丝光浆对空气滤纸原纸性能的影响

熊皇伟 惠岚峰 王发烨

(天津科技大学造纸学院，天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457)



·丝光浆·

丝光浆对空气滤纸原纸性能的影响

熊皇伟 惠岚峰*王发烨

(天津科技大学造纸学院，天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457)

在室温条件下，对漂白硫酸盐针叶木浆进行丝光化处理，探讨了碱液浓度和处理时间对纸浆聚合度的影响；并进一步研究了丝光浆与针叶木浆的配比、针叶木浆的打浆度、增强剂种类和用量以及压榨和干燥方式对空气滤纸原纸性能的影响。结果表明，碱液浓度190 g/L、处理时间45 min时，获得的丝光浆具有较高的聚合度；另外，当丝光浆用量为50%、针叶木浆的打浆度为22°SR、阳离子聚丙烯酰胺用量为0.06%时，所抄空气滤纸原纸经压榨干燥后，其透气度高于100 μm/(Pa·s)，优于行业标准QB/T 4031—2010阻燃性汽车空气滤纸要求。

针叶木浆；丝光化；聚合度；空气滤纸

(*E-mail:huipeak@163.com)

空气滤纸是原纸经过树脂浸渍加工形成的过滤用纸，主要用于空气滤清器，用在汽车、船舶、拖拉机等的内燃机上[1-2]。空气滤清器位于发动机的进气系统中，直接影响发动机的使用情况[3]。使用空气滤纸能够提高发动机的燃烧效率，延长发动机的使用寿命，防止早期磨损[4]。空气滤纸不仅影响对空气的过滤效果，而且影响发动机的使用安全。

用一定浓度的碱液浸渍纤维的过程称为丝光化，纤维丝光化处理后，其形态和自身特性发生一定程度的变化：在碱液的作用下，纤维得到充分润胀，宽度变宽，同时纤维的非结晶区被部分溶出，使纤维长度变短、扭曲指数变大，纸浆中细小组分的含量减少。丝光化处理后的纤维表面变得光滑、圆润，纤维发生扭曲，有利于提高纸张的透气度，但物理强度会有所降低。丝光浆具有较好的透气性能及化学稳定性，适于生产过滤纸、吸墨纸、字典纸等纸种[5]。

利用丝光浆配抄空气滤纸原纸对原纸的物理性能有较大的影响。本实验研究了丝光浆与针叶木浆的配比、针叶木浆的打浆度、增强剂的种类和用量以及压榨和干燥方式对空气滤纸原纸的影响。

1 实 验

1.1 实验原料

漂白硫酸盐针叶木浆：智利进口。

NaOH(分析纯)，购于天津市北方天医化学试剂厂；阳离子淀粉(CS，分析纯)，取代度为0.025～0.035，购于北京康普汇维科技有限公司；阳离子聚丙烯酰胺(CPAM，工业级)，相对分子质量为80万，购于巩义邦洁净水材料有限公司。

1.2 实验仪器

标准纸页成型器(RK-ZA-KWT，PTI公司，奥地利)，转鼓式纸张干燥器(2110，AMC公司，美国)，Valley打浆机(1304027，日本KRK株式会社)，纤维分析仪(979444，L&W公司，瑞典)。

1.3 实验方法

1.3.1 针叶木浆的丝光化处理

首先设定丝光化处理温度为室温，并设定不同碱液浓度和处理时间。利用Valley打浆机对针叶木浆进行疏解，称取一定质量的浆料，根据实验设计条件加入所需质量的NaOH和补加水量，丝光化处理一定时间后，用清水冲洗浆料至中性。

1.3.2 丝光化处理前后纤维形态观察及纤维分析

用赫氏染色剂对纤维进行染色，在显微镜下观察纤维形态，取点拍照，并用纤维分析仪进行纤维分析。

1.3.3 手抄片的抄造及性能检测

将丝光浆与针叶木浆按比例混合后，使用标准纸页成型器抄造定量为110 g/m2左右的手抄片，分别使用真空干燥器和转鼓式纸页干燥器干燥，然后按照相应国家标准对纸张进行各项性能检测。

2 结果与讨论

2.1 碱液浓度与处理时间对丝光化处理的影响

在室温条件下，碱液浓度和处理时间是影响丝光化作用最主要的因素。丝光化处理后的纤维用于抄造空气滤纸能够有效地提高原纸的透气度，但原纸的强度会有所降低。丝光化处理能够有效地去除纤维素结晶区间的半纤维素和低聚合度的纤维素，从而改变纸浆的聚合度，因此以聚合度为参数，探讨碱液浓度和处理时间的优化条件。

图1为碱液浓度对纸浆聚合度的影响。由图1可知，随着碱液浓度的增大，纸浆聚合度先逐渐增加，达到最大值后又降低。当碱液浓度较低时，由于半纤维素和低聚合度的纤维素被大量去除，尤其是聚木糖的溶出，溶出率高达80%，其余的聚木糖可能与纤维素形成共价键结合，难以去除[6-9]，因此导致纸浆的聚合度有所增大；当碱浓超过一定值后，由于纤维素也发生剧烈降解，导致纸浆的聚合度明显降低。由图1可得丝光化处理的最佳碱液浓度为190 g/L。

图1 碱液浓度对纸浆聚合度的影响

图2 处理时间对纸浆聚合度的影响

处理时间对纸浆聚合度的影响如图2所示。从图2可以看出，纸浆的聚合度随处理时间先有所升高，达到最大值后，聚合度又适量降低。这是由于随着处理时间的增加，纸浆中的半纤维素和低聚合度的纤维素大量脱除；随着处理时间的延长，纤维素发生剧烈降解，聚合度下降。因此最佳处理时间可选择为45 min。

综上，丝光化处理可除去纸浆中大量的聚木糖，从而提高纸浆的聚合度。在室温条件下，丝光化处理的优化条件是碱液浓度190 g/L、处理时间45 min，在此条件下纸浆具有较高的聚合度。

2.2 丝光化处理前后纤维形态的变化

图3为丝光化处理前后针叶木浆纤维的显微镜照片。由图3可以看出，丝光化处理后纸浆中的细小组分有所降低，纤维扭曲程度有所增加，且纤维表面变得更加光滑，说明纤维表面有部分暴露出来的细小纤维被降解了。

表1为丝光化处理对纤维形态的影响。从表1可以看出，丝光化处理后，纤维平均长度变短，平均宽度变宽，说明经丝光化处理后的纤维自身发生润胀，这是由带负电荷的氢型离子基向钠型结构转换而引起的。离子交换在纤维细胞壁内形成了渗透压，使得水合钠离子向浓度低的细胞壁渗透，使细胞壁发生润胀和塑化[10]。由表1还可知，纤维的平均扭曲角和平均扭曲指数都有所增大，说明纤维整体弯曲程度变大；纸浆中细小组分含量降低了45%，说明丝光化处理有利于除去纸浆中的细小组分。

2.3 丝光浆用量对空气滤纸原纸性能的影响

将针叶木浆打浆至38°SR，然后与丝光浆配抄定量为110 g/m2左右的手抄片，丝光浆的比例分别为0、10%、20%、30%、40%、50%(相对于纸张绝干量)，压榨5 min后用真空干燥器干燥，按照相应标准方法对手抄片进行物理性能检测。

图3 丝光化处理前后针叶木浆纤维的显微镜照片

表1 丝光化处理前后纤维形态参数

图4 丝光浆用量对空气滤纸原纸松厚度和透气度的影响

图4～图6为丝光浆用量对空气滤纸原纸性能的影响。从图4可以看出，随着丝光浆用量的增加，空气滤纸原纸的松厚度和透气度增大，且透气度增大趋势明显。从图5可以看出，随着丝光浆用量的增加，空气滤纸原纸的抗张指数和耐破指数都降低，可知，丝光浆的加入会剧烈降低原纸的强度。从图6可以看出，空气滤纸原纸的撕裂指数随丝光浆用量的增加呈先增大后减少的趋势，而耐折度呈持续降低的趋势。

由于丝光化处理后的纤维表面变得光滑、圆润[5]，且纤维整体弯曲程度变大，导致成形后的空气滤纸原纸更疏松且含有更多的孔隙，从而空气滤纸原纸的透气度提高。另外，由于丝光化处理使纤维中的半纤维素大量脱除，所以丝光浆的打浆能力差；且与未经丝光化处理的纸浆相比，丝光浆具有抗张强度小、撕裂强度较大和零距抗张较大等特点[11-15]，所以空气滤纸原纸的撕裂指数会先增大，但丝光化处理后的纤维表面暴露出来的羟基被脱除，导致其在干燥过程中与其他纤维形成的氢键结合力更弱，降低了纤维间的键合强度，因此空气滤纸原纸的撕裂指数会随着丝光浆用量的不断增加而降低。

图5 丝光浆用量对空气滤纸原纸抗张指数和耐破指度的影响

图6 丝光浆用量对空气滤纸原纸撕裂指数和耐折度的影响

虽然随着丝光浆用量的不断增加，空气滤纸原纸的物理性能都呈降低的趋势，但在丝光浆的配比为50%时，撕裂指数仍然高于只有针叶木浆抄造的原纸的水平，可见，丝光浆的加入能够提高纸张的撕裂指数，可归因于丝光化处理后的纤维本身的撕裂强度较大，但其他物理强度明显降低。以空气滤纸原纸的透气度为主要参考对象，丝光浆的配比可选为50%。

2.4 针叶木浆打浆度对空气滤纸原纸性能的影响

为了保证空气滤纸原纸具有较高的透气度的同时，又具有一定的强度，所以对针叶木浆进行打浆，通过改变针叶木浆的打浆度来探讨其对空气滤纸原纸强度的影响。将针叶木浆分别打浆0、10、20、30、40、50 min，其打浆度分别为14、16、22、30、34、38°SR，与丝光浆(打浆度16°SR)配抄定量为110 g/m2左右的空气滤纸原纸，保持丝光浆的配比为50%，压榨5 min后，用真空干燥器干燥，然后按照标准方法进行纸张物理性能检测。

图7～图9是针叶木浆打浆度对空气滤纸原纸性能的影响。从图7可以看出，随着针叶木浆打浆度的提高，空气滤纸原纸的松厚度和透气度都呈下降的趋势。从图8可以看出，空气滤纸原纸的抗张指数和耐破指数随针叶木浆打浆度的增大而增大，尤其是打浆度从14°SR增大至16°SR，空气滤纸原纸的强度有明显的提高，打浆度达到30°SR以后，抗张指数和耐破指数增加的趋势较平缓。从图9可以看出，打浆度从14°SR增大至16°SR，撕裂指数和耐折度都有明显的提高，随后撕裂指数趋于平衡，而耐折度一直呈直线增大的趋势。

图7 针叶木浆打浆度对空气滤纸原纸松厚度和透气度的影响

图8 针叶木浆打浆度对空气滤纸原纸抗张指数和耐破指数的影响

图9 针叶木浆打浆度对空气滤纸原纸撕裂指数和耐折度的影响

随着针叶木浆打浆度的增大，纤维润胀和细纤维化程度增加，纤维的比表面积增大，游离出更多的羟基，促进纤维间的氢键结合，使纤维间的结合力不断上升，同时纤维间的孔径和孔隙率等也随之下降[16-17]。考虑到空气滤纸的过滤能力、过滤效果以及滤芯加工的简易性，针叶木浆的打浆度不宜过高，也不宜过低，否则过滤效果和容尘量会急剧降低。综上，为了既保证空气滤纸原纸的透气度和过滤性能，又保证空气滤纸原纸有较好的机械性能，最终选择针叶木浆的打浆度为22°SR。

2.5 增强剂对空气滤纸原纸性能的影响

提高打浆程度虽能提高抗张强度，同时又会降低透气度和松厚度，不能兼得，所以为了既能提高纸张的抗张强度，又不对其他性能产生较大的影响，借助增强剂是一种理想的方式[16]。本实验采用了两种常见的商品增强剂，阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)和阳离子淀粉(CS)。这是由于阳离子型增强剂能够直接吸附在纤维表面上，增强效果明显，且不会给白水循环系统带来过多的阴离子垃圾[18]。

2.5.1 CPAM用量对空气滤纸原纸性能的影响

选择打浆度为22°SR的针叶木浆与打浆度为16°SR 的丝光浆进行配抄，其中丝光浆的配比为50%，配抄定量为110 g/m2左右的空气滤纸原纸，CPAM的用量分别为0、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%(相对于纸张绝干量)，压榨5 min后，用真空干燥器干燥，然后按照相应标准方法对纸张物理性能进行检测。

图10～图12为CPAM用量对纸张性能的影响。从图10可以看出，CPAM的加入对空气滤纸原纸的松厚度无明显的影响，对透气度有提升作用，但随着CPAM用量的继续增加，透气度无明显增大。从图11可以看出，空气滤纸原纸的抗张指数随CPAM用量的增加而增大，而耐破指数表现为先增大后减小，且在CPAM用量为0.06%时达到最大值。从图12可以看出，空气滤纸原纸的撕裂指数和耐折度随CPAM用量的增加先增大后减小，且在CPAM用量为0.06%时达到最大值。

图10 CPAM用量对空气滤纸原纸松厚度和透气度的影响

图11 CPAM用量对空气滤纸原纸抗张指数和耐破指数的影响

图12 CPAM用量对空气滤纸原纸撕裂指数和耐折度的影响

由于CPAM是阳离子型的，能够直接吸附在纤维表面上，作为中间介质，可促使纤维间形成更多的氢键，从而使纤维间结合力增大，所以随着CPAM用量的增加，空气滤纸原纸的物理性能会增大；但用量超过0.06%时，耐破指数、撕裂指数和耐折度都有所降低，这可能是由于CPAM的过量加入使纤维絮聚加快，降低了原纸的匀度，从而使物理性能有所降低。

2.5.2 CS用量对空气滤纸原纸性能的影响

将打浆度为22°SR的针叶木浆与打浆度为16°SR的丝光浆以1∶1的比例混合，抄造定量为110 g/m2左右的空气滤纸原纸，CS的用量分别为0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%(相对于纸张绝干量)，压榨5 min后，用真空干燥器干燥，然后按照标准方法进行纸张物理性能检测。

图13 CS用量对空气滤纸原纸松厚度和透气度的影响

图14 CS用量对空气滤纸原纸抗张指数和耐破指数的影响

图15 CS用量对空气滤纸原纸撕裂指数和耐折度的影响

图13～图15为CS用量对空气滤纸原纸物理性能的影响。从图13可以看出，随着CS用量的增加，空气滤纸原纸的松厚度无明显变化，而透气度持续降低，但降低程度较小。从图14可以看出，空气滤纸原纸的抗张指数和耐破指数都随CS用量的增加而增大。从图15可以看出，空气滤纸原纸的撕裂指数和耐折度都随CS用量的增加呈先增大后减小的趋势，并在用量为0.6%时达到最大值。

由于CS带有正电荷，能与带负电荷的纤维紧密结合，促使纤维间形成更多的氢键，从而提高纤维间的结合力，使空气滤纸原纸强度增大，然而随着CS用量的增加，纤维絮聚更加明显，从而影响纸张的匀度，所以空气滤纸原纸的强度性能也会有所降低。综上，CS的用量选为0.6%。

2.5.3 增强剂种类的选择

CPAM和CS都能有效地提高空气滤纸原纸的物理性能，表2为两种增强剂在优化条件下所得空气滤纸原纸的物理性能，从表2可以看出，加入CPAM的空气滤纸原纸的透气度优于加入CS的，而撕裂指数和耐折度都不及加入CS的，以透气度为首要参数，且其他性能相当，认为CPAM更有利于丝光浆配抄空气滤纸。

表2 两种增强剂在优化条件下的对比情况

表3 压榨及干燥方式对空气滤纸原纸的影响

2.6 压榨及干燥方式对空气滤纸原纸性能的影响

将针叶木浆和丝光浆混合配抄定量为110 g/m2左右的空气滤纸原纸，其中，丝光浆配比为50%，针叶木浆的打浆度为22°SR，丝光浆的打浆度为16°SR，CPAM用量为0.06%。分别以压榨5 min后用真空干燥器烘干、压榨5 min后用转鼓式纸页干燥器干燥和不经压榨直接用转鼓式干燥器干燥3种方式抄造空气滤纸原纸，然后按照标准方法进行纸张物理性能检测。

表3显示了压榨及干燥方式对空气滤纸原纸性能的影响。从表3可知，压榨+转鼓干燥的空气滤纸原纸的松厚度和透气度比压榨+真空干燥的大，但是抗张指数、耐破指数和耐折度都不及后者，其中耐破指数下降幅度高于50%，撕裂指数下降程度较小，可见转鼓式干燥有利于提高纸张松厚度和透气度，但耐破指数下降明显；未压+转鼓干燥的空气滤纸原纸的松厚度比压榨+转鼓干燥的有较大的提升，同时，抗张指数、耐破指数和耐折度下降剧烈，其中抗张指数下降幅度高达50%，撕裂指数降低相对较少，可见压榨可有效提高空气滤纸原纸的机械性能，尤其对抗张指数影响最大，对松厚度和透气度的影响次之。

综上，压榨和干燥方式对空气滤纸原纸的各项指标都有较明显的影响。综合考虑后，选择压榨5 min后用转鼓式纸页干燥器干燥的方式，所得空气滤纸原纸既有较大的透气度，又有较好的机械强度。

3 结 论

采用光学显微镜和纤维形态分析仪等方法分析了丝光化处理前后的纤维形态，并与针叶木浆配抄，探讨了丝光浆用量、针叶木浆打浆度、增强剂种类和用量、压榨及干燥方式等对空气滤纸原纸性能的影响。

3.1 在室温条件下，研究了碱液浓度和处理时间对纸浆聚合度的影响。结果表明，碱液浓度为190 g/L、处理时间为45 min时，所得丝光浆具有较高的聚合度。

3.2 在室温条件下，对针叶木纤维进行丝光化处理后，纤维表面变得更加圆润、平滑，纤维得到充分润胀，纤维的扭曲指数增大，纸浆中的细小组分有所降低，经丝光化处理后的纤维变得更加弯曲且富有弹性，能有效地提高空气滤纸原纸的透气度。

3.3 用丝光浆与针叶木浆配抄空气滤纸原纸，丝光浆的比例为50%，丝光浆和针叶木浆的打浆度分别为16°SR和22°SR，CPAM用量为0.06%，压榨5 min后，用转鼓式纸页干燥器干燥后的空气滤纸原纸性能优良。

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(责任编辑：刘振华)

The Effects of Mercerized Pulp on the Properties of Base Paper of Air Filter Paper

XIONG Huang-wei HUI Lan-feng*WANG Fa-ye

(TianjinKeyLabofPulpandPaper,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin, 300457)

Bleached softwood kraft pulp was mercerized in ambient temperature, and the effects of the concentration of alkali liquid and the processing time on the DP of the pulp were explored.And the effects of the mixing ratio of mercerized pulp and softwood pulp, the beating degree of softwood pulp, the kind and dosage of reinforcing agents and the process of pressing and drying on the properties of base paper of air filter paper were further studied.The results indicated that the DP of the mercerized pulp was optimized when the concentration of alkali liquid was 190 g/L and the mercerization time was 45 min.When the dosage of mercerized pulp was 50%, the beating degree of softwood pulp was 22°SR, the CPAM doage was 0.06%, the permeability of the resultant base paper was higher than 100 μm/(Pa·s) and much higher than the industry standard, meanwhile its mechanical properties were well meet the requirements of industry.

softwood pulp; mercerization; degree of polymerization(DP); air filter paper

熊皇伟先生，在读硕士研究生；主要研究方向：加工纸与特种纸。

2015-07-04(修改稿)

TS761.2

A

10.11980/j.issn.0254-508X.2015.11.003

*通信作者：惠岚峰先生，E-mail：huipeak@163.com。