麦草化学浆抄造轻型印刷纸的研究

张 权 彭建军 陈雪梅 陈铃华 沈臻煌

(1.中国制浆造纸研究院，北京，100102；2.制浆造纸国家工程实验室，北京，100102)

·轻型印刷纸·

麦草化学浆抄造轻型印刷纸的研究

张 权1，2彭建军1，2陈雪梅1，2陈铃华1，2沈臻煌1，2

(1.中国制浆造纸研究院，北京，100102；2.制浆造纸国家工程实验室，北京，100102)

以高孔隙率合成硅酸钙为填料，以生产轻型印刷纸常用的纸浆配比为基础，逐步提高纸浆中低白度麦草化学浆的比例，考察以100%低白度麦草化学浆加填合成硅酸钙抄造轻型印刷纸的可行性。结果表明，以高孔隙率合成硅酸钙为填料、低白度麦草化学浆配抄轻型纸时，随着麦草化学浆逐渐替代化学木浆和化机浆，填料留着率呈上升趋势，手抄片的不透明度、抗张强度和抗水性均逐渐提高，松厚度稍有下降，白度下降；以100%麦草化学浆加填合成硅酸钙采用动态纸页成形器抄造轻型印刷纸并压光至所要求的平滑度时，与常规浆料配比加填PCC在相同条件下抄造的轻型纸相比，松厚度从1.74 cm3/g提高到1.88 cm3/g，抗张指数从34.2 N·m/g提高到44.5 N·m/g，吸水值从47.0 g/m2降低到35.9 g/m2，不透明度基本保持不变，高达92.6%，白度从80.3%降低到71.7%，符合轻型印刷纸的白度要求。综合来看，麦草化学浆加填合成硅酸钙抄造轻型印刷纸，成纸质量较好。

低白度麦草化学浆；轻型印刷纸；合成硅酸钙

(*E-mail: zhangquan0108@126.com)

轻型印刷纸是一种高松厚度的文化用纸，定量60 g/m2轻型纸的厚度与80 g/m2胶版印刷纸的厚度相差无几，因此可以替代胶版印刷纸或其他印刷纸，从而降低生产成本和物流费用[1]。轻型印刷纸采用原色调，在阅读时不刺眼，不容易引起疲劳，对保护视力有一定的作用；轻型印刷纸用于图书和刊物的印刷，纸面挺括、手感柔和，书刊的外表感观、阅读、使用、保存均达到理想的效果[2]。轻型印刷纸一般以机械木浆为原料抄造，而现阶段我国国内的木材纤维原料还相对短缺。2015年我国木浆产量966万t，进口木浆约1575万t，木浆自给率仅约35%[3]。这对我国造纸工业的可持续发展是一个严重制约，因此，拓宽轻型印刷纸的纤维原料来源十分必要。

我国麦草资源丰富，2015年麦草浆产量约300万t，占原生浆的比例达18%[3]，麦草浆短期内仍将是我国造纸纤维原料的重要组成部分。麦草化学浆一般用于生产胶版印刷纸等文化用纸，也有部分企业用于生产卫生纸，但这些纸种对麦草浆的成浆白度要求较高。轻型印刷纸对白度的要求较低(白度可低至68%[4])，使用低白度纸浆抄造即可满足白度要求。降低麦草化学浆成浆白度抄造轻型印刷纸，可以显著降低漂白化学品用量、减少污染物产生量和废水排放量。

但是，麦草化学浆抄造轻型印刷时纸张的紧度较大，会降低轻型印刷纸的松厚度。有研究表明[5- 6]，合成硅酸钙呈疏松多孔结构，在纸张定量和灰分相近时，使用合成硅酸钙作为填料加填，在改善纸张的松厚度方面具有十分突出的优势。本研究探讨了以100%低白度麦草化学浆为纤维原料、合成硅酸钙为填料抄造轻型印刷纸的可行性。

1 实 验

1.1 实验原料

麦草化学浆(取自国内某企业，打浆度43°SR)，漂白硫酸盐针叶木浆(好升牌，打浆度42°SR)，针叶木化机浆(昆河牌BCTMP，打浆度42°SR)，阔叶木化机浆(国产杨木BCTMP，打浆度41°SR)，合成硅酸钙(实验室合成)，轻质碳酸钙(取自国内某企业)，其他化工助剂(取自国内造纸企业)。

1.2 主要实验仪器

高速分散机，中国制浆造纸研究院自制；2000MU型激光粒度仪，英国马尔文公司；NOVA 2000e型比表面积及孔隙度分析仪，美国康塔仪器公司； S-3400N型扫描电子显微镜，日本日立公司；Rapid-K öthen型纸页成形器，奥地利PTI公司；DCP-HDY04型纸张厚度仪，四川长江造纸仪器有限公司；DCP-KZ1000型纸张拉力仪，四川长江造纸仪器有限公司；P95933型Cobb吸水性测定仪，奥地利PTI公司。

表2 合成硅酸钙和PCC性能

1.3 实验方法

(1)填料白度、吸油值、沉降体积按照GB/T 19281—2003《碳酸钙分析方法》测定。

(2)填料粒径和粒径分布：高速分散后用Mastersizer 2000型激光粒度仪测定。

(3)堆积密度：用处于自然堆积状态下未经振实的颗粒物料质量与堆积物料的总体积之比表示。

(4)比表面积：按照BET法，采用NOVA 2000e比表面积及孔隙度分析仪测定。

(5)粒子形态：用S-3400N扫描电子显微镜分析。

(6)手抄片和纸张抄造。配浆顺序：纸浆→CS→AKD→填料→CPAM；分别在凯塞纸页成形器和动态纸页成形器上抄造手抄片和纸张，定量60 g/m2。

(7)助剂：阳离子淀粉(CS)用量1.0%、AKD用量0.2%，阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)用量0.03%，以上用量均相对绝干纤维质量，为确保能与纸浆充分反应，辅料添加的间隔时间为5 min。

(8)纸张物理性能：按照相应国家标准测定。

2 结果与讨论

2.1 纸浆和合成硅酸钙性能分析

纸浆种类和配比对成纸松厚度、抗张强度等性能具有直接影响，轻型印刷纸纤维原料一般以化机浆为主，具有较高的松厚度。本实验对比了针叶木化学浆、针叶木化机浆、阔叶木化机浆和麦草化学浆手抄片性能，结果如表1所示。

表1 不同浆种浆张性能

从表1可以看出，麦草化学浆手抄片的松厚度最小，抗张强度比化机浆手抄片的高；化机浆手抄片的松厚度均较高。由于麦草化学浆手抄片的松厚度较低，以轻型纸常用填料PCC加填抄造轻型印刷纸存在松厚度低的问题，进而影响纸张挺度、不透明度等性能。合成硅酸钙是一种高孔隙率填料，有利于提高加填纸张的松厚度、挺度和不透明度。合成硅酸钙和PCC性能及加填手抄片性能如表2和表3所示。

图1 合成硅酸钙的SEM照片

从表2可以看出，与PCC相比，合成硅酸钙粒径较粗，有利于填料在抄纸过程中的机械截留；合成硅酸钙的堆积密度较小、沉降体积较大，预示填料在水相分散体系和浆料中具有良好的悬浮性，有利于填料在纸张中的均匀分布和填料留着率的提高；合成硅酸钙具有较大的比表面积和吸油值，有利于提高纸张的油墨吸收性，改善印刷效果。从图1可以看出，合成硅酸钙呈疏松多孔结构，预期可改善加填纸张的松厚度和适印性。

表3 合成硅酸钙和PCC加填手抄片的性能

注 纸浆配比：针叶木化学浆∶针叶木化机浆∶阔叶木化机浆=20∶50∶30；PCC加填量为30%，合成硅酸钙加填量为25%。

从表3可知，在定量和灰分含量相近条件下，合成硅酸钙加填手抄片的松厚度和抗张强度均明显高于PCC加填手抄片，松厚度高19%左右，抗张强度高18%左右。

从表1和表3可知，麦草化学浆成纸松厚度较低，与PCC加填相比合成硅酸钙加填对成纸松厚度和抗张强度均具有十分积极的作用，一方面可以降低麦草化学浆取代针叶木化学浆后的强度损失，另一方面可以减少麦草化学浆取代化机浆后的松厚度损失，使采用麦草化学浆替代木浆抄造轻型印刷纸具有了可能性。

2.2 麦草化学浆配抄对轻型印刷纸性能的影响

以高孔隙率合成硅酸钙为填料，以轻型印刷纸常用纸浆配比为基础，逐步提高纸浆中麦草化学浆的比例，考察麦草化学浆和合成硅酸钙对手抄片性能的影响，结果如表4所示。

表4 麦草化学浆配抄手抄片的性能

注 填料为合成硅酸钙，加填量为30%。

图2 麦草化学浆配抄对轻型印刷纸松厚度的影响

从图2可以看出，随着麦草化学浆逐渐取代化学木浆和化机浆，手抄片的松厚度稍有下降，主要是由于化机浆本身的松厚度很高，合成硅酸钙对成纸松厚度的贡献不足以弥补麦草化学浆取代化机浆后的松厚度损失。

对于常规填料(如GCC和PCC)来说，填料对纸张松厚度的影响是负面的。因为填料的密度比纤维的高，所以增加填料用量会降低纸张的松厚度[7]。从表4和图2可知，随着纸浆中麦草化学浆比例的逐渐提高，手抄片松厚度虽呈下降趋势，但是，100%麦草化学浆抄造手抄片的松厚度仍然高达2.5 cm3/g以上；同时，从表3和表4可知，在纸浆配比相同的情况下，合成硅酸钙加填量高的手抄片的松厚度更高，灰分从14.3%提高到19.3%，松厚度从2.54 cm3/g提高到2.69 cm3/g；说明合成硅酸钙加填可提高手抄片的松厚度，这主要是因为合成硅酸钙呈疏松多孔结构(见图1)，同时其粒径较大，有助于减缓手抄片在干燥过程中的收缩变形，有利于手抄片松厚度的保持。

图3 麦草化学浆配抄对轻型印刷纸白度和不透明度的影响

从表4和图3可知，随着纸浆中麦草化学浆比例的提高，手抄片白度逐渐降低，主要是因为麦草化学浆和合成硅酸钙本身的白度较低所致；随着麦草化学浆比例的提高，手抄片不透明度先呈上升趋势，后趋于平缓，这与纸浆本身的不透明度相关，麦草化学浆的不透明度与化机浆的差不多但高于针叶木化学浆的(见表1)，同时，灰分的提高对手抄片不透明度的上升也具有一定的贡献。

从图4可知，随着纸浆中麦草化学浆比例的提高，手抄片抗张强度先下降后上升，这是因为麦草化学浆抗张强度低于针叶木化学浆而高于化机浆，麦草化学浆取代针叶木化学浆后的手抄片抗张强度有所下降，麦草化学浆取代化机浆后的手抄片的抗张强度呈上升趋势；100%麦草化学浆抄造手抄片灰分较高的情况下，其抗张强度还要高于低灰分的常规纸浆配比抄造的手抄片，抗张强度从28.4 N·m/g提高到32.1 N·m/g，与化机浆相比，麦草化学浆具有较好的强度优势。

图5 麦草化学浆配抄对轻型印刷纸灰分的影响

从图5可知，随着纸浆中麦草化学浆比例的提高，手抄片灰分增加，表明合成硅酸钙的留着率逐渐提高。填料留着是机械截留和胶体吸附的综合效果，填料粒径较大时，机械截留对填料的留着占主导作用[8]。麦草纤维沉降速度较化机浆纤维的快，而硅酸钙密度较小，在抄造过程中沉降较慢，成形过程中麦草浆优先形成纤维滤饼，增强了纤维对填料的机械截留作用，从而提高了合成硅酸钙的留着率。

2.3 动态纸页成形器抄造纸张性能

动态纸页成形器可以模拟造纸机生产条件，可抄造出与纸机生产纸张物理性能相似的纸张，通过动态纸页成形器抄纸实验进一步验证麦草化学浆抄造轻型印刷纸的可行性。动态纸页成形器抄造纸张的性能如表5所示。

表5 动态纸页成形器抄造的轻型印刷纸经压光后的性能

注 填料为合成硅酸钙，加填量为30%。

从表5可知，在压光后纸张平滑度相近的条件下，与常规木浆配比加填PCC纸张相比，100%麦草化学浆加填合成硅酸钙抄造纸张的松厚度从1.74 cm3/g提高到1.88 cm3/g，抗张指数从34.2 N·m/g提高到44.5 N·m/g，吸水值从47.0 g/m2降低到35.9 g/m2，不透明度基本保持一致，高达92.6%，白度从80.3%降低到71.7%，但依然符合轻型印刷纸的白度要求。以100%麦草化学浆为原料、合成硅酸钙为填料抄造的轻型印刷纸的松厚度、抗张强度和抗水性均好于常规浆料配比(以混合木浆和PCC为主要原料)抄造的轻型纸。

3 结 论

3.1 以合成硅酸钙为填料，低白度麦草化学浆配抄轻型印刷纸时，随着纸浆中麦草化学浆比例的提高，填料留着率呈上升趋势，手抄片的不透明度、抗张强度和抗水性均逐渐提高，松厚度稍有下降，白度下降。

3.2 100%低白度麦草化学浆加填合成硅酸钙采用动态纸页成形器抄纸，填料的留着率较高，成纸质量好于常规浆料配比(以混合木浆和PCC为主要原料)抄造的轻型纸，松厚度从1.74 cm3/g提高到1.88 cm3/g，抗张指数从34.2 N·m/g提高到44.5 N·m/g，吸水值从47.0 g/m2降低到35.9 g/m2，不透明度基本保持一致，高达92.6%，白度从80.3%降低到71.7%，但依然符合轻型印刷纸的白度要求。

[1] YANG Dao-hua, ZHAO Chuan-shan, YU Dong-mei. Factors Affecting the Properties of Light Weight Paper[J]. Paper Chemicals, 2011, (23)4: 9. 杨道华, 赵传山, 于冬梅. 对轻型纸性能影响因素的研究[J]. 造纸化学品, 2011(23)4: 9.

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(责任编辑：郭彩云)

Manufacture of Low Density Printing Paper Using Wheat Straw Chemical Pulp

ZHANG Quan1,2,*PENG Jian-jun1,2CHEN Xue-mei1,2CHEN Ling-hua1,2SHEN Zhen-huang1,2

(1.ChinaNationalPulpandPaperResearchInstitute,Beijing, 100102;2.NationalEngineeringLabforPulpandPaper,Beijing, 100102)

Manufacture of low density printing paper using low brightness wheat straw chemical pulp mixed with CTMP as fiber saw material and synthetic calcium silicate as fiber was studied. The results showed that, with the proportion of wheat straw chemical pulp increasing gradually, the retention rate of filler, the opacity, tensile strength and water resistance of the handsheet showed an increasing tendency, the bulk and brightness of handsheet decreased. Under similar smoothness condition compared with conventional low density printing paper made of mixed wood pulp and PCC, the low density printing paper made of low brightness wheat straw chemical pulp and synthetic calcium silicate and prepared by using dynamic sheet former had better quality, the bulk increased from 1.74 cm3/g to 1.88 cm3/g, the tensile strength increased from 34.2 N·m/g to 44.5 N·m/g, the Cobb60decreased from 47.0 g/m2to 35.9 g/m2, the opacity kept stable, and the brightness decreased from 80.3% to 71.7%．

low brightness wheat straw chemical pulp； low density printing paper； synthetic calcium silicate

张 权先生，高级工程师；主要研究方向：新型填料开发及应用，纸张低定量化的研发。

2017- 04- 24(修改稿)

TS721+.3;TS761.1

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.08.006