提高白色废纸浆抄造的纸张留着率和强度

白账簿纸通常是由白色废纸浆抄造而成的，通常用以代替双层纸板顶层的漂白硫酸盐浆（BKP）。然而，由白色废纸浆抄造成的纸张比原始纸浆抄造成的纸张强度差。因此当双层纸板的顶层中白账簿纸的占比增加时，纸浆单程留着率和纸张强度的改善是非常重要的。因此，有必要选择合适的添加剂来克服白账簿纸的缺点。该项研究分析了生产双面板的工厂中使用的白账簿纸的物理性质，同时测量具有不同电荷密度和相对分子质量的阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）对纸浆单程留着率和纸张强度的影响。研究发现：作为助留剂的CPAM的电荷密度在改善白账簿纸浆的单程留着率和纸张强度方面比其相对分子质量更为重要；CPAM的电荷密度必须足够高，以能够捕获阴离子微细颗粒。

1 前言

废纸浆是纸制品中重要的原材料，近年来全球使用废纸浆的情况已有所增加。旧报纸（ONP），旧瓦楞纸箱（OCC），旧杂志纸（OMG），白账簿纸（W/L）和混合办公废纸（MOW）等废纸浆广泛用于纸板的抄造。

双层纸板或白浆衬里的粗纸板用于包装食品、药品、洗涤剂，纺织品和服装等。木粉和其他有机填料已被添加到双层纸板的中间层，以降低双层纸板的生产成本。

双层纸板由许多层制成，顶层通常由漂白硫酸盐纸浆（BKP）、白账簿纸浆和旧报纸浆组成。其他层由质量较差的再生纸浆制成。尽管BKP的比例低于双层纸板顶层中其他再生纸浆的比例，但BKP必须替换为白色废纸浆以降低生产成本。白账簿纸包括普通办公用纸，无光泽，可以印刷或不印刷；办公用纸可能包括打字纸、复印纸或白色笔记本纸。随着印刷技术的发展，白账簿纸的生产稳步增长。与其他废纸浆相比，白账簿纸的白度和强度性能较好，而且白账簿纸含有较高比例的化学浆和较少的回收材料。然而，由于造纸商为了降低生产成本在普通办公用纸中添加了高得率浆和无机填料，因此白账簿纸的质量已经有所下降。其他废纸浆的高灰分含量降低了原料产量和纸张强度。因此，有必要提高由白账簿纸制成的、并且灰分含量较高的双层纸的单程留着率和纸张强度。

本研究探索了用阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）改善白账簿纸浆的留着和强度的理想条件。分析了在工厂生产的双面板上使用白账簿纸的效果，并与来自同一工厂的再生纸浆进行了比较；接着通过分别添加具有不同电荷密度和相对分子质量的6种CPAM来测量白账簿纸浆的单程留着率；在确定单程留着率后，抄造手抄片后测量纸张的强度。

2 实验部分

2.1 实验原料

6层双面板纸浆来自韩国某纸厂。纸浆分为废纸浆和原始纸浆，二者均用于制造双面板。废纸浆包括白账簿纸浆、ONP浆和OCC浆。原始纸浆由混合BKP组成，其将针叶木BKP和阔叶木BKP以5∶5的质量比混合，漂白化学机械磨木浆（BCTMP）也包括在内。

CPAM在韩国某纸厂中用作脱水剂，CPAM则是白账簿纸浆生产线中的助留剂。然而，传统的CPAM不能很好地与顶层生产线中的白账簿纸反应。因此从韩国某公司获得6种类型的CPAM（A、B、C、D、E和F），它们的电荷密度和相对分子质量如图1所示。

图1 CPAM的相对分子质量与电荷密度的关系

2.2 实验方法

2.2.1 废纸浆以及原始纸浆的性能分析

纸浆是从浆料制备线的机箱中获得的。测量纸浆的初始浓度并用自来水稀释至质量分数1.0%。然后测量纸浆性质，包括游离度（按TAPPI T 227 om-092009测试，以下各测试项目的测试方法均在各测试项目后的小括号中表示）、灰分含量（TAPPI T 244 cm-99 1999）和细小纤维含量（TAPPI T 261 cm-10 2010）。使用纤维分析仪测量纤维平均长度。

用废纸浆和原始纸浆抄造定量为（100±4）g/m2的手抄片，然后使用实验室压榨机在压力为3.5 kgf/cm2（约34.3 Pa）的条件下湿压榨5 min，并使用圆筒式干燥机在温度120°C下进行干燥。将干燥后的手抄片在温度23°C和50%相对湿度（RH）的条件下进行处理以控制手抄片的含水量为8%。测定手抄片的物理性能，包括松厚度（TAPPI T 411 om-10 2010）、断裂长（TAPPI T 494 om-06 2006）、耐破指数（TAPPI T 403 om-10 2010）和压缩强度（TAPPI T 818 cm-07 2007）。

2.2.2 测量白账簿纸浆的单程留着率

单程留着率按照TAPPI T 261 cm-10（2010）进行测量。首先使用自来水将白账簿纸浆稀释至浆浓为质量分数0.5%，然后用蒸馏水将CPAM稀释至质量分数为0.1%。将500 mL稀释后的白账簿纸浆加入到动态滤水仪中，并以600 r/min的速度搅拌30 s，然后在相同的混合速度下加入CPAM，90 s后收集滤液，称重滤液并对其进行过滤，然后在温度105°C下干燥以达到稳定的质量。公式1用于计算单程留着率：

式中：A是原始样品的质量；W是滤液中固体（细小纤维）的质量；U是滤液的质量，T是样本中细小纤维的总质量。

2.2.3 用白账簿纸浆抄造手抄片并测试其物理性能

使用自来水稀释白账簿纸浆至浆浓为质量分数0.5%以抄造手抄片。根据TAPPI T 205 sp-06（2006），将CPAM添加到纸浆中并以600 r/min的搅拌速度混合 30 s后，抄造定量为（100±4）g/m2的手抄片。CPAM的添加量分别为绝干浆的0.03%、0.05%和0.07%。将手抄片用实验室压榨机在压力为3.5 kgf/cm2（约34.3 Pa）的条件下湿压榨5 min，并使用圆筒式干燥机在温度120°C下进行干燥，干燥后的手抄片在温度23°C和 50%相对湿度（RH）的条件下进行处理以控制手抄片的含水量为质量分数8%。测定手抄片的物理性能，包括松厚度（TAPPI T 411 om-10 2010）、断裂长（TAPPI T 494 om-06 2006）、耐破指数（TAPPI T 403 om-10 2010）、压缩强度（TAPPI T 818 cm-07 2007）以及灰分含量（TAPPI T 244 cm-99 1999）。

本实验的流程见图2。

图2 实验流程图

3 结果与讨论

3.1 废纸浆以及原始纸浆浆料性能

废纸浆和原始纸浆的纸浆性能分别如图3和图4所示。

图3 废纸浆和原始纸浆的游离度（a）与平均纤维长度（b）

图4 废纸浆和原始纸浆的灰分含量（a）和细小纤维含量（b）

由图3和图4可见，白账簿纸浆的加拿大标准游离度低于OCC和原始纸浆，高于ONP。白账簿纸浆的细小纤维含量高于原始纸浆，但低于ONP和OCC。白账簿纸浆的平均纤维长度是6种纸浆中最短的，其中灰分含量在5种纸浆中排在第2位。与BKP相比，白账簿纸浆含有更多的微细颗粒（如细小纤维和细小填料）。这表明，当双面板顶层的白账簿纸浆占比增加时，造纸商应着重关注细小纤维和细小填料的留着。

图5和图6表明了手抄片的物理性能，手抄片由废纸浆和原始纸浆抄造而成。

图5 废纸浆与原生浆抄造的手抄片的松厚度（a）和裂断长（b）

图6 废纸浆与原生浆抄造的手抄片的耐破强度（a）和压缩强度（b）

大部分的白账簿纸浆手抄片的松厚度与OCC纸浆和ONP纸浆手抄片相似，并且低于BCTMP和BKP手抄片。白账簿纸浆手抄片的强度大于ONP纸浆和OCC纸浆。然而，白账簿纸浆手抄片的强度低于BCTMP和BKP手抄片。与用原生纸浆抄造的手抄片相比，白账簿纸浆手抄片的强度较低与其平均纤维长度较短以及较高的灰分有关。另外，纤维性能的变化降低了回收过程中的纸张强度。

与BKP手抄片相比，白账簿纸浆抄造的手抄片的强度较低，因为浆料中含有填料、颜料以及短纤维。因此，有必要提高白账簿纸浆的单程留着率和纸张强度。但是，单程留着率的改善往往会导致白账簿纸中的灰分含量增加。因此，选择合适的助留剂来提高单程留着率以及纸张强度非常重要。

3.2 单程留着率的评价以及白账簿纸浆手抄片的物理性能

图7显示了添加不同类型以及不同用量的CPAM的白账簿纸浆的单程留着率。

图7 添加不同类型以及不同用量的CPAM对白账簿纸浆单程留着率的影响

不同的CPAM具有不同的相对分子质量和电荷密度，因此，使用不同的相对分子质量和电荷密度的CPAM，其改善单程留着率的程度是不一样的。大多数CPAM会导致白账簿纸浆的单程留着率增加。CPAM C的单程留着率最高，而B和F的单程留着率值则处于第2。与其他CPAM相比，A和D的单程留着率值并没有较为明显的增加。CPAM C和F的相对分子质量与CPAM A的相对分子质量相似，但它们的电荷密度高于CPAM A。而且，CPAM B在所有CPAM中具有最高的电荷密度。由于白账簿纸浆中包含许多填料和颜料，CPAM必须具有高电荷密度才能收集阴离子填料和颜料。电荷密度是CPAM改善白账簿纸浆单程留着率的重要性质。

如前所述，助留剂能够提高纸张的强度。在目前的研究发现白账簿纸的强度低于BKP。在这项研究中，选择了具有最高单程留着率的3种CPAM（B、C和F）用于进一步研究。将添加CPAM B、C和F后的白账簿纸浆抄造的手抄片进行检测以评价这些CPAM改善纸张强度的能力。灰分含量会影响纸张的强度。因此，分析了添加CPAM后灰分含量与纸张强度的关系。图8～10显示了添加CPAM后手抄片的断裂长、耐破强度和压缩强度与灰分含量的关系。

图8 添加CPAM后手抄片的断裂长与灰分含量的关系

图9 添加CPAM后手抄片的耐破强度与灰分含量的关系

图10 添加CPAM后手抄片的压缩强度与灰分含量的关系

B和F的强度相似，因为它们的灰分含量相似。C具有最低的纸张强度，尽管其灰分含量与B和F的灰分含量相似，但与CPAM B和F相比，CPAM C含有较低的电荷密度，这表明电荷密度是影响单程留着率和纸张强度的重要因素。另外CPAM的相对分子质量也很重要。CPAM B的相对分子质量低于CPAM F，在6种CPAM中，CPAM B的相对分子质量为中值。结果表明，具有最高电荷密度的CPAM也应当具有高于平均值的相对分子质量，以提高单程留着率和纸张强度。

作为助留剂的CPAM的电荷密度在改善白账簿纸浆的单程留着率和纸张强度方面比其相对分子质量更为重要；CPAM的电荷密度必须足够高，以能够捕获阴离子微细颗粒。

4 结论

（1）白账簿纸中含有细小纤维以及细小填料，与用BKP制成的纸张相比，其成纸强度较差；因此，在双面板的顶层中增加白账簿纸浆的占比时，单程留着率是非常重要的，必须增强纸张强度，因为单程留着率的增加直接与灰分含量的增加有关；另外，必须选择适当的添加剂。

（2）作为助留剂的CPAM的电荷密度在改善白账簿纸浆的单程留着率和纸张强度方面比其相对分子质量更为重要；CPAM的电荷密度必须足够高，以能够捕获阴离子微细颗粒。