聚乙烯醇纤维对纸纱原纸性能的影响

张便芝 刘 忠 惠岚峰 杨 乾 程金茹

（天津科技大学轻工科学与工程学院，天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457）

纸纱原纸（又称为纸线原纸）是以植物纤维为主要原料，经过特定条件生产成为纸张，分切成纸条，再经过染色、并捻等加工过程，制成粗细不等的纸纱用于生产纺织品[1]。根据纸纱原纸不同的使用范围以及满足后期再加工的需要，要求纸纱原纸有很好的抗张强度、柔软度、平滑度、撕裂度和耐折度等。本研究通过在麻浆中加入聚乙烯醇（PVA）纤维，选择合适的打浆度、干燥温度、聚酰胺环氧氯丙烷（PAE）添加量、两性聚丙烯酰胺（AmPAM）添加量和烷基烯酮二聚体（AKD）添加量以及压榨、压光等工艺，对手抄片进行物理性能检测，在尽量满足低能耗、绿色环保的条件下，分析抄造纸纱原纸最适宜的工艺条件，以便应用于实际生产。

1 实 验

1.1 原料及化学助剂

马尼拉麻：长度2.8 mm，宽度21.3 μm，山东龙德复合材料科技股份有限公司；PVA 纤维：长度6.0 mm，宽度1.5 μm，熔点60℃，济南驰达科贸有限公司；聚酰胺环氧氯丙烷（PAE），南通荒川化学工业有限公司；两性聚丙烯酰胺（AmPAM），电荷密度0.232 mol/L，南通荒川化学工业有限公司；烷基烯酮二聚体（AKD），索理斯上海化工有限公司。

1.2 实验仪器

标准疏解器，普利赛斯国际贸易有限公司；肖伯尔打浆度仪，L&W 公司；PFI-MILL 磨浆机，瑞典；纸页成型器，奥地利PTI 公司；湿纸页压榨机，日本熊谷理机工业株式会社；压光机，德国Sumet-Messte chnik 公司；光学显微镜，日本松下公司；扫描电子显微镜（SEM），日本电子公司；纸料Zeta 电位仪，瑞典BTG 公司；动态接触角仪，瑞典FIBRO SYSTEM.AB；纸张物理性能检测仪器。

1.3 实验方法

（1）打浆：采用PFI 磨浆机对麻浆打浆至一定打浆度。

（2）抄片：将一定量的PVA纤维加入到麻浆中进行疏解，之后加入干强剂、湿强剂、施胶剂，用纸页成型器进行抄片，然后放入压榨机中正压（0.4 MPa）5 min、反压（0.6 MPa）2 min，最后进行干燥。

（3）压光：在常温（23℃）条件下，在线压力15 N/mm下进行压光。

1.4 手抄片性能检测

（1）采用扫描电子显微镜（SEM）观察添加PVA纤维前后手抄片断面的纤维形态以及添加PAE、AKD前后的手抄片表面形态。

（2）采用光学显微镜观察麻浆打浆前后的纤维形态变化。

（3）将手抄片经过恒温恒湿处理4 h后，按照相关国家标准检测手抄片的定量、厚度、抗张强度、伸长率、平滑度、柔软度、撕裂度和耐折度等物理指标。

2 结果与讨论

2.1 干燥温度及PVA 纤维添加量对手抄片性能的影响

PVA 纤维是一种重要的功能化纤维，由于具有良好的耐热性、耐酸和耐碱性能，溶于水后无味、无毒，并且能在较短时间内分解，是一种环保型的绿色产品，因此在造纸行业中越来越受到重视。在植物纤维中加入PVA 纤维可以在一定程度上提高纸张的抗张强度、撕裂度、耐折度等性能，可以作为纸张增强剂来使用[2]。

2.1.1 干燥温度对手抄片性能的影响

为了使PVA 纤维更好地发挥黏结作用，首先要使PVA 纤维熔融。在PVA 纤维添加量为3%的条件下，探究干燥温度对手抄片性能的影响，结果如图1所示。

图1 干燥温度对手抄片抗张强度的影响Fig.1 Effect of drying temperature on the tensile strength of hand sheets

由图1 可看出，当干燥温度低于80℃时，手抄片抗张指数的增加趋势比较缓慢，当干燥温度在80～90℃之间时，抗张指数基本稳定，当干燥温度高于90℃时，抗张指数又呈现下降趋势。这是因为干燥温度较低时，PVA 纤维呈现半熔融状态，黏结作用比较弱，随着干燥温度升高，增加趋势比较缓慢；当干燥温度达到80℃时，PVA 纤维全部熔融，纤维间的结合力迅速增加，手抄片抗张指数达到最大；而当干燥温度高于90℃时，使得PVA 纤维自身强度下降，抄造的手抄片强度降低。因此，较优的干燥温度为80℃。

2.1.2 PVA纤维添加量对手抄片性能的影响

在干燥温度在80℃条件下，探究不同PVA 纤维添加量对手抄片抗张强度和柔软度（TS7 值）的影响，结果如图2所示。图3为手抄片断面的SEM图。

图2 PVA添加量对手抄片抗张强度和柔软度的影响Fig.2 Effects of PVA dosage on the softness and tensile strength of hand sheets

图3 手抄片断面的SEM图（×35）Fig.3 SEM images of the fracture of hand sheets（×35）

由图2 可以看出，随着PVA 纤维添加量的增加，手抄片抗张指数逐渐上升，当PVA 纤维添加量为2.0%时，手抄片抗张指数达到最大值，与未添加PVA 纤维的手抄片相比，抗张指数提高了11.8%，柔软度提高34.8%；继续增大PVA 纤维添加量，手抄片强度逐渐降低；当PVA 纤维添加量为5.0%时，与未添加PVA纤维手抄片相比，手抄片柔软度TS7值降低了18 个单位，柔软性越来越好。对比图3(a)和图3(b)可看出，未添加PVA 纤维的手抄片受到外力被拉断时，断口处的纤维大多被整根抽出，纤维本身还较为完整，被拉断的较少，而且断口处较为稀松，说明纤维本身的强度要大于纤维间的结合强度；PVA 纤维添加量为2.0%的手抄片在被拉断时，被拉断的纤维较多，断口处较为紧密，说明纤维之间的结合强度大于纤维自身的强度。手抄片柔软性随着PVA 纤维的加入变得越来越好是因为PVA 纤维自身的柔软性比麻浆纤维好。综合纸纱原纸性能要求，最终选择PVA添加量为2.0%。

2.2 压榨工艺对手抄片性能的影响

在麻浆中加入2.0%的PVA 纤维进行抄造，将湿纸幅放入压榨机中正压5 min，反压2 min，压榨前后手抄片的物理性能如表1所示。

表1 压榨前后手抄片的物理性能Table 1 Physical properties of hand sheets before and after pressing

表1 结果表明，压榨后纸张的强度性能明显提高，这是因为压榨可以增加纸张纤维间的接触，促进纤维间更多的氢键结合，手抄片内部纤维结合得更紧密，纤维间的结合面积增加，从而纸张的结合强度提高[3]。

2.3 压光线压力对手抄片性能的影响

纸纱原纸需要有良好的平滑度和较低的厚度，压光可以提高纸张的平滑度，降低纸张厚度，提高厚度的均一性[4]，压光线压力对手抄片抗张强度和平滑度的影响如图4所示。

由图4 可以看出，随着线压力的增加，手抄片平滑度越来越好，抗张指数逐渐降低。这是由于随着压光线压力的增加，导致纤维间结合力下降[5]，使得手抄片抗张强度降低。考虑到纸纱原纸对光滑度和抗张强度的综合要求，最终选择压光线压力15 N/mm。

图4 压光线压力对手抄片抗张强度和平滑度的影响Fig.4 Effects of line pressure on the tensile strength and smoothness of hand sheets

2.4 打浆度对手抄片性能的影响

选用PFI 磨对麻浆进行磨浆处理，观察打浆度对手抄片抗张强度的影响，并观察打浆前后麻浆纤维的变化，结果如图5～图7所示。

图5 为磨浆转数对打浆度的影响。由图5 可以看出，在磨浆转数低于15000 转时，随着磨浆转数的增加，打浆度的上升趋势比较明显，在磨浆转数高于15000 转后，磨浆转数的增加对打浆度的影响较小，打浆度上升速度变缓。图6为打浆度对手抄片抗张强度的影响。由图6可知，手抄片抗张强度随打浆度的升高而升高，打浆度低于70°SR时，打浆度对手抄片抗张强度影响较大，而打浆度高于75°SR 时，手抄片抗张强度变化很小。如图7所示，随着打浆度的上升，纤维分丝帚化现象越来越明显，打浆后的纤维由于纤维素和半纤维素的分子结构中所含的极性羟基与水分子产生极性吸引，水分子进入纤维的无定形区，使纤维素分子链之间的距离增大，引起纤维润胀，分子间的氢键结合受到破坏而游离出更多的羟基，进一步促进纤维润胀，纤维比表面积增大，有利于纤维的细纤维化，能有效增加纤维间的接触面积，提高成纸强度[4]。经过分析对比，最终选择打浆度为75°SR。

2.5 PAE添加量对手抄片性能的影响

在打浆度为75°SR 麻浆中加入2.0%的PVA 纤维，配制成浆浓为1%的悬浮液，然后在浆液中添加不同量的PAE，观察其Zeta 电位的变化；对添加PAE 前后的手抄片性能进行测试，并用SEM观察添加PAE前后手抄片的表面形态，结果如表2、表3和图8所示。

表2为PAE 添加量对浆料Zeta 电位的影响。由表2 可以看出，由于植物纤维表面本身带有负电荷，麻浆纤维和PVA 纤维混合成的整个系统呈负性，随着PAE 添加量的增加，整个系统的Zeta 电位趋于0，继续添加PAE，系统呈正电性，此时若PAE 添加过多，容易导致纤维絮聚，且PAE 自身易发生自交联反应，自交联反应对水较为敏感，且成键强度比PAE 和纤维间的键合作用弱[6]，会降低纸张强度，故最终选择PAE添加量为2.4%。

图5 磨浆转数与打浆度的关系Fig.5 Effect of refining revolutions on the beating degree

图6 打浆度对手抄片抗张强度的影响Fig.6 Effect of beating degree on the tensile strength of hand sheets

图7 打浆前后纤维的光学显微镜图（×10）Fig.7 Microscopic view of fiber changes before and after beating（×10）

图8 PAE添加前后手抄片表面的SEM图（×800）Fig.8 SEM images of the surface of hand sheets before and after adding PAE（×800）

表2 PAE添加量对浆料Zeta电位的影响Table 2 Effect of PAE dosage on Zeta potential

表3 PAE添加对手抄片性能的影响Table 3 Effect of PAE dosage on the properties ofhand sheets

表3 为PAE 添加对手抄片性能的影响。由表3 可以看出，添加2.4%PAE 后，手抄片抗张指数提高了4.67%，撕裂指数提高了3.54%，耐折度提高了14.6%，湿抗张指数提高了671.4%，PAE 对手抄片湿抗张强度有很大影响。原因是因为PAE 作为一种阳离子型助剂，本身带有较多的正电荷，能够与纤维上的羟基结合，并且PAE 具备聚电解质的特性，其在水溶液中能够发生电离使分子链带上正电荷，能够吸附到带负电荷的纸浆纤维上并在纤维表面形成一层致密的抗水聚合物网络层（膜），从而纸张的湿抗张强度提高[7]。

图8为PAE添加前后手抄片表面的SEM图。由图8 可以看出，添加PAE 后，手抄片表面纤维间的空隙比未添加的少，纸张表面更均匀，匀度更好。

2.6 AmPAM添加量对手抄片性能的影响

AmPAM 因分子内含阳离子电荷和阴离子电荷，所以它除了具备阳离子干强剂的特点之外，还表现出更加优异的性能，经颗粒电荷测定仪测试其电荷密度为0.232 mol/L。图9 为AmPAM 添加量对手抄片抗张强度的影响。

图9 AmPAM添加量对手抄片抗张强度的影响Fig.9 Effect of AmPAM addition on the tensile strength of hand sheets

图9为AmPAM 添加量对手抄片抗张强度的影响。从图9 可以看出，随着AmPAM 添加量的增加，手抄片抗张指数和湿抗张指数均先上升后下降，当Am-PAM添加量在少于0.05%时，手抄片抗张指数和湿抗张指数均迅速增加；继续增大AmPAM 添加量，手抄片抗张指数急剧下降，湿抗张指数也有下降趋势。这是因为AmPAM 自身带有阳离子电荷，可以与纤维上的阴离子形成离子键，酰胺基与纤维的羟基形成氢键，从而可以提高纸张强度，但AmPAM 是高分子聚合物，分子链比较长，当添加量过多时极易产生絮聚现象，纤维之间发生团聚降低纸张的匀度，从而导致纸张强度降低[8]，因此选择AmPAM添加量为0.05%。

2.7 AKD添加量对手抄片性能的影响

图10 为AKD 添加量对手抄片接触角的影响。由图10 可以看出，随着AKD 添加量的增加，接触角由小逐渐变大，当添加量达到0.18%，接触角如图11所示；继续增大添加量，接触角变化越来越小。通过图12 与图8(b)对比可以看出，添加AKD 后，AKD 分子在纤维上铺展。AKD 自身带有脂肪烃长链官能团，具有憎水性，加入到疏解好的浆料后，在干燥过程中，疏水基团定向朝外排列，从而使纸张获得抗水性[9]。

图10 AKD添加量对手抄片接触角的影响Fig.10 Effect of AKD addition on the contact angle of hand sheets

图11 AKD添加量为0.18%的手抄片接触角Fig.11 Contact angle diagram of hand sheets with 0.18%AKD

图12 AKD添加量为0.18%的手抄片表面SEM图（×800）Fig.12 SEM image of the hand sheets surface with 0.18%AKD

2.8 纸纱原纸性能检测

由实验可知，当麻浆打浆度为75°SR，PVA 纤维添加量为2.0%，PAE 添加量为2.4%，AmPAM 添加量为0.05%，AKD 添加量为0.18%，经过湿压榨后，干燥温度为80℃，然后用15 N/mm 压光线压力进行压光处理，在此条件下纸纱原纸的物理性能达到最佳值，如表4所示。

表4 实验纸样物理性能Table 4 Physical properties of paper

3 结 论

本研究在麻浆中添加聚乙烯醇（PVA）纤维制备纸纱原纸，探究了抄造工艺条件对纸纱原纸性能的影响。

3.1 PVA 纤维在一定温度下熔融，起增强作用，当干燥温度为80℃、PVA 纤维添加量为2.0%时，与未添加PVA 纤维的手抄片相比，手抄片抗张指数提高了11.8%，柔软度提高了34.8%。

3.2 打浆、压榨和压光工艺都会对手抄片性能产生影响，综合纸纱原纸抗张强度、平滑度等的要求，最终选择麻浆打浆度为75°SR、湿压榨以及15 N/mm 的压光线压力。

3.3 当聚酰胺环氧氯丙烷（PAE）添加量为2.4%、两性聚丙烯酰胺（AmPAM）添加量为0.05%、烷基烯酮二聚体（AKD）添加量为0.18%时，纸纱原纸的各物理性能指标达到最佳值。

3.4 在最优工艺条件下所抄纸纱原纸的主要物理性能：抗张指数80.0 N·m/g，湿抗张指数32.8 N·m/g，撕裂指数14.7 mN·m2/g，耐折度1498 次，平滑度41 s，柔软度TS7值为53.8，伸长率3.37%。