影響濕紙幅強度主要因素的研究進展

盧宗紅 安興業(yè) 劉洪斌

(天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457)

1 濕紙幅強度在紙張成形過程中的重要性

通常將濕紙幅干度在10%～60%時的強度稱為濕紙幅強度［1］。其中影響濕紙幅強度的主要因素為濕紙幅干度、纖維間的纏結(jié)、摩擦和纖維間的結(jié)合。出伏輥時濕紙幅的干度和紙張抄造過程中纖維的交織情況是影響濕紙幅強度的主要因素，纖維縱橫交織越好，紙張越均勻，干度越大，濕紙幅強度也越高;纖維之間摩擦力也是影響濕紙幅強度的因素，纖維越長，長寬比越大，柔曲性越大，纖維之間的接觸面積就越多，摩擦力也越大，濕紙幅強度也越大［2］。

濕紙幅強度是紙張的一個重要特性，濕紙幅強度會影響紙機的運行效率以及濕端斷紙的次數(shù)［3］。圖1所示為壓榨部到干燥部濕紙幅轉(zhuǎn)移過程。濕紙幅在壓榨部 (圖1中A處)轉(zhuǎn)移至干燥部 (圖1中B處)的過程中濕紙幅強度僅為紙張強度的10%～15%，濕紙幅強度是紙張在輥與輥之間成功轉(zhuǎn)移的重要保證［4］。目前，造紙行業(yè)普遍的趨勢是紙張的輕量化(降低定量)和紙機速度的提高［5］。例如包裝紙需在紙機1900 m/min的速度下將定量從110～130 g/m2降低到70～90 g/m2，此時濕紙幅強度顯得尤為重要［1］。因此，濕紙幅強度是實際生產(chǎn)過程的重要參數(shù)，濕紙幅強度決定紙機生產(chǎn)效率的高低［6］。此外，紙張成形過程和壓榨過程中濕紙幅強度的變化決定紙張的最終強度，即濕紙幅強度對紙張的強度也有直接影響［7］。

圖1 壓榨部到干燥部濕紙幅轉(zhuǎn)移過程示意圖［4］

2 濕紙幅強度形成的基本原理

紙張成形過程需考慮不同因素相互作用形成的不同階段。第一階段為成形部，第二階段為壓榨部，第三階段為干燥部。圖2所示為成紙過程中濕紙幅強度的形成過程。從圖2中可以看出，在不同階段獲得濕紙幅強度的原因不同，但影響濕紙幅強度的因素又是相互重疊交叉的［1］。紙張干度是影響濕紙幅強度的最主要因素，濕紙幅強度隨紙張干度的增加而增加［8］。濕紙幅強度上升的速率在成形部最快，干燥部次之，壓榨部最慢。在這些過程中，纖維間的摩擦力和結(jié)合力是除干度外影響濕紙幅強度的重要因素。

圖2 成紙過程中濕紙幅強度的形成過程［1-4］

圖4 幾種纖維及不同PCC用量的紙張抗張力隨干度的變化［11］

圖3 纖維與平板之間形成的不同夾角的液體橋［11］

2.1 纖維間的表面張力和摩擦力

傳統(tǒng)理論認(rèn)為濕紙幅中使纖維結(jié)合在一起的力是纖維間形成的表面張力［9］。Campbell［10］首次提出濕紙幅中纖維與纖維之間存在的游離水與纖維形成液體橋。如圖3所示，液體橋與纖維交叉的液面曲率是纖維間存在吸引力的主要原因［11］。Campbell還提出表面張力的大小與纖維尺寸無關(guān)，而與纖維的柔韌性密切相關(guān)。Herbert［7］通過實驗證明纖維之間的機械纏結(jié)摩擦對濕紙幅強度有明顯影響。

傳統(tǒng)理論不能很好地解釋濕紙幅中游離水完全脫離時濕紙幅強度產(chǎn)生的原因［11］。Tejado等人［11］的研究表明，影響濕紙幅強度的主要原因為纖維之間的纏結(jié)摩擦，而纖維之間的表面張力幾乎不起作用。Tejado做了兩組實驗，實驗結(jié)果如圖4所示，玻璃纖維短且缺乏彈性，故紙張強度的降低應(yīng)歸因為纖維之間沒有形成有效的纏結(jié) (見圖4(a));添加不同用量PCC抄造的濕紙幅干度從45%提高到80%，在這個過程中濕紙幅強度并沒有發(fā)生明顯的變化，這歸因于表面張力并不是濕紙幅強度產(chǎn)生的主要原因 ((圖4(b))。因為PCC表面粗糙，使表面張力變小，若表面張力是產(chǎn)生濕紙幅強度的主要原因，則添加不同用量PCC抄造的濕紙幅強度應(yīng)有明顯變化。

纖維間的摩擦力在紙張成形過程中的各個階段都起到重要作用，同時也是纖維形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的決定性因素［12］。

2.2 纖維間的結(jié)合力

在脫水過程中，如果固體顆粒之間的距離足夠小，纖維之間可能會產(chǎn)生靜電力和范德華力，進一步脫水就會產(chǎn)生氫鍵［13］。

通過壓榨和干燥去除水分子后纖維之間的距離變小。當(dāng)纖維中游離水去除后，纖維內(nèi)部的結(jié)合水開始脫除，該過程纖維相鄰的羥基之間形成水橋 (見圖5(a)和圖5(b))，水分子進一步脫除，水橋逐漸變成氫鍵 (見圖5(c))［14］。紙張的干度小于40%時，纖維之間氫鍵結(jié)合不明顯;紙張的干度大于40%時，纖維間的距離變近，纖維間的氫鍵結(jié)合明顯增多。

圖5 紙張中纖維之間形成氫鍵的過程

3 濕紙幅強度的表征

Page［15］提出濕紙幅強度與纖維平均長度成正比，與纖維平均粗糙度的平方成反比。Shallhorn［16］對Page的理論進行了補充，提出溶劑水的表面張力也是影響濕紙幅強度的重要因素。同時提出了濕紙幅強度的計算見公式 (1)。

式中，TIWWS為濕紙幅強度;η為兩根濕纖維之間的摩擦系數(shù);γ為水的表面張力;L為纖維長度;W為含水量在20%～60%的纖維寬度;RBAdry為相對鍵合面積 (纖維總面積和與水接觸的纖維面積之比);C為纖維粗度;t為纖維橫截面短軸的直徑。

在實際生產(chǎn)過程中短纖維以及細(xì)小纖維對濕紙幅強度有著很大影響，但公式 (1)并沒有考慮這些因素。

3.1 濕紙幅抗張強度

早在1954年，Brecht等人［17］使用拉伸裝置通過測量濕紙幅斷裂的不同時間來表示濕紙幅強度大小。2008年德國發(fā)表了DIN54514 2008《根據(jù)抗張強度來定義紙和紙板的濕紙幅強度》的標(biāo)準(zhǔn)管理措施，該方法適用于對濕紙幅的整體測量。此方法中測定每個樣品的干度對能否正確測量濕紙幅的受力大小至關(guān)重要［8］。

抗張強度指在規(guī)定條件下一定寬度的紙和紙板所能承受的最大張力［18］，是一項很重要的紙張物理性能指標(biāo)。濕紙幅抗張強度就是在紙張未完全干燥的情況下測得的抗張強度。纖維自身強度性質(zhì)、纖維間結(jié)合強度、纖維排列分布均對紙張抗張強度有一定的影響。

Rantanen等人［19］首次提出紙張抗張強度的理論假設(shè)，認(rèn)為纖維或黏結(jié)劑的局部斷裂會加快紙張破裂的速度，并且認(rèn)為纖維間的結(jié)合力是影響紙張抗張強度的主要因素。Karenlampi［20］提出纖維勻度對紙張的抗張強度也有影響。Page等人［21］進一步完善紙張的抗張強度理論，提出纖維長度也是影響紙張抗張強度的因素。圖6為紙張斷裂時單根纖維的斷裂情況。由圖6可知，在紙張破裂時，較長的纖維被拉出時所做的功比短纖維大，故在一定范圍內(nèi)纖維長度與紙張抗張強度成正比;但纖維長度超過一定范圍后，較長纖維不會被拉出而會直接斷裂，導(dǎo)致紙張抗張強度下降［22］。

圖6 紙張斷裂時單根纖維的斷裂情況［22］

3.2 濕紙幅裂斷長

裂斷長是衡量紙張強度的一項指標(biāo)，是用測定的抗張強度 (或拉張力)和恒溫恒濕后的試樣定量計算出來的，主要受纖維間結(jié)合力和纖維平均長度的影響，同時與纖維的交織排列和纖維自身的強度等也有關(guān)。濕紙幅裂斷長就是在紙張未完全干燥的情況下測得的裂斷長，其計算如公式 (2)所示。

3.3 濕紙幅伸長率

紙在受張力拉伸時，將順著力的方向伸長，當(dāng)拉力增加到使紙條被拉斷時，伸長就到了極限。紙或紙板受張力至斷裂時的伸長度與原長度之比稱為紙張的伸長率。濕紙幅伸長率就是在紙張未完全干燥的情況

式中，St為濕紙幅抗張力;W為剝離功;m為單位面積紙張質(zhì)量;v為紙機速度;φ為剝離角;ε為濕紙幅伸長率。

研究表明，濕紙幅的伸長率影響濕紙幅在承受縱向張力時重新分配應(yīng)力的能力，對濕紙幅強度有一定的影響［24］。同時，濕紙幅伸長率是影響紙幅斷頭的重要因素。

4 提高濕紙幅強度的技術(shù)和方法

影響濕紙幅強度的首要因素是紙張的干燥程度，干燥程度對濕紙幅強度的影響并不是線性的，而是在一定范圍內(nèi)呈指數(shù)變化［1］。Dunnlop-Jone認(rèn)為濕紙幅為了保留它部分初始強度，一般有以下幾種方法:①加強和保護已有的纖維間結(jié)合;②形成對水不敏感的結(jié)合鍵;③增強與纖維混合形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［25］。

濕紙幅強度可以通過提高長纖維的占比、提高打漿度，添加化學(xué)助劑、填料、微纖化纖維素 (MFC)等方式來提高。

4.1 漿料種類對濕紙幅強度的影響

不同纖維的柔韌性、可變形性、粗糙度、長度和摩擦性等性能是不盡相同的，而纖維的長度、粗度以及它們的卷曲和扭結(jié)等指標(biāo)是評估濕紙幅強度的重要指標(biāo)［26］。較細(xì)及較薄壁的纖維能增加纖維的結(jié)合面積，從而增加纖維之間的相互結(jié)合。

楊揚等人［27］對不同紙漿的纖維形態(tài)以及濕紙幅強度進行了研究，結(jié)果見表1。結(jié)果表明，不同濕紙幅強度受纖維平均長度、卷曲指數(shù)和細(xì)小纖維含量影響。一般情況下認(rèn)為，濕紙幅強度與纖維長度成正比。長纖維在紙張脫水過程中容易形成纏結(jié)，增加纖維間的摩擦，從而形成更多的氫鍵結(jié)合，因此濕紙幅強度增加。

4.2 打漿對濕紙幅強度的影響

打漿可以改變纖維長度、纖維大小、細(xì)小纖維的數(shù)量以及粗糙度，增加纖維的彈性，對纖維網(wǎng)絡(luò)體的形成、纖維間的結(jié)合強度以及成紙纖維特性等具有一系列重要影響［28］。

Agoda-Tandjawa等人［29］研究了機械打漿對纖維懸浮液性能的影響，天然纖維素呈束狀或簇狀 (見圖7(a));經(jīng)機械打漿后纖維被剝離，逐漸分絲帚化，暴露出了更多的細(xì)小纖維 (見圖7(b))。經(jīng)機械打漿后的纖維在纖維懸浮液中分布得更均勻，易形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

表1 針葉木和闊葉木不同的纖維形態(tài)對濕紙幅抗張強度的影響［27］

圖7 機械打漿對纖維形態(tài)的影響［29］

蘇求鳳等人［30］以亞硫酸鹽葦漿為原料進行實驗，探究打漿對濕紙幅抗張強度的影響，實驗結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出，打漿能耗與葦漿的濕紙幅抗張指數(shù)、濕紙幅抗張能量吸收指數(shù)、濕紙幅伸長率等成正比關(guān)系，即濕紙幅抗張強度隨打漿能耗的增加而增加。

圖8 打漿能耗與濕紙幅抗張強度的關(guān)系［30］

Belle等人［8］對漿料進行不同程度的打漿，不同打漿度纖維SEM圖如圖9所示，由圖9可明顯觀察到較高的打漿度會導(dǎo)致濕紙幅中纖維與纖維之間的纏結(jié)現(xiàn)象明顯增加。隨著打漿度的不斷提高，纖維比表面積不斷增加，同時又由于纖維交織作用的增強，所以濕紙幅強度有所提高。

Lindqvist等人［31］研究表明細(xì)小纖維可以提高纖維間的結(jié)合強度;與含有細(xì)小纖維的紙漿相比，不含下測得的伸長率。

在1958年Mardon就詳細(xì)描述了剝離功與濕紙幅抗張力之間的關(guān)系，并提出了剝離方程［23］。后來Ostevberg考慮到揭紙時濕紙幅的應(yīng)變，將Mardon剝離方程修正為公式 (3)。細(xì)小纖維紙漿的濕紙幅強度下降，研究結(jié)果見圖10。由圖10可以看出，在打漿度70°SR時去除細(xì)小纖維后，紙張的濕紙幅強度仍然比打漿度為20°SR的紙張濕紙幅強度大，這表明隨打漿度的提高纖維發(fā)生了變化，如纖維內(nèi)部分絲帚化，具有更高的彈性，增加了纖維之間的摩擦力和結(jié)合力。實驗結(jié)果表明，細(xì)小纖維含量在30%左右對濕紙幅強度的增強效果最好。

圖9 不同打漿度纖維的SEM圖

圖10 細(xì)小纖維含量對濕紙幅抗張強度的影響

4.3 添加劑對濕紙幅強度的影響

4.3.1 聚合物助劑

為了保證紙機的正常運行，減少斷紙次數(shù)，在紙張抄造過程中需添加適量的聚合物助劑［32］。由于纖維素含有許多羥基，所以作為聚合物助劑也要求能與之發(fā)生反應(yīng)，從而在紙張干燥過程中逐漸形成交聯(lián)的纖維網(wǎng)絡(luò)［33］。交聯(lián)的纖維網(wǎng)絡(luò)能夠減少羥基與水分子的相互作用，從而提高紙張濕紙幅強度和尺寸的穩(wěn)定性。因此，聚合物助劑的加入能夠提高紙張濕紙幅強度［34］。

Hamzeh等人［34］對低聚合度殼聚糖(ChⅠ)、高聚合度殼聚糖 (ChⅡ)、陽離子淀粉 (CS)及聚乙烯醇 (PVA)進行了研究，結(jié)果表明，不同的聚合物助劑對紙張濕紙幅強度的增強效果不同，見圖11。如圖11所示，當(dāng)濕紙幅干度相同、ChⅠ和ChⅡ用量相同的情況下，濕紙幅強度有所不同;聚合物的用量對濕紙幅強度有很大影響，在一定范圍內(nèi)濕紙幅強度與聚合物用量成正比，超過臨界點后濕紙幅強度與聚合物用量成反比;聚合物的添加順序?qū)窦埛鶑姸纫彩怯杏绊懙模渲蠵VA-ChⅠ-CS的組合形式是最優(yōu)的。因此，在實際的應(yīng)用過程中需要根據(jù)實際情況來選擇聚合物助劑的種類、用量以及添加順序。

4.3.2 微纖化纖維素 (MFC)

Kajanto等人［35］研究了MFC對濕紙幅強度的增強作用，如圖12所示。將不同種類MFC加入紙漿抄造成紙，MFC能明顯增強濕紙幅強度，MFC1比MFC2的增強作用大。Kajanto等人提出MFC即使是在低用量下對濕紙幅強度和紙張強度的影響也十分明顯，但隨著MFC用量的增加紙張在濕壓榨過程中的濾水性能會降低。

圖11 聚合物助劑對濕紙幅抗張強度的影響［34］

Gonzalez等人［36］對不同含量的MFC所抄造的紙張進行實驗，隨MFC含量的增加，濕紙幅的裂斷長增大。Gonzalez等人認(rèn)為纖維與MFC之間的結(jié)構(gòu)十分相似，纖維與MFC網(wǎng)絡(luò)之間具有很強的親和力。Gonzalez提出了MFC增強濕紙幅強度的可能機理，如圖13所示。MFC作為黏附劑，能夠促進纖維與纖維之間的結(jié)合;MFC還可以產(chǎn)生不同的網(wǎng)絡(luò)嵌入在較大的纖維中，有利于提高濕紙幅強度。同時，MFC對增強紙張的最終強度也有促進作用。

圖12 不同種類MFC對濕紙幅抗張強度的影響［35］

圖13 MFC增強濕紙幅強度的機理圖［36］

Su等人［37］對比了MFC與高打漿度漿料對濕紙幅強度的影響，結(jié)果表明高打漿度漿料抄造的紙張能將紙張的抗張指數(shù)從 (11±1)N·m/g提高到 (63±6)N·m/g，但是對濕紙幅強度沒有大幅度的提高;而添加MFC抄造的紙張，當(dāng)MFC比上升到50%以上時濕紙幅強度增加幅度較大。MFC不但影響濕紙幅強度，而且影響紙張的應(yīng)力應(yīng)變行為。由圖14可以看出，添加75%MFC的紙漿抄造成的濕紙幅的斷裂應(yīng)變明顯高于高打漿度漿料抄造成的紙張。

圖14 MFC與高打漿度漿料對紙張機械性能的影響［37］

Su等人［38］對不同尺寸的MFC對濕紙幅的增強效果進行了研究，如圖15所示。結(jié)果表明，尺寸較長MFC更容易與纖維形成物理纏結(jié)，從而增強濕紙幅強度;尺寸較短的MFC則能夠阻止纖維之間產(chǎn)生相對滑動，增加纖維與纖維之間的摩擦，從而增強濕紙幅強度。

圖15 MFC長度對濕紙幅強度的影響［38］

4.4 填料對濕紙幅強度的影響

隨著近些年紙漿價格的居高不下，制造商通過添加填料的方式降低生產(chǎn)成本［39］。填料不但會影響成紙的光學(xué)性質(zhì)和機械性質(zhì)，而且也會對造紙濕端產(chǎn)生較大影響［40］。

Lindstrom等人［41］研究表明 (見圖16)，輕質(zhì)碳酸鈣 (PCC)吸附在纖維表面可增加相鄰纖維之間的摩擦力，從而增強濕紙幅的強度。較小的PCC顆粒比較大顆粒的增強效果好;同時填料填充到纖維形成的孔隙還可抵抗?jié)駢哼^程中的壓力，并保持其體積。

圖16 添加PCC增強濕紙幅強度的機理［7］

PCC用量應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，因PCC沒有黏結(jié)能力，若用量過多會阻礙纖維間的結(jié)合［38］。Hua等人［39］研究了高用量的填料對濕紙幅強度的影響，實驗結(jié)果表明 (見圖17)，加入高用量的PCC填料會大大降低濕紙幅強度;從圖17可以看出，在同一干度下，隨著PCC用量的增加，濕紙幅的裂斷長逐漸減小，含有大量填料的濕紙幅在傳遞過程中易出現(xiàn)斷紙現(xiàn)象。因此，在抄紙過程中PCC用量應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，少量的填料能增強濕紙幅強度，而過量的填料則會降低濕紙幅強度。

圖17 不同用量的PCC對濕紙幅裂斷長及濕紙幅抗張能量吸收指數(shù)的影響［39］

5 結(jié) 語

濕紙幅強度是評價紙張質(zhì)量的重要指標(biāo)，是紙張能在紙機上成形且保持紙機良好運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵問題。濕紙幅強度可通過濕紙幅抗張強度、濕紙幅裂斷長和濕紙幅伸長率等指標(biāo)進行表征。影響濕紙幅強度的因素很多，如漿料種類、打漿度、聚合物助劑、MFC、填料等。漿料種類不同，纖維的柔韌性、可變形性、粗糙度、長度和摩擦性均不同，這些因素均會影響纖維間的結(jié)合力;打漿度的提高會增加細(xì)小纖維的含量，隨著打漿度的不斷提高，使纖維比表面積不斷增加，同時又由于纖維交織作用的增強，所以濕紙幅強度有所提高;聚合物助劑和微纖化纖維素 (MFC)的加入會增加纖維間的物理纏結(jié)以及纖維間的摩擦，從而能最大程度地改善和提高紙張在濕壓榨過程中因濕紙幅強度不夠引起的紙張斷頭現(xiàn)象;在漿料中加入適量的填料對濕紙幅強度是有益的，填料顆?？梢宰柚估w維間產(chǎn)生相對滑動，增加纖維間的摩擦力，但是過量的填料則會影響纖維間的結(jié)合，使紙張的機械性能下降。

工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的努力方向仍然在于更加高效地提高濕紙幅強度，從而進一步為紙張能在紙機上成形且保持紙機的良好運轉(zhuǎn)提供保障。