聚乙烯醇纖維對紙紗原紙性能的影響

張便芝 劉 忠 惠嵐峰 楊 乾 程金茹

（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）

紙紗原紙（又稱為紙線原紙）是以植物纖維為主要原料，經過特定條件生產成為紙張，分切成紙條，再經過染色、并捻等加工過程，制成粗細不等的紙紗用于生產紡織品[1]。根據紙紗原紙不同的使用范圍以及滿足后期再加工的需要，要求紙紗原紙有很好的抗張強度、柔軟度、平滑度、撕裂度和耐折度等。本研究通過在麻漿中加入聚乙烯醇（PVA）纖維，選擇合適的打漿度、干燥溫度、聚酰胺環(huán)氧氯丙烷（PAE）添加量、兩性聚丙烯酰胺（AmPAM）添加量和烷基烯酮二聚體（AKD）添加量以及壓榨、壓光等工藝，對手抄片進行物理性能檢測，在盡量滿足低能耗、綠色環(huán)保的條件下，分析抄造紙紗原紙最適宜的工藝條件，以便應用于實際生產。

1 實 驗

1.1 原料及化學助劑

馬尼拉麻：長度2.8 mm，寬度21.3 μm，山東龍德復合材料科技股份有限公司；PVA 纖維：長度6.0 mm，寬度1.5 μm，熔點60℃，濟南馳達科貿有限公司；聚酰胺環(huán)氧氯丙烷（PAE），南通荒川化學工業(yè)有限公司；兩性聚丙烯酰胺（AmPAM），電荷密度0.232 mol/L，南通荒川化學工業(yè)有限公司；烷基烯酮二聚體（AKD），索理斯上?；び邢薰尽?/p>

1.2 實驗儀器

標準疏解器，普利賽斯國際貿易有限公司；肖伯爾打漿度儀，L&W 公司；PFI-MILL 磨漿機，瑞典；紙頁成型器，奧地利PTI 公司；濕紙頁壓榨機，日本熊谷理機工業(yè)株式會社；壓光機，德國Sumet-Messte chnik 公司；光學顯微鏡，日本松下公司；掃描電子顯微鏡（SEM），日本電子公司；紙料Zeta 電位儀，瑞典BTG 公司；動態(tài)接觸角儀，瑞典FIBRO SYSTEM.AB；紙張物理性能檢測儀器。

1.3 實驗方法

（1）打漿：采用PFI 磨漿機對麻漿打漿至一定打漿度。

（2）抄片：將一定量的PVA纖維加入到麻漿中進行疏解，之后加入干強劑、濕強劑、施膠劑，用紙頁成型器進行抄片，然后放入壓榨機中正壓（0.4 MPa）5 min、反壓（0.6 MPa）2 min，最后進行干燥。

（3）壓光：在常溫（23℃）條件下，在線壓力15 N/mm下進行壓光。

1.4 手抄片性能檢測

（1）采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察添加PVA纖維前后手抄片斷面的纖維形態(tài)以及添加PAE、AKD前后的手抄片表面形態(tài)。

（2）采用光學顯微鏡觀察麻漿打漿前后的纖維形態(tài)變化。

（3）將手抄片經過恒溫恒濕處理4 h后，按照相關國家標準檢測手抄片的定量、厚度、抗張強度、伸長率、平滑度、柔軟度、撕裂度和耐折度等物理指標。

2 結果與討論

2.1 干燥溫度及PVA 纖維添加量對手抄片性能的影響

PVA 纖維是一種重要的功能化纖維，由于具有良好的耐熱性、耐酸和耐堿性能，溶于水后無味、無毒，并且能在較短時間內分解，是一種環(huán)保型的綠色產品，因此在造紙行業(yè)中越來越受到重視。在植物纖維中加入PVA 纖維可以在一定程度上提高紙張的抗張強度、撕裂度、耐折度等性能，可以作為紙張增強劑來使用[2]。

2.1.1 干燥溫度對手抄片性能的影響

為了使PVA 纖維更好地發(fā)揮黏結作用，首先要使PVA 纖維熔融。在PVA 纖維添加量為3%的條件下，探究干燥溫度對手抄片性能的影響，結果如圖1所示。

圖1 干燥溫度對手抄片抗張強度的影響Fig.1 Effect of drying temperature on the tensile strength of hand sheets

由圖1 可看出，當干燥溫度低于80℃時，手抄片抗張指數的增加趨勢比較緩慢，當干燥溫度在80～90℃之間時，抗張指數基本穩(wěn)定，當干燥溫度高于90℃時，抗張指數又呈現下降趨勢。這是因為干燥溫度較低時，PVA 纖維呈現半熔融狀態(tài)，黏結作用比較弱，隨著干燥溫度升高，增加趨勢比較緩慢；當干燥溫度達到80℃時，PVA 纖維全部熔融，纖維間的結合力迅速增加，手抄片抗張指數達到最大；而當干燥溫度高于90℃時，使得PVA 纖維自身強度下降，抄造的手抄片強度降低。因此，較優(yōu)的干燥溫度為80℃。

2.1.2 PVA纖維添加量對手抄片性能的影響

在干燥溫度在80℃條件下，探究不同PVA 纖維添加量對手抄片抗張強度和柔軟度（TS7 值）的影響，結果如圖2所示。圖3為手抄片斷面的SEM圖。

圖2 PVA添加量對手抄片抗張強度和柔軟度的影響Fig.2 Effects of PVA dosage on the softness and tensile strength of hand sheets

圖3 手抄片斷面的SEM圖（×35）Fig.3 SEM images of the fracture of hand sheets（×35）

由圖2 可以看出，隨著PVA 纖維添加量的增加，手抄片抗張指數逐漸上升，當PVA 纖維添加量為2.0%時，手抄片抗張指數達到最大值，與未添加PVA 纖維的手抄片相比，抗張指數提高了11.8%，柔軟度提高34.8%；繼續(xù)增大PVA 纖維添加量，手抄片強度逐漸降低；當PVA 纖維添加量為5.0%時，與未添加PVA纖維手抄片相比，手抄片柔軟度TS7值降低了18 個單位，柔軟性越來越好。對比圖3(a)和圖3(b)可看出，未添加PVA 纖維的手抄片受到外力被拉斷時，斷口處的纖維大多被整根抽出，纖維本身還較為完整，被拉斷的較少，而且斷口處較為稀松，說明纖維本身的強度要大于纖維間的結合強度；PVA 纖維添加量為2.0%的手抄片在被拉斷時，被拉斷的纖維較多，斷口處較為緊密，說明纖維之間的結合強度大于纖維自身的強度。手抄片柔軟性隨著PVA 纖維的加入變得越來越好是因為PVA 纖維自身的柔軟性比麻漿纖維好。綜合紙紗原紙性能要求，最終選擇PVA添加量為2.0%。

2.2 壓榨工藝對手抄片性能的影響

在麻漿中加入2.0%的PVA 纖維進行抄造，將濕紙幅放入壓榨機中正壓5 min，反壓2 min，壓榨前后手抄片的物理性能如表1所示。

表1 壓榨前后手抄片的物理性能Table 1 Physical properties of hand sheets before and after pressing

表1 結果表明，壓榨后紙張的強度性能明顯提高，這是因為壓榨可以增加紙張纖維間的接觸，促進纖維間更多的氫鍵結合，手抄片內部纖維結合得更緊密，纖維間的結合面積增加，從而紙張的結合強度提高[3]。

2.3 壓光線壓力對手抄片性能的影響

紙紗原紙需要有良好的平滑度和較低的厚度，壓光可以提高紙張的平滑度，降低紙張厚度，提高厚度的均一性[4]，壓光線壓力對手抄片抗張強度和平滑度的影響如圖4所示。

由圖4 可以看出，隨著線壓力的增加，手抄片平滑度越來越好，抗張指數逐漸降低。這是由于隨著壓光線壓力的增加，導致纖維間結合力下降[5]，使得手抄片抗張強度降低?？紤]到紙紗原紙對光滑度和抗張強度的綜合要求，最終選擇壓光線壓力15 N/mm。

圖4 壓光線壓力對手抄片抗張強度和平滑度的影響Fig.4 Effects of line pressure on the tensile strength and smoothness of hand sheets

2.4 打漿度對手抄片性能的影響

選用PFI 磨對麻漿進行磨漿處理，觀察打漿度對手抄片抗張強度的影響，并觀察打漿前后麻漿纖維的變化，結果如圖5～圖7所示。

圖5 為磨漿轉數對打漿度的影響。由圖5 可以看出，在磨漿轉數低于15000 轉時，隨著磨漿轉數的增加，打漿度的上升趨勢比較明顯，在磨漿轉數高于15000 轉后，磨漿轉數的增加對打漿度的影響較小，打漿度上升速度變緩。圖6為打漿度對手抄片抗張強度的影響。由圖6可知，手抄片抗張強度隨打漿度的升高而升高，打漿度低于70°SR時，打漿度對手抄片抗張強度影響較大，而打漿度高于75°SR 時，手抄片抗張強度變化很小。如圖7所示，隨著打漿度的上升，纖維分絲帚化現象越來越明顯，打漿后的纖維由于纖維素和半纖維素的分子結構中所含的極性羥基與水分子產生極性吸引，水分子進入纖維的無定形區(qū)，使纖維素分子鏈之間的距離增大，引起纖維潤脹，分子間的氫鍵結合受到破壞而游離出更多的羥基，進一步促進纖維潤脹，纖維比表面積增大，有利于纖維的細纖維化，能有效增加纖維間的接觸面積，提高成紙強度[4]。經過分析對比，最終選擇打漿度為75°SR。

2.5 PAE添加量對手抄片性能的影響

在打漿度為75°SR 麻漿中加入2.0%的PVA 纖維，配制成漿濃為1%的懸浮液，然后在漿液中添加不同量的PAE，觀察其Zeta 電位的變化；對添加PAE 前后的手抄片性能進行測試，并用SEM觀察添加PAE前后手抄片的表面形態(tài)，結果如表2、表3和圖8所示。

表2為PAE 添加量對漿料Zeta 電位的影響。由表2 可以看出，由于植物纖維表面本身帶有負電荷，麻漿纖維和PVA 纖維混合成的整個系統(tǒng)呈負性，隨著PAE 添加量的增加，整個系統(tǒng)的Zeta 電位趨于0，繼續(xù)添加PAE，系統(tǒng)呈正電性，此時若PAE 添加過多，容易導致纖維絮聚，且PAE 自身易發(fā)生自交聯(lián)反應，自交聯(lián)反應對水較為敏感，且成鍵強度比PAE 和纖維間的鍵合作用弱[6]，會降低紙張強度，故最終選擇PAE添加量為2.4%。

圖5 磨漿轉數與打漿度的關系Fig.5 Effect of refining revolutions on the beating degree

圖6 打漿度對手抄片抗張強度的影響Fig.6 Effect of beating degree on the tensile strength of hand sheets

圖7 打漿前后纖維的光學顯微鏡圖（×10）Fig.7 Microscopic view of fiber changes before and after beating（×10）

圖8 PAE添加前后手抄片表面的SEM圖（×800）Fig.8 SEM images of the surface of hand sheets before and after adding PAE（×800）

表2 PAE添加量對漿料Zeta電位的影響Table 2 Effect of PAE dosage on Zeta potential

表3 PAE添加對手抄片性能的影響Table 3 Effect of PAE dosage on the properties ofhand sheets

表3 為PAE 添加對手抄片性能的影響。由表3 可以看出，添加2.4%PAE 后，手抄片抗張指數提高了4.67%，撕裂指數提高了3.54%，耐折度提高了14.6%，濕抗張指數提高了671.4%，PAE 對手抄片濕抗張強度有很大影響。原因是因為PAE 作為一種陽離子型助劑，本身帶有較多的正電荷，能夠與纖維上的羥基結合，并且PAE 具備聚電解質的特性，其在水溶液中能夠發(fā)生電離使分子鏈帶上正電荷，能夠吸附到帶負電荷的紙漿纖維上并在纖維表面形成一層致密的抗水聚合物網絡層（膜），從而紙張的濕抗張強度提高[7]。

圖8為PAE添加前后手抄片表面的SEM圖。由圖8 可以看出，添加PAE 后，手抄片表面纖維間的空隙比未添加的少，紙張表面更均勻，勻度更好。

2.6 AmPAM添加量對手抄片性能的影響

AmPAM 因分子內含陽離子電荷和陰離子電荷，所以它除了具備陽離子干強劑的特點之外，還表現出更加優(yōu)異的性能，經顆粒電荷測定儀測試其電荷密度為0.232 mol/L。圖9 為AmPAM 添加量對手抄片抗張強度的影響。

圖9 AmPAM添加量對手抄片抗張強度的影響Fig.9 Effect of AmPAM addition on the tensile strength of hand sheets

圖9為AmPAM 添加量對手抄片抗張強度的影響。從圖9 可以看出，隨著AmPAM 添加量的增加，手抄片抗張指數和濕抗張指數均先上升后下降，當Am-PAM添加量在少于0.05%時，手抄片抗張指數和濕抗張指數均迅速增加；繼續(xù)增大AmPAM 添加量，手抄片抗張指數急劇下降，濕抗張指數也有下降趨勢。這是因為AmPAM 自身帶有陽離子電荷，可以與纖維上的陰離子形成離子鍵，酰胺基與纖維的羥基形成氫鍵，從而可以提高紙張強度，但AmPAM 是高分子聚合物，分子鏈比較長，當添加量過多時極易產生絮聚現象，纖維之間發(fā)生團聚降低紙張的勻度，從而導致紙張強度降低[8]，因此選擇AmPAM添加量為0.05%。

2.7 AKD添加量對手抄片性能的影響

圖10 為AKD 添加量對手抄片接觸角的影響。由圖10 可以看出，隨著AKD 添加量的增加，接觸角由小逐漸變大，當添加量達到0.18%，接觸角如圖11所示；繼續(xù)增大添加量，接觸角變化越來越小。通過圖12 與圖8(b)對比可以看出，添加AKD 后，AKD 分子在纖維上鋪展。AKD 自身帶有脂肪烴長鏈官能團，具有憎水性，加入到疏解好的漿料后，在干燥過程中，疏水基團定向朝外排列，從而使紙張獲得抗水性[9]。

圖10 AKD添加量對手抄片接觸角的影響Fig.10 Effect of AKD addition on the contact angle of hand sheets

圖11 AKD添加量為0.18%的手抄片接觸角Fig.11 Contact angle diagram of hand sheets with 0.18%AKD

圖12 AKD添加量為0.18%的手抄片表面SEM圖（×800）Fig.12 SEM image of the hand sheets surface with 0.18%AKD

2.8 紙紗原紙性能檢測

由實驗可知，當麻漿打漿度為75°SR，PVA 纖維添加量為2.0%，PAE 添加量為2.4%，AmPAM 添加量為0.05%，AKD 添加量為0.18%，經過濕壓榨后，干燥溫度為80℃，然后用15 N/mm 壓光線壓力進行壓光處理，在此條件下紙紗原紙的物理性能達到最佳值，如表4所示。

表4 實驗紙樣物理性能Table 4 Physical properties of paper

3 結 論

本研究在麻漿中添加聚乙烯醇（PVA）纖維制備紙紗原紙，探究了抄造工藝條件對紙紗原紙性能的影響。

3.1 PVA 纖維在一定溫度下熔融，起增強作用，當干燥溫度為80℃、PVA 纖維添加量為2.0%時，與未添加PVA 纖維的手抄片相比，手抄片抗張指數提高了11.8%，柔軟度提高了34.8%。

3.2 打漿、壓榨和壓光工藝都會對手抄片性能產生影響，綜合紙紗原紙抗張強度、平滑度等的要求，最終選擇麻漿打漿度為75°SR、濕壓榨以及15 N/mm 的壓光線壓力。

3.3 當聚酰胺環(huán)氧氯丙烷（PAE）添加量為2.4%、兩性聚丙烯酰胺（AmPAM）添加量為0.05%、烷基烯酮二聚體（AKD）添加量為0.18%時，紙紗原紙的各物理性能指標達到最佳值。

3.4 在最優(yōu)工藝條件下所抄紙紗原紙的主要物理性能：抗張指數80.0 N·m/g，濕抗張指數32.8 N·m/g，撕裂指數14.7 mN·m2/g，耐折度1498 次，平滑度41 s，柔軟度TS7值為53.8，伸長率3.37%。