影响湿纸幅强度主要因素的研究进展

卢宗红 安兴业 刘洪斌

(天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457)

1 湿纸幅强度在纸张成形过程中的重要性

通常将湿纸幅干度在10%～60%时的强度称为湿纸幅强度［1］。其中影响湿纸幅强度的主要因素为湿纸幅干度、纤维间的缠结、摩擦和纤维间的结合。出伏辊时湿纸幅的干度和纸张抄造过程中纤维的交织情况是影响湿纸幅强度的主要因素，纤维纵横交织越好，纸张越均匀，干度越大，湿纸幅强度也越高;纤维之间摩擦力也是影响湿纸幅强度的因素，纤维越长，长宽比越大，柔曲性越大，纤维之间的接触面积就越多，摩擦力也越大，湿纸幅强度也越大［2］。

湿纸幅强度是纸张的一个重要特性，湿纸幅强度会影响纸机的运行效率以及湿端断纸的次数［3］。图1所示为压榨部到干燥部湿纸幅转移过程。湿纸幅在压榨部 (图1中A处)转移至干燥部 (图1中B处)的过程中湿纸幅强度仅为纸张强度的10%～15%，湿纸幅强度是纸张在辊与辊之间成功转移的重要保证［4］。目前，造纸行业普遍的趋势是纸张的轻量化(降低定量)和纸机速度的提高［5］。例如包装纸需在纸机1900 m/min的速度下将定量从110～130 g/m2降低到70～90 g/m2，此时湿纸幅强度显得尤为重要［1］。因此，湿纸幅强度是实际生产过程的重要参数，湿纸幅强度决定纸机生产效率的高低［6］。此外，纸张成形过程和压榨过程中湿纸幅强度的变化决定纸张的最终强度，即湿纸幅强度对纸张的强度也有直接影响［7］。

图1 压榨部到干燥部湿纸幅转移过程示意图［4］

2 湿纸幅强度形成的基本原理

纸张成形过程需考虑不同因素相互作用形成的不同阶段。第一阶段为成形部，第二阶段为压榨部，第三阶段为干燥部。图2所示为成纸过程中湿纸幅强度的形成过程。从图2中可以看出，在不同阶段获得湿纸幅强度的原因不同，但影响湿纸幅强度的因素又是相互重叠交叉的［1］。纸张干度是影响湿纸幅强度的最主要因素，湿纸幅强度随纸张干度的增加而增加［8］。湿纸幅强度上升的速率在成形部最快，干燥部次之，压榨部最慢。在这些过程中，纤维间的摩擦力和结合力是除干度外影响湿纸幅强度的重要因素。

图2 成纸过程中湿纸幅强度的形成过程［1-4］

图4 几种纤维及不同PCC用量的纸张抗张力随干度的变化［11］

图3 纤维与平板之间形成的不同夹角的液体桥［11］

2.1 纤维间的表面张力和摩擦力

传统理论认为湿纸幅中使纤维结合在一起的力是纤维间形成的表面张力［9］。Campbell［10］首次提出湿纸幅中纤维与纤维之间存在的游离水与纤维形成液体桥。如图3所示，液体桥与纤维交叉的液面曲率是纤维间存在吸引力的主要原因［11］。Campbell还提出表面张力的大小与纤维尺寸无关，而与纤维的柔韧性密切相关。Herbert［7］通过实验证明纤维之间的机械缠结摩擦对湿纸幅强度有明显影响。

传统理论不能很好地解释湿纸幅中游离水完全脱离时湿纸幅强度产生的原因［11］。Tejado等人［11］的研究表明，影响湿纸幅强度的主要原因为纤维之间的缠结摩擦，而纤维之间的表面张力几乎不起作用。Tejado做了两组实验，实验结果如图4所示，玻璃纤维短且缺乏弹性，故纸张强度的降低应归因为纤维之间没有形成有效的缠结 (见图4(a));添加不同用量PCC抄造的湿纸幅干度从45%提高到80%，在这个过程中湿纸幅强度并没有发生明显的变化，这归因于表面张力并不是湿纸幅强度产生的主要原因 ((图4(b))。因为PCC表面粗糙，使表面张力变小，若表面张力是产生湿纸幅强度的主要原因，则添加不同用量PCC抄造的湿纸幅强度应有明显变化。

纤维间的摩擦力在纸张成形过程中的各个阶段都起到重要作用，同时也是纤维形成三维网状结构的决定性因素［12］。

2.2 纤维间的结合力

在脱水过程中，如果固体颗粒之间的距离足够小，纤维之间可能会产生静电力和范德华力，进一步脱水就会产生氢键［13］。

通过压榨和干燥去除水分子后纤维之间的距离变小。当纤维中游离水去除后，纤维内部的结合水开始脱除，该过程纤维相邻的羟基之间形成水桥 (见图5(a)和图5(b))，水分子进一步脱除，水桥逐渐变成氢键 (见图5(c))［14］。纸张的干度小于40%时，纤维之间氢键结合不明显;纸张的干度大于40%时，纤维间的距离变近，纤维间的氢键结合明显增多。

图5 纸张中纤维之间形成氢键的过程

3 湿纸幅强度的表征

Page［15］提出湿纸幅强度与纤维平均长度成正比，与纤维平均粗糙度的平方成反比。Shallhorn［16］对Page的理论进行了补充，提出溶剂水的表面张力也是影响湿纸幅强度的重要因素。同时提出了湿纸幅强度的计算见公式 (1)。

式中，TIWWS为湿纸幅强度;η为两根湿纤维之间的摩擦系数;γ为水的表面张力;L为纤维长度;W为含水量在20%～60%的纤维宽度;RBAdry为相对键合面积 (纤维总面积和与水接触的纤维面积之比);C为纤维粗度;t为纤维横截面短轴的直径。

在实际生产过程中短纤维以及细小纤维对湿纸幅强度有着很大影响，但公式 (1)并没有考虑这些因素。

3.1 湿纸幅抗张强度

早在1954年，Brecht等人［17］使用拉伸装置通过测量湿纸幅断裂的不同时间来表示湿纸幅强度大小。2008年德国发表了DIN54514 2008《根据抗张强度来定义纸和纸板的湿纸幅强度》的标准管理措施，该方法适用于对湿纸幅的整体测量。此方法中测定每个样品的干度对能否正确测量湿纸幅的受力大小至关重要［8］。

抗张强度指在规定条件下一定宽度的纸和纸板所能承受的最大张力［18］，是一项很重要的纸张物理性能指标。湿纸幅抗张强度就是在纸张未完全干燥的情况下测得的抗张强度。纤维自身强度性质、纤维间结合强度、纤维排列分布均对纸张抗张强度有一定的影响。

Rantanen等人［19］首次提出纸张抗张强度的理论假设，认为纤维或黏结剂的局部断裂会加快纸张破裂的速度，并且认为纤维间的结合力是影响纸张抗张强度的主要因素。Karenlampi［20］提出纤维匀度对纸张的抗张强度也有影响。Page等人［21］进一步完善纸张的抗张强度理论，提出纤维长度也是影响纸张抗张强度的因素。图6为纸张断裂时单根纤维的断裂情况。由图6可知，在纸张破裂时，较长的纤维被拉出时所做的功比短纤维大，故在一定范围内纤维长度与纸张抗张强度成正比;但纤维长度超过一定范围后，较长纤维不会被拉出而会直接断裂，导致纸张抗张强度下降［22］。

图6 纸张断裂时单根纤维的断裂情况［22］

3.2 湿纸幅裂断长

裂断长是衡量纸张强度的一项指标，是用测定的抗张强度 (或拉张力)和恒温恒湿后的试样定量计算出来的，主要受纤维间结合力和纤维平均长度的影响，同时与纤维的交织排列和纤维自身的强度等也有关。湿纸幅裂断长就是在纸张未完全干燥的情况下测得的裂断长，其计算如公式 (2)所示。

3.3 湿纸幅伸长率

纸在受张力拉伸时，将顺着力的方向伸长，当拉力增加到使纸条被拉断时，伸长就到了极限。纸或纸板受张力至断裂时的伸长度与原长度之比称为纸张的伸长率。湿纸幅伸长率就是在纸张未完全干燥的情况

式中，St为湿纸幅抗张力;W为剥离功;m为单位面积纸张质量;v为纸机速度;φ为剥离角;ε为湿纸幅伸长率。

研究表明，湿纸幅的伸长率影响湿纸幅在承受纵向张力时重新分配应力的能力，对湿纸幅强度有一定的影响［24］。同时，湿纸幅伸长率是影响纸幅断头的重要因素。

4 提高湿纸幅强度的技术和方法

影响湿纸幅强度的首要因素是纸张的干燥程度，干燥程度对湿纸幅强度的影响并不是线性的，而是在一定范围内呈指数变化［1］。Dunnlop-Jone认为湿纸幅为了保留它部分初始强度，一般有以下几种方法:①加强和保护已有的纤维间结合;②形成对水不敏感的结合键;③增强与纤维混合形成的网络结构［25］。

湿纸幅强度可以通过提高长纤维的占比、提高打浆度，添加化学助剂、填料、微纤化纤维素 (MFC)等方式来提高。

4.1 浆料种类对湿纸幅强度的影响

不同纤维的柔韧性、可变形性、粗糙度、长度和摩擦性等性能是不尽相同的，而纤维的长度、粗度以及它们的卷曲和扭结等指标是评估湿纸幅强度的重要指标［26］。较细及较薄壁的纤维能增加纤维的结合面积，从而增加纤维之间的相互结合。

杨扬等人［27］对不同纸浆的纤维形态以及湿纸幅强度进行了研究，结果见表1。结果表明，不同湿纸幅强度受纤维平均长度、卷曲指数和细小纤维含量影响。一般情况下认为，湿纸幅强度与纤维长度成正比。长纤维在纸张脱水过程中容易形成缠结，增加纤维间的摩擦，从而形成更多的氢键结合，因此湿纸幅强度增加。

4.2 打浆对湿纸幅强度的影响

打浆可以改变纤维长度、纤维大小、细小纤维的数量以及粗糙度，增加纤维的弹性，对纤维网络体的形成、纤维间的结合强度以及成纸纤维特性等具有一系列重要影响［28］。

Agoda-Tandjawa等人［29］研究了机械打浆对纤维悬浮液性能的影响，天然纤维素呈束状或簇状 (见图7(a));经机械打浆后纤维被剥离，逐渐分丝帚化，暴露出了更多的细小纤维 (见图7(b))。经机械打浆后的纤维在纤维悬浮液中分布得更均匀，易形成网络结构。

表1 针叶木和阔叶木不同的纤维形态对湿纸幅抗张强度的影响［27］

图7 机械打浆对纤维形态的影响［29］

苏求凤等人［30］以亚硫酸盐苇浆为原料进行实验，探究打浆对湿纸幅抗张强度的影响，实验结果如图8所示。从图8中可以看出，打浆能耗与苇浆的湿纸幅抗张指数、湿纸幅抗张能量吸收指数、湿纸幅伸长率等成正比关系，即湿纸幅抗张强度随打浆能耗的增加而增加。

图8 打浆能耗与湿纸幅抗张强度的关系［30］

Belle等人［8］对浆料进行不同程度的打浆，不同打浆度纤维SEM图如图9所示，由图9可明显观察到较高的打浆度会导致湿纸幅中纤维与纤维之间的缠结现象明显增加。随着打浆度的不断提高，纤维比表面积不断增加，同时又由于纤维交织作用的增强，所以湿纸幅强度有所提高。

Lindqvist等人［31］研究表明细小纤维可以提高纤维间的结合强度;与含有细小纤维的纸浆相比，不含下测得的伸长率。

在1958年Mardon就详细描述了剥离功与湿纸幅抗张力之间的关系，并提出了剥离方程［23］。后来Ostevberg考虑到揭纸时湿纸幅的应变，将Mardon剥离方程修正为公式 (3)。细小纤维纸浆的湿纸幅强度下降，研究结果见图10。由图10可以看出，在打浆度70°SR时去除细小纤维后，纸张的湿纸幅强度仍然比打浆度为20°SR的纸张湿纸幅强度大，这表明随打浆度的提高纤维发生了变化，如纤维内部分丝帚化，具有更高的弹性，增加了纤维之间的摩擦力和结合力。实验结果表明，细小纤维含量在30%左右对湿纸幅强度的增强效果最好。

图9 不同打浆度纤维的SEM图

图10 细小纤维含量对湿纸幅抗张强度的影响

4.3 添加剂对湿纸幅强度的影响

4.3.1 聚合物助剂

为了保证纸机的正常运行，减少断纸次数，在纸张抄造过程中需添加适量的聚合物助剂［32］。由于纤维素含有许多羟基，所以作为聚合物助剂也要求能与之发生反应，从而在纸张干燥过程中逐渐形成交联的纤维网络［33］。交联的纤维网络能够减少羟基与水分子的相互作用，从而提高纸张湿纸幅强度和尺寸的稳定性。因此，聚合物助剂的加入能够提高纸张湿纸幅强度［34］。

Hamzeh等人［34］对低聚合度壳聚糖(ChⅠ)、高聚合度壳聚糖 (ChⅡ)、阳离子淀粉 (CS)及聚乙烯醇 (PVA)进行了研究，结果表明，不同的聚合物助剂对纸张湿纸幅强度的增强效果不同，见图11。如图11所示，当湿纸幅干度相同、ChⅠ和ChⅡ用量相同的情况下，湿纸幅强度有所不同;聚合物的用量对湿纸幅强度有很大影响，在一定范围内湿纸幅强度与聚合物用量成正比，超过临界点后湿纸幅强度与聚合物用量成反比;聚合物的添加顺序对湿纸幅强度也是有影响的，其中PVA-ChⅠ-CS的组合形式是最优的。因此，在实际的应用过程中需要根据实际情况来选择聚合物助剂的种类、用量以及添加顺序。

4.3.2 微纤化纤维素 (MFC)

Kajanto等人［35］研究了MFC对湿纸幅强度的增强作用，如图12所示。将不同种类MFC加入纸浆抄造成纸，MFC能明显增强湿纸幅强度，MFC1比MFC2的增强作用大。Kajanto等人提出MFC即使是在低用量下对湿纸幅强度和纸张强度的影响也十分明显，但随着MFC用量的增加纸张在湿压榨过程中的滤水性能会降低。

图11 聚合物助剂对湿纸幅抗张强度的影响［34］

Gonzalez等人［36］对不同含量的MFC所抄造的纸张进行实验，随MFC含量的增加，湿纸幅的裂断长增大。Gonzalez等人认为纤维与MFC之间的结构十分相似，纤维与MFC网络之间具有很强的亲和力。Gonzalez提出了MFC增强湿纸幅强度的可能机理，如图13所示。MFC作为黏附剂，能够促进纤维与纤维之间的结合;MFC还可以产生不同的网络嵌入在较大的纤维中，有利于提高湿纸幅强度。同时，MFC对增强纸张的最终强度也有促进作用。

图12 不同种类MFC对湿纸幅抗张强度的影响［35］

图13 MFC增强湿纸幅强度的机理图［36］

Su等人［37］对比了MFC与高打浆度浆料对湿纸幅强度的影响，结果表明高打浆度浆料抄造的纸张能将纸张的抗张指数从 (11±1)N·m/g提高到 (63±6)N·m/g，但是对湿纸幅强度没有大幅度的提高;而添加MFC抄造的纸张，当MFC比上升到50%以上时湿纸幅强度增加幅度较大。MFC不但影响湿纸幅强度，而且影响纸张的应力应变行为。由图14可以看出，添加75%MFC的纸浆抄造成的湿纸幅的断裂应变明显高于高打浆度浆料抄造成的纸张。

图14 MFC与高打浆度浆料对纸张机械性能的影响［37］

Su等人［38］对不同尺寸的MFC对湿纸幅的增强效果进行了研究，如图15所示。结果表明，尺寸较长MFC更容易与纤维形成物理缠结，从而增强湿纸幅强度;尺寸较短的MFC则能够阻止纤维之间产生相对滑动，增加纤维与纤维之间的摩擦，从而增强湿纸幅强度。

图15 MFC长度对湿纸幅强度的影响［38］

4.4 填料对湿纸幅强度的影响

随着近些年纸浆价格的居高不下，制造商通过添加填料的方式降低生产成本［39］。填料不但会影响成纸的光学性质和机械性质，而且也会对造纸湿端产生较大影响［40］。

Lindstrom等人［41］研究表明 (见图16)，轻质碳酸钙 (PCC)吸附在纤维表面可增加相邻纤维之间的摩擦力，从而增强湿纸幅的强度。较小的PCC颗粒比较大颗粒的增强效果好;同时填料填充到纤维形成的孔隙还可抵抗湿压过程中的压力，并保持其体积。

图16 添加PCC增强湿纸幅强度的机理［7］

PCC用量应控制在一定范围内，因PCC没有黏结能力，若用量过多会阻碍纤维间的结合［38］。Hua等人［39］研究了高用量的填料对湿纸幅强度的影响，实验结果表明 (见图17)，加入高用量的PCC填料会大大降低湿纸幅强度;从图17可以看出，在同一干度下，随着PCC用量的增加，湿纸幅的裂断长逐渐减小，含有大量填料的湿纸幅在传递过程中易出现断纸现象。因此，在抄纸过程中PCC用量应控制在一定的范围内，少量的填料能增强湿纸幅强度，而过量的填料则会降低湿纸幅强度。

图17 不同用量的PCC对湿纸幅裂断长及湿纸幅抗张能量吸收指数的影响［39］

5 结 语

湿纸幅强度是评价纸张质量的重要指标，是纸张能在纸机上成形且保持纸机良好运转的关键问题。湿纸幅强度可通过湿纸幅抗张强度、湿纸幅裂断长和湿纸幅伸长率等指标进行表征。影响湿纸幅强度的因素很多，如浆料种类、打浆度、聚合物助剂、MFC、填料等。浆料种类不同，纤维的柔韧性、可变形性、粗糙度、长度和摩擦性均不同，这些因素均会影响纤维间的结合力;打浆度的提高会增加细小纤维的含量，随着打浆度的不断提高，使纤维比表面积不断增加，同时又由于纤维交织作用的增强，所以湿纸幅强度有所提高;聚合物助剂和微纤化纤维素 (MFC)的加入会增加纤维间的物理缠结以及纤维间的摩擦，从而能最大程度地改善和提高纸张在湿压榨过程中因湿纸幅强度不够引起的纸张断头现象;在浆料中加入适量的填料对湿纸幅强度是有益的，填料颗粒可以阻止纤维间产生相对滑动，增加纤维间的摩擦力，但是过量的填料则会影响纤维间的结合，使纸张的机械性能下降。

工业界和学术界的努力方向仍然在于更加高效地提高湿纸幅强度，从而进一步为纸张能在纸机上成形且保持纸机的良好运转提供保障。