影响纸和纸板松厚度的主要因素

彭金勇 刘洪斌，* 李甘霖 邹学军

(1.天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457;2.湖南泰格林纸集团股份有限公司，湖南岳阳，414002;3.加拿大林产品创新研究院，加拿大，H9R 3J9)

近年来纸和纸板的生产商和用户都越来越关注纸和纸板的松厚度［1］，因为松厚度对产品成本和产品性能有重要的影响。高松厚度意味着在一定的纸和纸板厚度下可以降低定量，减少纤维用量，达到节约成本的目的;高松厚度可以提高纸和纸板的挺度性能，可以使书籍出版商以较少的页数来维持整本书的厚度，还可以增加纸张的不透明度、印刷适性和降低印刷油墨的透印［2-4］。因此，松厚度对纸和纸板产品的成本控制、产品性能及产品的附加值都具有重要的意义。本文综述了影响松厚度的因素，总结了提高纸和纸板松厚度的实用方法。

1 松厚度定义

松厚度是纸和纸板的一个重要指标，它是定量与厚度的比值，可以用cm3/g来表示。松厚度表示纸张疏密程度，即纸张孔隙率的大小。高松厚度意味着纸板、轻型纸等要求厚度的纸种可以降低纸张定量，对复印纸、纸板等要求挺度的纸种可以提高纸张的不透明度、挺度性能。

2 纸和纸板松厚度的影响因素

纸和纸板松厚度的主要影响因素包括造纸纤维原料、浆料种类、打浆操作、填料、化学品、压榨、干燥、压光等。

2.1 造纸纤维原料

造纸纤维原料的纤维形态对纸张松厚度有重要的影响。较粗的纤维成纸孔隙率较高，纸张的松厚度也较高，较细的纤维成纸孔隙率低，松厚度较低。一般来说，纤维粗度高，松厚度就高。但是，松厚度不仅仅与纤维的粗度有关，而与纤维在成纸过程中的压溃也有非常重要的关系，成纸的松厚度最终取决于纤维的压溃和变形程度。因此，小直径厚壁的纤维更挺硬、不易压溃，易形成高松厚度的纸张。Gurnagul等人［5］的研究显示，纸张松厚度与细胞壁厚度和纤维宽度的比值成正比，实验室研究数据表明，较窄的厚壁纤维即使经过漂白也仍能够保持较高的纸张松厚度，如图1所示。所以，生产高松厚度的纸张时，纤维原料的来源和选择非常重要。

图1 纸张松厚度与纤维壁厚和纤维宽度比值的关系

2.2 浆料种类

2.2.1 浆料种类对松厚度的影响

浆料种类对于纸张松厚度的影响非常大，图2列出了各种浆料纸张的松厚度。从图2中可以看出，各类浆料纸张松厚度的顺序为:高得率浆 (化学机械浆)＞热磨机械浆＞硫酸盐浆＞废纸浆;不同原料在同类纸浆中松厚度也不同，阔叶木高得率浆＞针叶木高得率浆，阔叶木硫酸盐浆＞针叶木硫酸盐浆＞麦草硫酸盐浆［6］。

2.2.2 不同材种对松厚度的贡献

高得率浆，即化学机械浆，包括漂白化学热磨机械浆 (BCTMP)、碱性过氧化氢机械浆 (APMP)、预处理的碱性过氧化氢机械浆 (P-RC APMP)，以其优异的松厚度性能在纸和纸板产品中得到了广泛的应用［7-12］。不同材种的纤维形态不同，所得高得率浆的松厚度也不同，同样的材种也可以根据要求生产出不同松厚度的高得率浆。图3是不同材种高得率浆的松厚度，由图3可以看出，枫木高得率浆具有最高的松厚度，高达3.8 cm3/g，其次是桉木、桦木、云杉、杨木高得率浆所抄造的纸张［2］。

2.2.3 高得率浆制浆工艺及其控制对松厚度的影响

图2 不同浆料纸张的松厚度

图3 一些常见材种高得率浆的松厚度

高得率浆本身的高松厚度是其他浆种无法比较的，因此在高级纸中，用高得率浆部分替代漂白硫酸盐阔叶木浆得到了广泛的应用;在纸板中，高得率浆作为纸板的芯层可较大地提高纸板的松厚度和挺度。高得率浆具有与漂白硫酸盐阔叶木浆相似的物理强度和白度。与漂白硫酸盐阔叶木浆相比，高得率浆除了制浆成本低、得率高之外［7］，还具有一些较好的其他特性，如高松厚度、高不透明度和较高的细小纤维组分［13-15］，因为大多数木素都保留在高得率浆中，高得率浆纤维一般较挺硬且在造纸过程中不容易被压溃［16］。由图4可以看出，漂白硫酸盐杨木浆中主要是长而柔软的纤维，这些纤维将形成一个紧凑的纤维网络结构;而杨木高得率浆则由长而粗的纤维以及很大一部分的细小纤维构成。当用高得率浆取代一部分硫酸盐浆时，这些细小纤维将对纸张的匀度有利，而且粗糙而挺硬的纤维将会使纸张结构更松厚［17］。

图4 杨木硫酸盐浆 (KP)和杨木高得率浆 (HYP)纤维SEM图

浆料种类的选择与配比是目前高松厚度纸生产工艺的关键，通过添加高得率浆来提高纸张松厚度是目前造纸厂广泛采用的最为有效的方法。周亚军等人分别用杨木和桦木的高得率浆部分取代阔叶木硫酸盐浆进行抄片实验，高得率浆取代量为0～100%，发现随着取代量的增加，纸张松厚度增加，且桦木高得率浆抄造纸张的松厚度更高 (如图5)，达到了 3.43 cm3/g［2］。

图5 纸张松厚度随着高得率浆取代比例增加的变化

使用高得率浆提高纸张松厚度是未涂布印刷书写纸、涂布印刷纸生产中普遍采用的手段。在未涂布印刷书写纸中，高得率浆代替10%～20%的漂白硫酸盐阔叶木浆，不会对造纸机的运行和纸张的表面性能、强度性能、印刷性能产生负面影响;在涂布印刷纸中，高得率浆代替漂白硫酸盐阔叶木浆的量一般为15%～25%，最近研究表明高得率浆的替代率可以高达30%～40%，通过造纸和涂布过程参数的调整，同样可以获得与较低含量高得率浆相同的纸张质量［18-20］。

杨木和枫木高得率浆用于纸板的生产，来提高产品的松厚度和挺度，降低纸板定量，节约生产成本，特别是枫木高得率浆所抄造纸张松厚度高达3.8 cm3/g，是多层纸板抄造的超值纤维。高得率浆不仅提供较高的松厚度，由于其细小纤维含量高，还可以提高纸张的匀度［21］。

涂布纸板的芯层原料主要由OCC、办公废纸、混合废纸、白纸板边、旧报纸等配成，研究发现当原料组成为:20%OCC、40%混合废纸、20%白纸板边、20%损纸时，所得的芯层松厚度最高，达到了1.33 cm3/g，其中，混合废纸能够提供较好的松厚度［22］。混合废纸从纸料的化学性质看，纸浆的木素含量高，打浆时纤维不易润胀、水化和细纤维化，纤维比较粗硬，在纸张干燥过程中不易使纤维互相紧贴，故纸张松厚度高。旧报纸里含有大量BCTMP和CTMP，而BCTMP、CTMP多用阔叶木制浆，木素含量高，纤维较粗硬，在抄纸过程中不易被压溃，会给予成纸良好的松厚度。

2.3 打浆

打浆能够增加纤维弹性和形变性，提高结合强度和紧度，降低松厚度。如果在结合强度未增加的条件下提高了纤维卷曲，则松厚度增加。低浓磨浆可减少纤维卷曲，增加结合强度，导致成纸松厚度降低，如漂白硫酸盐云杉浆，在加拿大标准游离度为500 mL时，纸张的松厚度为1.60 cm3/g，经过打浆处理，当浆料的加拿大标准游离度为320 mL时，纸张的松厚度降低到1.50 cm3/g。高浓打浆有助于纤维之间的摩擦，使纤维表面更多的细纤维化，能够较多地保留成纸的松厚度［23］。

当造纸系统使用多种浆料时，打浆策略也会影响成纸的松厚度。Gao等人研究了造纸系统中使用桉木硫酸盐浆和高得率浆时打浆方式对纸张松厚度的影响，研究发现，在高得率浆用量20%下，用PFI磨对高得率浆和漂白硫酸盐桉木浆打浆至加拿大标准游离度400 mL时，单独对两种浆料打浆后抄造纸张的松厚度为1.80 cm3/g，两种浆混合打浆后抄造纸张的松厚度为1.63 cm3/g［24］。因为打浆主要是由纸料滤水、纸张强度性能来决定，所以利用调整打浆方式来提高松厚度的效果有限。

2.4 填料

填料以其对浆料的价格优势在未涂布印刷书写纸、涂布印刷纸中广泛使用，填料为纸张光学性能、不透明度、印刷适性等方面带来好处，并且填料在印刷书写纸中的用量有继续增加的趋势。填料对纸张松厚度的影响是负面的，由于填料的密度要比纤维高，所以在定量一定的情况下，增加填料用量会降低纸张的松厚度。不同种类的填料对纸张松厚度的影响不同，在一定的纸张灰分含量下，填料对纸张松厚度的负页影响程度如图6所示:二氧化硅＜沉淀碳酸钙(PCC) ＜高岭土、滑石粉［25］。

目前造纸行业主流的填料是研磨碳酸钙 (GCC)和PCC，这两种填料对纸张松厚度的影响不同。相对于GCC而言，PCC在改善纸张松厚度上效果要明显的多，这是因为PCC颗粒之间的絮聚使纸张获得多孔结构，纤维之间的孔隙增大，从而增加了纸张的松厚度［26］。并且PCC的平均粒子大小以及分布会对纸张松厚度产生影响。图7是GCC和PCC的形态示意图。

图6 不同填料种类对纸张松厚度的影响［25］

图7 GCC和PCC的形态示意图

同是PCC，类型不同的PCC对纸张松厚度的影响也不同。受PCC颗粒的形状、粒径影响，具有纺锤形凝聚形态结构的PCC对纸张松厚度的保留更具优势。Velho认为改善纸张松厚度的填料性能有:颗粒形状、颗粒大小、颗粒分布和平均粒度。松厚度随着填料颗粒尺寸的增加而增加，证明在一个给定的颗粒密度条件下，颗粒总体大小对松厚度的影响占主导地位。同时，他提出PCC可以使纸张松厚度保留更多，尤其是偏三角面形状的PCC的添加可以使纸张松厚度提高，并且PCC的平均颗粒大小以及分布会对纸张松厚度产生不同的影响［27］。Bown认为当填料颗粒较小时，加填会降低纸张的松厚度，但是当颗粒尺寸增加时，纸张的松厚度会提高，并且当颗粒尺寸达到3 μm时，松厚度就不再提高［28］。

2.5 松厚度添加剂 (化学品)

在造纸过程中添加松厚度添加剂也可以提高纸张的松厚度。一般情况下，松厚度添加剂也称为解键剂，即防止纤维之间产生氢键结合或者破坏纤维之间已有结合的化学品。解键剂一般多为叔胺或者季铵盐类物质。解键剂分子具有疏水与亲水性，可起到表面活性剂的作用。纸浆纤维中亲水性的部分被交联剂中疏水性的分子覆盖，阻止纤维内部结合键的形成，这样可以降低纸张紧度，提高松厚度。同时，在一定范围内，纸张的抄造性能与机械性能在很大程度上受解键剂的化学结构与胶体性质的影响。当松厚度添加剂油酸酰胺 (DOFAS)与硬脂酰胺 (DSFAS)加入造纸过程中时，在添加4%的DOFAS后，纸张紧度降低16%，松厚度提高了19%，在添加4%的DSFAS后，纸张紧度降低11%，松厚度提高12%［29］。

杜伟民等人研究了有机类松厚度助剂DL20和无机类松厚度助剂白炭黑对手抄纸松厚度的影响，如图8所示，发现有机类松厚度助剂和无机类松厚度助剂都能够提高纸张的松厚度［30］。Jin等人研究了膨胀剂对纸张松厚度的影响，发现烷基链长度较短的膨胀剂有更大的膨化效果，对纸张松厚度增加更多［4］。卡米拉化学品公司开发了松厚度添加剂889，生产定量为75 g/m2的书本纸时，在长网纸机湿部用量4 kg/t浆，纸张松厚度增加10%［3］。松厚度添加剂的使用取决于它的生产成本和对纸张强度的负面影响。

图8 无机和有机松厚度助剂对纸张松厚度的影响［30］

2.6 压榨

压榨的主要目的是脱水，但也要兼顾纸张其他性能的要求。压榨压力太大，会使纸张的紧度增大，松厚度降低。如果松厚度达不到要求，要在允许范围内最大限度地减轻压力，以保证最后成纸质量。当然如果在条件允许的情况下，选用宽压区压榨，就能更好地解决纸料脱水与纸张松厚度的矛盾。

靴式压榨能够在保持纸张性能的同时提高纸张的松厚度，在给定的纸张干度和纸张平滑度下，经过靴式压榨和辊式压榨的纸张在松厚度方面有着明显的区别，如定量57.0 g/m2的高档文化用纸在40%的干度下，靴式压榨所得纸张的松厚度要比辊式压榨所得纸张的松厚度高11.3%。另外，靴式压榨一个潜在的好处是提高纸张的表面均匀性，且提高纸张适印性［31］。

2.7 干燥

一般来说，随着干燥时间的增加，纸和纸板的松厚度是下降的，降低干燥的时间可以提高松厚度。Lee等人研究了最大干燥收缩速率与松厚度的关系，研究指出纸张的松厚度和最大干燥收缩速率大致成反比关系，因为随着干燥的进行，纤维间以及纤维内部的结合力区域被收缩了，从而紧度增加，松厚度降低。纸张松厚度随着最大干燥收缩速率的减少而增加，因为湿部收缩的减小诱导纸张松厚度的增加，从而增加了纸张的松厚度［32］。

此外，Nygren等人研究了机械浆和化学机械浆发现，如纸幅在不同的温度下干燥脱水，其松厚度会有很大的差别，这种差别或许可从纤维的黏塑性能得到解释，也就是木素的软化以及不同浆种中木素成分不同［33］。

2.8 压光

压光包括硬压光和软压光，其作用都是提高纸张表面的平滑度。加大压力，纸张表面平滑度会提高，但其松厚度会降低。而软压光与硬压光相比，由于其压力小，从而纸张的紧度低，更多地保留纸张松厚度。压光时的压力对成纸最终的松厚度影响也很大，在保证造纸机正常抄造过程的前提下，如果在完成部减轻压光机压力，或者采用软辊压光、减少压辊数量的方法对轻型纸进行整饰，纸张松厚度会提高。Ratto等人研究了高温和软压光对纸张松厚度的影响，发现线压力对压光后纸张的总体松厚度有主导性的作用，而加热辊的温度似乎对纸张松厚度的影响更为显著［34］。

Rheims等人使用NipcoFlex压光机在未涂布印刷纸中的试验显示，在相同的纸张粗糙度下，使用NipcoFlex压光机的纸张松厚度提高了5%或者0.06 cm3/g，而在相同的情况下，平滑度提高了约1 μm或者20%［35］。

此外，新技术金属带式压光 (metal belt calender)能够在保持松厚度的同时使纸张达到较好的表面性能。金属带式压光压区更长，纸张松厚度增加3%～10%，可节约3% ～10%的纤维用量。在一定的纸张表面粗糙度下，经过金属带式压光的纸张松厚度更高［36］。金属带式压光首先在纸板中得到应用，近年来也把它应用在文化用纸的生产。

3 结语

松厚度是纸和纸板非常重要的性能，高松厚度的纸和纸板能保持必要的挺度，可减少纤维消耗量，节约浆料成本。

提高松厚度目前最可行的技术包括添加高得率浆、压光采用金属带式压光、压榨采用靴式压榨、干燥部进行控制等，浆料选择和工艺系统优化是提高纸张松厚度的关键，开发新的松厚度添加剂也是一个重要的研究方向。

［1］ Gao Y，Rajbhandari V，Li K，et al．Effect of HYP fibers on bulk and surface roughness of wood-freepaper［J］．Tappi Journal，2008，7(4):8．

［2］ Zhou Ya-jun，Yuan Zhi-run，Jiang Zhi-hua．Overview of the characteristics，properties and applications of highyield pulps［J］．World Pulp and Paper，2007，26(1):2．周亚军，袁志润，江智华．高得率浆的特性与应用［J］．国际造纸，2007，26(1):2．

［3］ CampbellCJ，O’ToolMP．Bulk enhancement by functional chemical treatment［C］．PaperCon 2010，Atlanta，GA，USA，2010．

［4］ Jin H，Okayama T，Arai R，et al．Relationship between wettability and sizing degree of paper containing bulking agent［J］．Journal of Wood Science，2011，57:35．

［5］ Gurnagul N，Page DH，Seth RS．Dry sheet properties of Canadian hardwood kraft pulps［J］．Journal of Pulp and Paper Science，1990，16(1):36．

［6］ Zhang H，He Z，Ni Y．Improvement of highyield pulp properties by using a small amount of bleached wheat straw pulp［J］．Bioresource Technology，2011，102(3):2830．

［7］ He Zhi-bin，Ni Yong-hao，Zhou Ya-jun．Characteristics of high yield pulp and their effects on the wet-end chemistry of the papermaking process［J］．World Pulp and Paper，2007，26(3):25．何志斌，倪永浩，周亚军．高得率浆的特性及其对造纸过程湿部化学的影响［J］．国际造纸，2007，26(3):25．

［8］ Cannell E，Cockram R．The future of BCTMP［J］．Pulp and Paper，2000，74(5):61．

［9］ ZHOU Ya-jun，ZHANG Dong-ji，LI Gan-lin．An Overview of BCTMP:Process，Development，Pulp Quality and Utilization［J］．China Pulp ＆ Paper，2005，24(5):51．周亚军，张栋基，李甘霖．漂白高得率化学机械浆综述［J］．中国造纸，2005，24(5):51．

［10］ Zhou Y．Overview of high yield pulps(HYP)in paper and board［C］//90th PAPTAC Annual Meeting，Preprints，2004，B14．

［11］ Xu E C．P-RC alkaline peroxide mechanical pulping of hardwood，part 1:aspen，beech，birch，cottonwood and maple［J］．Pulp and Paper Canada，2001，102(2):44．

［12］ Reis R．The increased use of hardwood high yield pulps for functional advantages in papermaking［C］//2001 Tappi Papermakers Conference，Cincinnati，Ohio，USA，2001．

［13］ Zhou Y，Zou X．Achieving desired end-use performance by using BCTMP in wood-free coated papers［C］//Proccedings of International Mechanical Pulping Conference，Quebec，Canada，2003．

［14］ Levlin J E．On the use of chemi-mechanical pulps in fine papers［J］．PaperiJaPuu-Paper and Timber，1990，72(4):301．

［15］ Ford M，Sharman P．Performance of high yield hardwood pulp is investigated as it should be the choice of the future［J］．Pulp ＆ Paper International，1996，38(10):29．

［16］ Yan D，Li K，Zhou Y．Measurement of the fibre wet flexibility of mechanical pulp fibres by confocal laser scanningmicroscopy［J］．Tappi Journal，2008，7(1):27．

［17］ Zhou Ya-jun．Effect of HYP fibres on bulk and surface roughness of wood-free paper［J］．World Pulp and Paper，2007，26(5):2．周亚军．添加高得率浆对纸张松厚度和平滑度的影响［J］．国际造纸，2007，26(5):2．

［18］ Hu K，Ni Y，Zou X，et al．Substitution of hardwood kraft with aspen high yield pulp in lightweight coated wood-free papers:part I．Synergy basestock properties［J］．Tappi J．，2006，5(3):21．

［19］ Hu K，Ni Y，Zou X，et al．Substitution of hardwood kraft with aspen high yield pulp in lightweight coated wood-free papers:part 2:Impact on coated paper quality［J］．Tappi J．，2007，6(1):26．

［20］ Liu H，Chen Y，Zhang H，et al．Increasing the use of high-yield pulp in coated high-quality wood-free papers:from laboratory demonstration to mill trails［J］．Industrial＆ Engineering Chemistry Research，2012，51:4240．

［21］ ZHOU Ya-jun．Using Maple HYP to Produce High-grade Coated Paper Board［J］．China Pulp ＆ Paper，2003，22(7):11．周亚军．用枫木高得率化机浆生产高档涂布纸板［J］．中国造纸，2003，22(7):11．

［22］ Qing Xi-long．Manufacturing practice of improving whiteboard paper bulk［J］．Paper Science＆ Technology，2001，20(4):42．卿喜龙．改善涂布白板纸松厚度的生产实践［J］．造纸科学与技术，2001，20(4):42．

［23］ Kibblewhite RP，Kerr AJ．Gaseous ammonia treatment of pulp:The effects on fibre kinking and paper properties［J］．Tappi Journal，1979，62(10):119．

［24］ Gao Y，Huang F，Rajbhandari V，et al．Effect of separate refining and co-refining of BCTMP/KP on paper properties［J］．Pulp ＆ Paper Canada，2009，110(6):28．

［25］ Liu Wen．Challenge to the development of bulky paper［J］．World Pulp and Paper，2007，26(5):17．刘 文．高松厚度轻型纸生产技术［J］．国际造纸，2007，26(5):17．

［26］ Laufmann M，Forsblom M，Strutz M，et al．PCC as the primary filler for uncoated and coated wood-free paper［J］．Tappi Journal，2000，83(5):76．

［27］ Velho J L．How mineral fillers influence paper properties:some guidelines［J］．Beroamerican Congress on Pulp and Paper Research 2002，Sao Paulo，Brazil，2002．

［28］ Bown R．Particle size，shape，and structure of paper fillers and their effect on paper properties［J］．Paper Technology，1998，39(2):46．

［29］ Teng Ming-hui．AKD sizing behavior of high-bulk papers prepared withfatty acid diamide salts ［J］．Paper Chemicals，2012，31(2):51．滕铭辉．AKD施胶剂与DOFAS/DSFAS在高松厚度纸张中的作用［J］．造纸化学品，2012，31(2):51．

［30］ Du Wei-min．The effects of bulk agents on properties of bulky paper［J］．Paper Chemicals，2010，22(3):48．杜伟民．松厚性助剂对高松厚性纸张性能的影响［J］．造纸化学品，2010，22(3):48．

［31］ Liu Wen-bo．Experiences with various shoe press applications［J］．World Pulp Paper，2007，26(3):47．刘文波．功能强大的靴式压榨技术［J］．国际造纸，2007，26(3):47．

［32］ Lee JH，Park JM．Evaluation of drying shrinkage velocity of paper to analyze bulk and stiffness changes of paper［C］//2012 International Paper Physics Conference，Stockholm，2012．

［33］ Nygren O，Back R，Hoglund H．On characterization of mechanical and chemi-mechanical pulps［C］//Proccedingsof International Mechanical Pulping Conference，Quebec，Canada，2003．

［34］ Ratto P，Hornatowska J，Rigdahl M．Effect of high-temperature and soft-nip calendering on the densityofpaper［J］．Nordic Pulp and Paper Research Journal，2001，16(3):172．

［35］ Rheims J，Kurtz R．The development of NipcoFlexshoe press［J］．China Pulp＆ Paper Industry，2006，27(3):34．Rheims J，Kurtz R．NipcoFlex靴式压光机的开发［J］．中华纸业，2006，27(3):34．

［36］ Vaittinen H，Pietikäinen R，Valkama T．Metal belt calendering of uncoated fine paper-pilot and mill trial results［J］．PaperCon 2012，New Orleans，LA，USA，2039． CPP