多段打浆法制备涤纶超短纤维基纸袋纸及其性能研究

摘要

以中浓、低浓打浆相结合的多段打浆工艺为基础，采用涤纶超短纤维与针叶木浆混抄方法，制备高透气度纸袋纸。结果表明，针叶木浆采用中浓（浆料浓度10%，打浆至18 ^oSR）+低浓（浆料浓度6%，打浆至20 ^oSR）两段打浆的方法，所抄纸张各项物理强度性能较佳且透气度可达11.23 μm/(Pa·s)。随着涤纶超短纤维添加量的提高，纸袋纸的孔隙率与透气度随之提高。当涤纶超短纤维添加量为5%~10%时，纸袋纸透气度可达28.13~47.48 μm/(Pa·s)，各项物理强度性能均能满足使用要求。

关键词

纸袋纸; 透气度; 打浆工艺; 涤纶超短纤维

纸袋纸（伸性纸）是一种重要的包装原料，广泛应用于水泥、化肥、建筑等各领域。纸袋纸主要以针叶木硫酸盐浆为原料，在包装应用过程中多采用快速灌装的形式，会受到较大冲击力的作用^[1]，同时需要快速将纸袋纸中的空气排出，以免胀袋、破袋的情况发生，因此纸袋纸通常具有一定的透气性和较大的伸长率。一直以来，透气度是纸袋纸生产最重要的指标之一。目前，国内大多数纸袋纸多为内层为纸袋纸、外层为普通纸的双层包装形式，通过激光打孔的形式在外层纸表面制造微小孔隙，虽然使纸袋纸的透气度得到了较大提高，却会对纸张结构和物理强度造成损失。同时，国内生产的纸袋纸在透气度、物理强度等整体性能方面与国外仍存在较大差距，对进口依赖性较高，成本也较高，提高纸袋纸的透气度有利于提高厂家的生产效率，推动整体行业的生产进步。

打浆一直以来是作为改善纤维特性、生产符合要求纸张的关键环节，合理的打浆工艺能够改变纤维形态，控制纸料的滤水性能，赋予纸张所需特性^[2]。雷利荣等人^[3]、刘士亮等人^[4-5]对于非木材及木材纤维原料的中浓及低浓打浆机理进行了研究，发现中浓打浆更有利于保护纤维长度，而低浓打浆则以机械剪切力为主，产生了较多的细小纤维。目前，国内纸袋纸的打浆工艺主要通过高浓叠加低浓的多段打浆工艺，即先通过高浓打浆至一定打浆度，再进行一段低浓打浆至目标打浆度^[6]。一般纸袋纸的最佳打浆度在20 °SR左右，以高浓打浆为主。通过多段打浆生产的纸张能够在保证较高纸张透气度的基础上，进一步改善纸张抗张指数、耐破度、破裂功等物理性能。宋成剑等人^[7]在对烟草浆打浆过程中发现，通过低浓打浆能够很好地解决高浓打浆造纸匀度较差的问题。蓝家良^[1]对于先高浓再低浓打浆的工艺进行了一系列正交实验，结果表明，相比于只进行低浓或高浓打浆，两者结合打浆抄造的纸袋纸各项性能更均衡，综合性能优异。

涤纶作为平时生活中最为常见的人造纤维之一，是以精对苯二甲酸（terephthalic acid）和乙二醇（ethylene glycol）为原料，经酯化和缩聚反应制得的成纤高聚物，在纺织、造纸、建筑等领域广泛应用^[8-9]。造纸用涤纶主要是通过专用的切断设备切割成的涤纶超短纤维，根据添加量的不同可以提升（如新闻纸、书写纸、过滤纸等）不同品种纸张的性能，其具有在水中分散性高、与植物纤维的良好亲和性及优异的化学稳定性等优良性能的同时^[10-11]，在与植物纤维配抄的过程中，其光滑的表面还能够疏散植物纤维，提高纸张的孔隙率，改善纸张的透气性。刘群华等人^[12]在抄造过滤纸的过程中，通过改变涤纶纤维的添加量，有效提高了过滤纸的透气度。

基于此，本研究通过数组中浓与低浓相结合打浆的实验，探究得到综合性能最优的打浆度组合，并在此基础上，通过改变涤纶超短纤维在纸袋纸中的添加量，进一步探究其对于纸袋纸透气度、抗张强度、抗张能量吸收值、耐破度等物理性能的影响。

1 实验

1.1　实验原料与仪器

1.1.1　实验原料

涤纶超短纤维（纤度1.5 d，长度6 mm），淄博宇星新材料科技有限公司；虹鱼本色硫酸盐针叶木浆（以下简称针叶木浆），美国Domtar公司。

1.1.2　实验仪器

场发射扫描电子显微镜（FESEM，EVO18， ZEISS公司）；热重分析仪（TG，209F3，德国NETZSCH公司）；电热鼓风干燥箱（DHG-9140，上海笃特科学仪器有限公司）； PFI打浆机（621，挪威HAMJERN MASKIN）；凯赛法自动抄纸系统（RK3AKWT，奥地利 PTI公司）；纤维质量分析仪（FS300，芬兰METSO 公司）；纤维疏解机（991509）、抗张强度仪（CE062）、透气度仪（166）、撕裂度仪（009）、耐破度测定仪（CE180），均为瑞典L&W公司。

1.2　实验方法

1.2.1　浆料的优化

称取一定量的针叶木浆，置于浆料疏解机中进行疏解，将疏解后的浆料过筛滤水，撕成小块，平衡水分，测其水分含量。取相当于30 g绝干浆的浆料，通过调整添加水量来调整浆浓，中浓（浆浓10%）打浆至15 °SR，低浓（浆浓6%）打浆至20 °SR。同样，分别取30 g绝干浆中浓打浆至18 °SR，低浓打浆至20 °SR；第3组实验只低浓打浆至20 °SR；第4组实验只中浓打浆至20 °SR；第5组实验中浓打浆至20 °SR，低浓打浆至25 °SR。利用自动凯赛法纸页成型器进行抄纸，在90 ℃、0.8 MPa的条件下干燥8 min，纸张定量在85 g/m²左右，纸张的半径为10 cm，具体制备流程图见图1。

图1  浆料的优化流程图

Fig. 1  Flow chart of pulp optimization

1.2.2　浆料纤维形态分析

取一定量的浆料，疏解后加水稀释至绝干浆浓度为30 mg/L，搅拌均匀后取100 mL作为待测浆料，使用纤维质量分析仪分别测量中浓打浆至15 °SR、低浓打浆至20 °SR与只进行中浓打浆至20°SR两种浆料的纤维特性。

1.2.3　纸袋纸的制备

将涤纶超短纤维按相当于绝干浆5%、10%、20%、30% 的添加量，加入到综合性能较优的针叶木浆料中，混合疏解，利用自动凯赛法纸页成型器抄造定量约85 g/m²的纸张，在90 ℃、0.8 MPa的条件下干燥 8 min，得到纸袋纸，具体制备流程见图2。

图2  纸袋纸制备流程图

Fig. 2  Flow chart of sack paper preparation

1.2.4　FESEM分析

使用离子磁控溅射镀膜机对样品进行喷金处理，将处理后的样品放置于场发射扫描电子显微镜的载物台上，并在高压真空（10 kV）模式下对样品进行二次成像，观察样品的表面形貌。

1.2.5　TG分析

称取不同涤纶超短纤维添加量的纸袋纸2 mg，置于真空干燥箱中，在60 ℃下干燥24 h，然后置于热重分析仪载物坩埚中，在升温速率10 ℃/min、N₂保护气、气体流量为20 mL/min的条件下，进行纸袋纸热稳定性分析。

1.2.6　纸袋纸孔隙率的测定

通过干湿比法测量纸袋纸的孔隙率，首先取一定质量的试样在105 ℃下干燥24 h，称取其质量为W₁，然后将试样浸泡于无水乙醇中，密封静置12 h后取出，两面赋以滤纸一定压力吸收30 s后，迅速称其质量W₂。由式（1）计算纸袋纸紧度，根据式（2）计算纸袋纸的孔隙率。

ρ1=$$\frac{G}{t}$$

（1）

AK=$$\frac{(W_{\mathrm{2}}-W_{\mathrm{1}})·{\rho }_{\mathrm{1}}}{{\rho }_{\mathrm{2}}·W_{\mathrm{1}}}$$ ×100%

（2）

式中，ρ₁为纸袋纸的紧度，g/cm³；G为纸袋纸的定量，g/cm²；t为纸袋纸厚度，cm；A_K为纸袋纸孔隙率；W₁和W₂分别为干、湿纸袋纸的质量，g；ρ₂为无水乙醇的密度，g/cm³。

1.2.7　物理性能的测定

抗张强度、伸长率及 TEA 值的测定依照GB/T 12914—2018《纸和纸板抗张强度的测定》进行。撕裂度的测定依照GB/T 455—2002《纸和纸板撕裂度的测定》进行。耐破度的测定依照 GB/T 454—2002 《纸和纸板耐破度的测定》进行。透气度的测定依照 GB/T 458—2008《纸和纸板透气度的测定》进行。

2 结果与讨论

2.1　浆料纤维形态的分析

为比较中浓打浆至15 °SR结合低浓打浆至20 °SR（中浓15 °SR+低浓20 °SR），与只进行中浓打浆至20 °SR（中浓20 °SR）2种浆料纤维形态上的差异，对其进行了纤维分析实验，结果如表1所示。

表1  不同打浆度组合浆料纤维形态参数

Table 1  Pulp fiber morphology parameters of different combinations of pulping degrees

浆料	数均长度/mm	质均长度/mm	平均宽度/μm	扭结纤维含量/%	纤维弯曲/%	细小纤维含量/%
中浓15 °SR+低浓20 °SR	1.185	1.848	30.0	52.4	19.0	43.5
中浓20 °SR	1.263	1.959	31.8	55.5	20.6	40.0

由表1可知，与只进行中浓打浆的浆料相比，进行低浓处理的浆料，其纤维质均长度从1.959 mm下降到1.848 mm，减小了约6%；纤维宽度从31.8 μm下降到30.0 μm，而细小纤维的含量由40.0% 增加到43.5%。这充分说明低浓处理相较于中浓处理，对纤维有着更加强烈的切断作用，增加了细小纤维的比例。而只进行中浓打浆处理的浆料，更多的是由于摩擦扭曲的作用，使扭结纤维和弯曲纤维的比例更高，更有利于保护纤维长度^[13]。

2.2　纸张物理性能分析

2.2.1　FESEM分析

通过FESEM分析，可以观察不同打浆工艺下纸张外观形貌，结果见图3。由图3（a）和图3（b）可知，相比于只进行中浓20 °SR打浆，中浓与低浓相结合（中浓20 °SR+低浓25 °SR）打浆后制备的纸张表面更加黏连，纤维与纤维之间结合得更加紧密，纤维分丝帚化效果好，同时纤维形态不够完整。由图3（c）和图3（d）可以明显看出，只进行中浓20 °SR打浆的纸张纤维之间彼此交错，黏连略少，从而使纸张表面孔隙更大、更多。这充分说明中浓打浆后再进行低浓打浆，有利于纸张纤维之间更加紧密地结合，而只进行中浓打浆则更有利于纸张气孔大小、数量的提高。这主要是由于低浓打浆产生的细小纤维均匀分散、存在于长纤维交错形成的骨架孔隙中，在提高纸张匀度的同时，促进了纤维之间的结合。

图3  不同打浆工艺制备纸张的FESEM图

Fig. 3  FESEM images of paper with different pulping processes

2.2.2　纸张强度性能分析

选择中浓和低浓相组合打浆，总打浆度均在20 °SR左右，观察纸张物理强度性能的变化，结果如表2 所示。

表2  不同打浆度组合纸张性能

Table 2  Paper properties of different pulping degree combinations

浆料	定量/g·m-2	抗张指数/N·m·g-1	伸长率/%	TEA值/J·g-1	撕裂指数/ mN·m2·g-1	耐破指数/kPa·m2·g-1	透气度/μm·(Pa·s)-1
中浓15 °SR+低浓20 °SR	85.3	73.9	2.74	1.41	13.7	4.96	8.10
中浓18 °SR+低浓20 °SR	82.8	66.4	2.93	1.36	15.2	4.89	11.23
低浓20 °SR	85.0	74.1	3.01	1.52	12.9	4.69	4.56
中浓20 °SR	84.2	54.4	2.89	1.12	15.7	4.11	12.87
中浓20 °SR+低浓25 °SR	85.0	65.9	2.72	1.28	14.9	5.07	5.89

由表2可知，当总打浆度均为20 °SR时，随着中浓打浆度的提高，纸张的抗张指数、TEA值、耐破指数等物理强度都有所下降，采用中浓打浆至20 °SR结合低浓打浆至25 °SR浆料制备的纸张，各物理性能有较大提高。这充分说明在中浓打浆结合一段低浓打浆，可以使纸张的各种物理强度性能得到较大的改善，这主要是由于低浓打浆时，刀片对于纤维的剪切作用产生了较多的细小纤维，分散于纤维的网状骨架中^[4-5]，使纤维分散更加紧密、均匀，增强了纸张纤维的结合力，最终促进了纸张物理强度性能的提高。

2.2.3　纸张透气性分析

由表2还可以看出，当总打浆度为20 °SR时，随着中浓打浆度的提高，纸张透气度从8.10 μm/(Pa·s)增加到12.87 μm/(Pa·s)，而在中浓打浆后进行一段低浓打浆，纸张透气度出现了较大的下降，从12.87 μm/(Pa·s)降低至5.89 μm/(Pa·s)，这主要是由于中浓打浆是通过摩擦、扭曲等作用提高打浆度，有效保护了纤维的长度^[4-5]，纤维交错分散促进了纤维之间空隙的产生，从而提高了纸张的孔隙率，改善了纸张的透气性。而低浓打浆产生的细小纤维则充斥在这些空隙中，使透气性降低。通过观察可知，同样是打浆至20 °SR，当浆料采用中浓打浆至18 °SR结合低浓打浆至20 °SR方式时，制备的纸张整体性能最佳，透气度可达11.23 μm/(Pa·s)，其他物理性能均较好。

2.3　涤纶超短纤维添加量对纸张性能的影响

2.3.1　纸袋纸的FESEM分析

通过对纸袋纸进行FESEM分析，观察在添加涤纶超短纤维前后，纸袋纸外观表面形貌的变化，结果如图4所示。

图4  添加涤纶超短纤维前后纸袋纸FESEM图

Fig. 4  FESEM images of sack paper before and after adding polyester ultra short fiber

由图4（a）和图4（b）可得，未添加涤纶超短纤维的纸张表面纤维与纤维之间相互黏连，结合紧密。而添加涤纶超短纤维后，植物纤维附着在涤纶超短纤维上，彼此之间的黏连较少。通过图4（c）和图4（d）可以更加清晰地观察到，添加涤纶超短纤维后纸袋纸表面的孔隙大小及数量都有较大提高，涤纶超短纤维充斥在植物纤维的网状骨架中，减弱了植物纤维之间的结合。这是由于涤纶超短纤维本身呈圆柱状，且表面较为光滑，拥有更大的比表面积，在与植物纤维混抄后，其光滑的表面能够有效地疏离纤维，使纤维之间更加分散，从而使网状骨架中的空隙更多，增大了与空气的接触面积，最终达到改善纸袋纸透气性的效果。

2.3.2　纸袋纸的热重分析

为观察不同涤纶超短纤维添加量对纸袋纸热稳定的影响，对其进行热重分析，结果如图5所示。由图5可知，纸袋纸的热裂解过程主要分为3个阶段：第一个阶段为33~200 ℃，这一阶段质量损失较慢，主要为纸袋纸吸热脱除吸附水造成的，质量损失率约为6%；第二个阶段为200~380 ℃，这一阶段纸袋纸有明显的质量损失，其中最大质量损失速率出现在360 ℃附近，为纤维素、半纤维素的热解阶段，质量损失率约为70%；最后阶段为380~800 ℃，此为植物纤维中木质素的裂解及残余物质的缓慢分解。由图5还可以看出，不同涤纶超短纤维添加量下的纸袋纸TG变化曲线趋势整体一致，不同之处在于，添加涤纶超短纤维后，在380 ℃ 后又出现一次质量损失峰，此为涤纶超短纤维热裂解挥发成小分子的过程，随着涤纶超短纤维添加量的提高，这一阶段的质量损失越明显。总体来看，添加涤纶超短纤维对于纸袋纸的热稳定性影响不大，能够满足其对于生产中原料保存及运输的要求。

图5  不同涤纶超短纤维添加量纸袋纸的TG曲线

Fig. 5  TG curves of sack paper with different polyester ultra short fiber additions

2.3.3　纸袋纸的孔隙率分析

图6为涤纶超短纤维添加量对纸袋纸孔隙率的影响。由图6可以看出，随着涤纶超短纤维添加量从5% 提高到30%，纸袋纸的孔隙率也从30.3% 增加至55.0%，这与FESEM观察的结果相对应，在与植物纤维混抄后，涤纶超短纤维均匀地分散在植物纤维骨架中^[14]，使纤维网络更加疏松多孔，随着涤纶超短纤维添加量的提高，其光滑的表面对植物纤维的疏散、分离作用也更明显，减弱了纤维与纤维之间的结合，纸袋纸表面孔隙的数量和大小也随之提高，保证了在一定的内外压力差下，纸袋纸中的气体有效排出。

图 6  涤纶超短纤维添加量对纸袋纸孔隙率的影响

Fig. 6  Effect of polyester ultra short fiber addition on the porosity of sack paper

2.3.4　涤纶超短纤维添加量对纸袋纸性能的影响

图7为涤纶超短纤维添加量对纸袋纸性能的影响。由图7可以看出，随着涤纶超短纤维添加量从5% 提高到30%，纸袋纸的撕裂指数有小幅上升后下降，这是因为当涤纶超短纤维添加量较低时，纤维之间结合力仍然较高，更多的纤维被拉断，而涤纶超短纤维强度高于植物纤维，从而使撕裂度提高；但随着涤纶超短纤维添加量的提高，纤维之间的结合力下降，此时更多的纤维被拉出而不是拉断，导致纸张撕裂度下降^[15]。而随着涤纶超短纤维添加量的提高，纸袋纸的各项物理性能均有较大幅度的下降，这也与以上实验结果相对应，涤纶超短纤维贯穿于植物纤维之中，其光滑的表面不仅与植物纤维黏连较少，更加疏离了纤维与纤维之间的结合，减少了纤维之间的接触面积，降低了纤维之间的氢键结合，所以纸张各项物理强度性能有较大的下降^[16-17]。

图7  涤纶超短纤维添加量对纸袋纸性能的影响

Fig. 7  Effect of polyester ultra short fiber addition on the properties of sack paper

而随着涤纶超短纤维添加量的提高，纸袋纸透气度成倍提高。说明涤纶超短纤维在疏散植物纤维，降低纤维结合力的同时，使纤维之间的空隙越来越大，增加了纸张中气孔的数量和大小。当添加量在5%时，纸袋纸透气度可达28.13 μm/(Pa·s)，当添加量在10% 时，纸袋纸透气度达47.48 μm/(Pa·s)左右，随着涤纶超短纤维添加量的提高，纸张强度性能越来越不满足于纸袋纸的使用要求，因此，综合考虑纸袋纸的其他物理性能，涤纶超短纤维最佳添加量为5%~10%。

3 结论

本研究通过数组中浓与低浓相结合打浆的实验，探索得到了透气度较佳且综合性能较优的打浆度组合；将涤纶超短纤维按照一定比例，加入针叶木浆中抄造高透气度纸袋纸；重点探究了打浆工艺与涤纶超短纤维添加量对于纸袋纸关键性能的影响。

3.1 与只进行中浓和低浓打浆相比，两者相结合打浆的方式能够在保证较高透气度的基础上进一步提高纸张各项物理性能，较优的打浆度组合为中浓打浆至18 °SR接着低浓打浆至20 °SR，纸张的整体性能最佳，纸张透气度可达11.23 μm/(Pa·s)，其他物理性能均较好。

3.2 在较优打浆度组合的基础上，随着涤纶超短纤维在绝干浆中添加量从5% 提高到30%，纸袋纸孔隙率从30.3%增加至55.0%，透气度也从11.23 μm/(Pa·s)提高到100 μm/(Pa·s)，综合考虑纸袋纸的其他物理性能，涤纶超短纤维的最佳添加量为5%~10%。