不同打漿度下的纖維形態及其參數分別如圖2和表1 所示。由圖2 和表1 可知，隨著打漿度的逐步提高，漂白硫酸鹽針葉木漿的分絲帚化程度逐漸加深，同時纖維長度呈遞減趨勢，細小纖維含量則相應增加。在打漿度為 30^°SR 時，纖維長度為 2.44mm ，纖維寬度為 38.1μm ，細小纖維含量為 5.2% 。打漿過程中的機械作用力使纖維細胞壁發生位移和變形，隨后初生壁和次生壁外層發生部分破碎，纖維吸水潤脹并細纖維化。隨著打漿度升高到 60°SR ，纖維切斷現象開始變多，纖維長度逐漸降低至 2.17mm ，下降了 11.1% ，纖維寬度沒有顯著變化，細小纖維含量則提高到

表1 不同打漿度下纖維的形態參數

Table 1 Morphological parameters of fibers at different

8.0% 。纖維的細纖維化有利于增強纖維間的結合，對紗線紙的機械性能提升具有積極意義，但較多的纖維切斷也會降低紗線紙的強度。

2. 2. 2 打漿度對紗線紙機械性能影響

不同打漿度對紗線紙的機械性能影響結果如圖3所示。由圖3可知，紗線紙的縱向抗張指數隨打漿度的升高而上升，在打漿度低于 時，打漿度對紗線紙機械性能影響較為顯著。在打漿度為 30^°SR 時，紗線紙的縱向抗張指數和縱向撕裂指數分別為62.2N?m/g 和 7.22mN?m²/g ，隨著打漿度升高到 45°SR ，縱向抗張指數和縱向撕裂指數分別達到 83.3N?m/g 和9.51mN?m²/g ，分別提升了 33.9% 和 31.7% 。在打漿初期，纖維長度下降不多，纖維主要發生潤脹和細纖維化，增加了纖維的比表面積并暴露出更多羥基基團，使得纖維間接觸面積增大，促進更多的氫鍵結合并增加纖維間結合力，從而提高紗線紙的機械強度。當打漿度超過 45^°SR 時，紗線紙的縱向抗張指數增長趨于平緩，但纖維長度的進一步降低使縱向撕裂指數迅速下降，綜合考量，打漿度為 45^°SR 時纖維較優，此條件下，紗線紙的縱、橫向抗張指數分別為83.3和13.9N?m/g ，縱向伸長率和縱橫比分別為 2.3% 和 6.0。

圖2 不同打漿度下纖維形態

Fig. 2 Fiber morphology at different degree of beating

圖3 打漿度對紗線紙的縱向抗張指數和縱向撕裂指數的影響

2. 3 增強助劑添加量對紗線紙機械性能影響

CS、AmPAM 和PAE 是造紙工業中常用的增強助劑，可以通過靜電吸附、構建交聯網絡以及促進氫鍵結合等作用機制，增加纖維間結合力，進而提高紙張強度[12-13]。在轉速 1400r/min 、纖維打漿度 45°SR 條件下，設計了3 組增強助劑的添加量，如表2 所示。增強助劑不同的添加量對紗線紙的機械性能影響如圖4所示。

表2 增強助劑的添加量

Table 2 Addition amount of enhancer reinforcing additives

由圖4 可知，隨著增強助劑添加量的逐步提升，紗線紙的縱向和橫向抗張指數均有顯著增強。在水平1 的添加量下，紗線紙的縱向和橫向抗張指數分別為91.1 和 16.7N?m/g ，相較于未添加增強助劑時分別提高了 9.7% 和 17.8% ；隨著增強助劑添加量的進一步提高，在水平2的添加量下紗線紙的縱向和橫向抗張指數最高可達94.9 和 17.9N?m/g ，相較于未添加增強助劑時分別提高了 14.2% 和 26.8% 。同時，由于纖維間結合力的升高，紗線紙的斷裂伸長率逐漸從 2.4% 降低至 2.3% ，縱橫比由5.6 降低至5.3。增強助劑在水平 的添加量下，紗線紙的縱向和橫向抗張指數均有明顯降低，這可能是由于AmPAM 和PAE 的過量添加引起纖維絮凝，影響紙張勻度，進而導致紗線紙的機械強度下降[7]。綜合考慮，AmPAM 和PAE 的最佳添加量分別確定為 0.5%o 和 1.0% 。

圖4 增強助劑添加量對紗線紙機械性能影響

Fig. 4 Effect of addition amount of enhancer reinforcing additives on mechanical properties of yarn-making paper

2. 4 MFC添加量對紗線紙機械性能影響

與紙漿纖維相比，MFC 具有更大的比表面積和更小的粒徑尺寸，制備紗線紙時添加MFC 可以促進更多的纖維結合而提高紙張強度[14]。MFC添加量對紗線紙機械性能的增強效果，見表3。具有較高長徑比的MFC 能夠與紙漿纖維充分交織形成網絡結構，其表面豐富的羥基基團與紙漿纖維的羥基相互作用形成大量的氫鍵，從而提高纖維間結合力，進而提高紗線紙的機械強度。由表3 可知，當MFC 添加量為 0.2% 時，紗線紙的縱向和橫向抗張指數相較于未添加MFC的空白樣分別提高了 8.8% 和 10.2% ；當MFC添加量進一步提高到 0.5% 時，紗線紙的縱向和橫向抗張指數分別達 111 和 21.9N?m/g ，相較于未添加MFC 的空白樣分別提高了 17.2% 和 23.7% ，由于纖維間結合力的提升，紗線紙的剛性升高，縱向斷裂伸長率也隨之下降為 2.0% 。MFC的添加對紗線紙的橫向抗張指數的提升更為明顯，這也導致紗線紙的縱橫比從5.4 逐漸降至5.1。因此，MFC的最優添加量確定為 0.5% 。

表3 MFC添加量對紗線紙機械性能影響

Table 3 Effect of dosage of MFC on mechanical properties of yarn-making paper

2. 5 WPU浸漬量對紗線紙機械性能影響

通過控制WPU溶液的質量分數以及浸漬時間，對浸漬上膠量進行調節，并探究其對紗線紙機械性能影響，結果見圖5。由圖5可知，非離子型纖維素基聚氨酯（ WPU₂ ）相較于陰離子型水性聚氨酯（ WPU₁ ）對紗線紙的縱、橫向抗張指數有更好的增強效果，但WPU₁ 對紗線紙的斷裂伸長率的提升作用更為顯著。在 WPU₁ 的浸漬量為 0.5g/m² 時，紗線紙的縱向與橫向抗張指數分別達118 和 23.8N?m/g ，縱向斷裂伸長率為 4.3% ，與浸漬前相比分別提升了 6.5% 、 8.2% 和105% ； WPU₂ 在 0.5g/m² 的浸漬量下，紗線紙的縱向與橫向抗張指數以及縱向斷裂伸長率，與浸漬前相比分別提升了 10.3% 、 13.8% 和 61.9% 。隨著WPU 浸漬量進一步提高，紗線紙的抗張指數和斷裂伸長率僅有略微增長，縱橫比則逐漸下降，在 0.5g/m² 的浸漬量下， WPU₁ 與 WPU₂ 浸漬紗線紙的縱橫比分別為5.0和 4.9。

圖5 WPU浸漬量對紗線紙機械性能影響

Fig. 5 Effect of amount of WPU on mechanical properties of yarn-making paper

圖6 不同WPU浸漬量紗線紙的SEM圖

Fig. 6 SEM images of yarn-making paper impregnated with different amount of WPU

圖6為不同WPU浸漬量紗線紙的SEM 圖。由圖6可知，紗線紙經過WPU 浸漬并干燥后，WPU 涂覆在纖維表面并形成薄膜。WPU 具有靈活的鏈段結構，其分子結構中的硬段和軟段相互作用，使得干燥后形成的薄膜具有較好的強度和柔韌性[15]。因此，在不影響紗線紙的定量下，通過浸漬少量WPU 可以大幅提升紗線紙的拉伸性能而不影響其強度。經過對比分析，確定WPU最佳浸漬量為 0.5g/m² 。

3 結 論

本研究以 100% 漂白硫酸鹽針葉木漿為原料制備紗線紙，探究了抄造工藝條件、纖維素微纖絲（MFC）和水性聚氨酯（WPU）對紗線紙機械性能的影響。

3. 1 動態紙頁成型器轉鼓轉速和紙漿纖維的打漿度對紗線紙的機械性能有較大影響，最終選擇轉鼓轉速和紙漿纖維打漿度分別為 1400r/min 和 45°SR 。此條件下，紗線紙的縱、橫向抗張指數分別為 83.3 和13.9N?m/g ，縱向伸長率和縱橫比分別為 2.3% 和 6.0 。3. 2 當陽離子淀粉 （CS）、兩性聚丙烯酰胺 （AmPAM） 和聚酰胺環氧氯丙烷 （PAE） 添加量分別為1.0% 、 0.5‰ 和 1.0% 時，紗線紙具有較佳的機械性能，紗線紙的縱、橫向抗張指數分別為94.9和 17.9N?m/g ，縱向斷裂伸長率為 2.3% ，縱橫比為5.3。

3. 3 添加 0.5% MFC，紗線紙的縱、橫向抗張指數分別為 111 和 21.9N?m/g ，與未添加MFC 紗線紙相比分別提高了 17.2% 和 23.7% ，但縱向斷裂伸長率和縱橫比分別降至 2.0% 和 5.1。

3. 4 在 0.5g/m² 的WPU 浸漬水平下，WPU 對紗線紙的縱、橫向抗張指數的增強效果優于 WPU₁ ，但 WPU₁ 對紗線紙的斷裂伸長率的增強效果更為明顯。浸漬WPU 使紗線紙的縱向斷裂伸長率提高 105% ， WPU₂ 使紗線紙的縱、橫向抗張指數，與浸漬前相比分別提升了 10.3% 和 13.8% ，紗線紙浸漬WPU 和 WPU₂ 后的縱橫比分別為5.0和4.9。

參 考 文 獻

［1］ PETERSON J，ECKARD A，HJELM J，et al. Mechanical-property-based Comparison of Paper Yarn with Cotton，Viscose，and PolyesterYarns［J］. Journal of Natural Fibers，2021，18（4）：492-501.

［2］ 孫 理， 楊 梅， 夏建明. 天然植物染料對紙紗的染色性能研究［J］. 針織工業，2022（5）：43-47.SUN L，YANG M，XIA J M. Dyeing Properties of Natural Plant-based Dyes on Paper Yarn［J］. Knitting Industries，2022（5）：43-47.

［3］ PARK T Y，LEE S G. A study on Coarse Hanji Yarn Manufacturingand Properties of the Hanji Fabric［J］. Fibers and Polymers，2013，14：311-315.

［4］ 蘇德鳳. 高性能紡織用紙紗原紙研究開發［D］. 杭州： 浙江理工大學，2023.SU D F. Research and Development of High-performance TextileYarn Base Paper［D］. Hangzhou：Zhejiang Sci-Tech University，2023.

［5］ 胡蝶飛， 王 琰， 姚菊明， 等. 紙紗/再生滌復合紗及其針織面料的性能［J］. 現代紡織技術，2023，31（2）：152-158.HU D F，WANG Y，YAO J M，et al. Properties of Paper Yarn/Recy‐cled Polyester Composite Yarn and Its Knitted Fabric［J］. AdvancedTextile Technology，2023，31（2）：152-158.

［6］ 黨育紅， 王志杰， 李鴻魁. 紡織用紙線原紙的研究［J］. 中國造紙學報，2006，21（4）：56-61.DANG Y H，WANG Z J，LI H K. Study on Base Paper of PaperYarn for Textile［J］. Transactions of China Pulp and Paper，2006，21（4）：56-61.

［7］ 張便芝， 劉 忠， 惠嵐峰， 等. 聚乙烯醇纖維對紙紗原紙性能的影響［J］. 中國造紙，2021，40（1）：27-33.ZHANG B Z，LIU Z，HUI L F，et al. Study on the Effects of Polyvi‐nyl Alcohol Fiber on the Properties of Paper Yarn［J］. China Pulp amp;Paper，2021，40（1）：27-33.

［8］ MURATE H，TERASAKI F，SHIGEMATSU M，et al. Improvementin the Stretching Property of Paper Yarn by Shape MemorizationProduced with High-pressure Steam Treatment［J］. SEN-I GAKKAISHI，2008，64（3）：74-78.

［9］ SYRéN F，ANDERSSON D G，PETERSON J，et al. EnhancedKnittability of Paper Yarn from the Swedish Forest by Using TextileFinishing Materials［J］. Polymers，2021，13（21）：3628-3644.

［10］ 孫 理， 楊 梅， 呂秀君， 等. 羧甲基豌豆淀粉制備及其紙紗增強研究［J］. 毛紡科技，2022，50（7）：24-30.SUN L，YANG M，LYU X J，et al. Preparation of CarboxymethylPea Starch and Strength Enhancement Study on Paper Yarn［J］.Wool Textile Journal，2022，50（7）：24-30.

［11］ 劉慶霞， 武宗文， 孫 理， 等. 黏合劑對紙紗增強效果的影響［J］. 上海紡織科技，2023，51（12）：61-64.LIU Q X，WU Z W，SUN L，et al. Enhancing Effect of Adhesiveon Paper Yarn［J］. Shanghai Textile Science amp; Technology，2023，51（12）：61-64.

［12］ 楊 艷， 張艷婷， 姚春麗. DMC-IA-AM 兩性聚丙烯酰胺用于混合廢紙漿抄紙［J］. 中國造紙學報，2015，30（1）：15-19.YANG Y，ZHANG Y T，YAO C L. Application Effect of DMC/IA/AM Amphoteric Polyacrylamide in Mixed Recycled Fibers［J］.Transactions of China Pulp and Paper，2015，30（1）：15-19.

［13］ 張新東， 軒少云. 一種兩性聚丙烯酰胺樹脂造紙增強劑的制備方法及其應用：CN 113912771A［P］. 2022-01-11.ZHANG X D，XUAN S Y. Preparation Method and Application ofAmphoteric Polyacrylamide Resin Papermaking Reinforcing Agent：CN 113912771A［P］. 2022-01-11.

［14］ 溫亞兵， 修慧娟， 王志雄， 等. 納米纖維素對紙紗原紙有機顏料的留著和固定化研究［J］. 中國造紙，2023，42（4）：64-71.WEN Y B，XIU H J，WANG Z X，et al. Study on Retention andImmobilization of Organic Pigments on Paper Yarn Original Paperby Nanocellulose［J］. China Pulp amp; Paper，2023，42（4）：64-71.

［15］ 馬 樸， 楊云艷， 馬玉芹， 等. 表面施膠水性聚氨酯對箱紙板耐折性能的影響及作用機理［J］. 中國造紙，2024，43（4）：146-154.MA P，YANG Y Y，MA Y Q，et al. Effect and Mechanism of Water‐borne Polyurethane on the Folding Endurance of Liner Board by Sur‐face Sizing［J］. China Pulp amp; Paper，2024，43（4）：146-154. CPP（責任編輯：宋佳翼）