高桂林 林本平 沈葵忠 房桂干 邓拥军 刘姗姗 金 莉

（1.中国林业科学研究院林产化学工业研究所，江苏省生物质能源与材料重点实验室，国家林业局林产化学工程

重点开放性实验室，生物质化学利用国家工程实验室，江苏南京，210042；2.长沙理工大学轻化工程实验室，湖南长沙，410114）

影响纸张强度的因素主要包括纤维间的结合强度、纤维长度和纤维自身的强度，但真正决定纸张强度的是纤维间的结合强度，而纤维间结合力来自于分子间的氢键结合以及纤维分子间的范德华力［1-2］。由于木素具有疏水性，所以存在于浆料纤维表面的木素会阻止纤维素分子间氢键的形成［3-4］。实际生产中，机械浆中含有大量的木素，这些存在于浆料中的木素必定会对抄造出的纸张强度产生一定的影响。对于机械浆而言，纤维间的结合能力更为重要。机械浆具有良好的印刷适应性并且成本低，所以机械浆被越来越多地应用于生产印刷用纸。但是纤维间的结合强度限制了机械浆在生产某些纸张时的应用比例。根据特定的工艺条件（磨浆温度和化学处理），纤维细胞壁的分离程度是不同的，它也导致了纤维表面的木素含量不同。曾有研究发现，机械剥皮过程可以除去化学热磨机械浆（CTMP）纤维表面富含木素的物质［5］。如果纤维表面的木素确实构成了纤维间结合的障碍，那么这种机械剥皮技术有可能用于改善纤维表面，进而提高纤维间结合强度。

本研究采用酸析木素的方法，在BKP纤维表面沉积和吸附木素，探讨BKP纤维吸附木素的程度对纸浆强度性能的影响，以期对使用机械浆进行配抄的纸张生产有一定指导作用。

1 实验

1.1 材料

漂白硫酸盐马尾松浆板，取自广州造纸厂，浆料打浆度为18°SR；马尾松木片取自岳阳造纸厂。

1.2 打浆

将浆板用5L水浸泡4h以上，疏解后，在杠杆臂负荷为54N、飞刀辊转速为498r/min、浆浓为1.57％的条件下，用荷兰Valley打浆机打浆至42°SR。洗净、甩干后放入密封袋中冷藏备用。

1.3 硫酸盐木素溶液的制备

马尾松木片的蒸煮使用15L电热蒸煮锅（西北轻工业学院机械厂），绝干木片2kg，用碱量17.5％（以Na2O计），硫化度25％，液比1∶3.5，由室温升温至170℃时间为150min，170℃下保温90min，蒸煮结束后，挤出黑液。

将黑液放入2000mL烧杯中，在水浴锅中加热至80℃，边搅拌边向黑液中加入0.5mol/L的硫酸溶液调节pH值至3，以沉淀析出木素，静置1h后，用布氏漏斗过滤并洗涤数次后过滤，所得固体硫酸盐木素放在容器中风干至呈块状备用。使用前将硫酸盐木素固体溶解于10g/L的NaOH水溶液，制成质量浓度为20g/L的硫酸盐木素碱性溶液。

1.4 纸浆吸附木素实验

分别准备未打浆和打浆后的漂白硫酸盐浆料各5份，按照浆液比为1∶20向浆料中加入上述硫酸盐木素碱性溶液，混合均匀后再缓慢加入0.5mol/L的H2SO4，在80℃、不断搅拌下反应2h，分别控制终点pH值为8、6、5、4，以获取纤维具有不同木素吸附量的浆料，浆料编号分别为A1、A2、A3和A4。对照实验的其他反应条件相同，但未加酸调节，对照样的编号为A0。预处理反应结束后，所有浆样均用NaOH或硫酸调节控制pH值为6～7，浆料充分洗涤后供检测和抄片使用。

1.5 纸浆木素含量的测定

浆料的木素吸附量以检测纸浆的卡伯值来表示，卡伯值的测试按GB/T 1546—1989进行。

1.6 纸张配抄和物理强度检测方法

为比较木素吸附量对纸浆强度性能的影响，将不同木素吸附量的BKP抄制成80g/m2的纸张。浆料配比、实验编号及成纸的各项强度性能指标分别见表2、表3和表4。纸张的紧度、抗张指数、撕裂指数和耐破指数分别按照GB/T 451.3—2002、GB/T 453—2002、GB/T 455—2002和GB/T 454—2002进行测定。

2 结果与讨论

2.1 木素在纸浆纤维表面的吸附

以浆料卡伯值来表征漂白硫酸盐浆（BKP）纤维表面吸附木素的量。近年的研究表明，存在于蒸煮后浆料碳水化合物中的己烯糖醛酸及其他不饱和结构也会和高锰酸钾发生反应，本实验中在木素酸析反应时纸浆中的己烯糖醛酸已被酸水解而除去，使得测出的卡伯值更能准确地反映纸浆中的木素含量［6］。

本研究通过调节BKP和硫酸盐木素的混合物料的pH值，控制纸浆纤维吸附的木素量。进行木素沉积吸附实验时使用了两种浆料，即未经打浆和经过打浆（打浆度42°SR）的漂白马尾松硫酸盐浆。由表1可以看出，随着混合物料pH值降低，浆料吸附的木素量增加；相同吸附条件下，经过打浆的BKP比未经打浆BKP吸附的木素量更大，这是因为经过打浆后，纤维暴露出更多的表面，能够吸附更多的硫酸盐木素［7］。

表1 不同pH值处理条件下纸浆对木素的吸附量

2.2 不同配抄比例对纸浆强度性能的影响

一般来说，纸浆纤维间的结合强度与纤维间形成氢键的能力成正比。对于同一种浆料，纤维的比表面积和接触面积是一个常量，如果纤维表面吸附了木素，势必会影响纤维间形成氢键的能力，导致纤维间结合强度的下降［5］。

表2是不同pH值预处理条件下吸附木素BKP的强度性能。从表2可以看出，与未吸附木素BKP相比，随着纸浆纤维吸附的木素量的增加，浆料的抗张指数、撕裂指数和耐破指数均有不同程度的降低。因此在生产化学机械浆的机械磨浆过程中，在保证浆料的质量的前提下，应尽量除去纤维表面富含木素的物质，以提高纤维间结合强度。

表2 不同吸附条件下纸浆的物理强度

表3 50％BKP与50％吸附木素BKP配抄纸张的强度性能

表3给出了以50％BKP和50％吸附了木素的BKP配抄成纸的强度性能。表4是未吸附木素BKP与不同比例的吸附木素BKP（浆料的实验号为A2）配抄纸张的强度性能。虽然浆料来源和配抄方式不同，随着BKP中吸附木素量的增加，成纸的强度性能均呈现不同程度的下降趋势。

表4 不同配抄比例纸张的强度性能

2.3 木素吸附量与纸浆物理性能指标的关系

图1～图4分别比较了3种配抄方式手抄纸张的紧度、抗张指数、耐破指数和撕裂指数与纸浆中以卡伯值表示的木素含量的关系。从图1可以看出，不同纸浆纤维来源、不同配抄方式对纸张的紧度影响不大，表明构成纸张纤维间的物理接触没有发生明显变化。但是，从图2和图3可以看出，成纸的抗张指数、耐破指数与纸浆纤维中的木素含量呈现明显的负线性相关性，其中，抗张指数的线性回归方程为：y=-1.23x+56.9（式中，y为抗张指数，x为卡伯值），耐破指数的线性回归方程为：y=-0.104x+4.62（式中，y为耐破指数，x为卡伯值）；随着纸浆中木素含量的增加，纸浆的抗张指数、耐破指数呈现持续下降趋势。一般来说，纸张的抗张强度、耐破强度与构成纸张的纤维长度、纤维本身强度及纤维间结合能力相关。本实验中几种不同配抄方式使用的均是同一种打浆浆料，纸浆纤维具有相同的纤维长度、纤维强度和比表面积，因此抄制成纸张时，其抗张强度、耐破强度仅仅与纤维间的结合强度有关；随着纸浆纤维中木素含量的增加，纤维间的氢键结合能力下降，导致纤维间结合强度下降，表现为手抄片的抗张强度与耐破强度的降低，并呈现与木素含量一定程度的线性相关性。化机浆混合配抄时，可以通过降低化机浆表面木素含量或增加木素分子的亲水性的方法来改善纤维间的结合强度。从图4可以看出，不同配抄比例对纸浆的撕裂指数有不同的影响，这可能与纸张撕裂强度的复杂的构成机理有关［8］。

3 结论

3.1 随着硫酸盐木素溶液pH值的降低，木素在纸浆纤维表面的沉积吸附量增加；与未打浆纸浆相比，相同pH值条件，经过打浆的BKP纤维暴露出更多的表面，能够吸附更多的木素。

3.2 纸浆纤维表面木素含量与成纸的抗张指数、耐破指数呈负的线性相关性；纸浆木素含量的增加，使成纸的抗张指数和耐破指数下降；配抄比例对成纸的抗张指数、耐破指数没有明显影响，但对浆张的撕裂指数却有一定的影响。

3.3 随着纸浆纤维表面吸附木素量的增加，成纸紧度变化不大，但成纸的抗张指数和耐破指数均有不同程度的降低，表明增加纸浆纤维表面木素含量会降低纤维间的结合强度。

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