范婧雯，惠岚峰，刘 忠，杨 乾

（中国轻工业造纸与生物质精炼重点实验室，天津市制浆造纸重点实验室，天津科技大学轻工科学与工程学院，天津300457）

空气滤纸是非常重要的多孔材料[1]，其物理和化学性能不但制约滤纸的使用范围，还影响透气效果。 不同空气滤纸原纸对纸浆都有不同的要求，通常可以通过调节打浆度、筛除细小纤维解决滤纸透气性差的问题[2]。 由于对滤纸应用环境条件的改变，人们对空气滤纸的过滤性能有越来越高的要求，例如空气滤材不仅需要有较高的过滤效率，还需要具有较低的过滤阻力和较高的容尘量。 我国的空气滤纸和国外的空气滤纸相比还存在较大的差距，比如过滤精度低、容尘量少、过滤效率低、使用寿命短、稳定性较差等。 目前市面上的高过滤效率空气过滤纸的价格较昂贵。

某些特殊的过滤纸板要求必须具有质地疏松、低阻力的特性，通过上述调节打浆度、筛除细小纤维方法处理的纸浆无法满足要求。 只有通过部分或全部采用纤维形态弯曲、富有弹性的丝光化浆才能满足要求。 通过一定浓度的碱液处理纸浆，使纤维弯曲且具有弹性的这个过程称为丝光化[3]。 纤维经丝光化处理会发生不同程度的物理变化和化学变化，在丝光化处理之后，纤维的形态和自身特性会发生一定程度上的改变。 在碱液的作用下，纤维完全溶胀，并且碱液扩散到纤维的细胞壁中，从而使纤维素结晶区中的半纤维素、树脂和颜料等能够溶解和去除[4]。 丝光处理过后的纤维变得光滑、圆润和扭曲，使得纸张增加了透气性；丝光浆具有良好的透气性和化学稳定性，适用于生产各种纸张，如滤纸、吸墨纸和词典纸[4]。 例如：于淑慧等[2]使用漂白硫酸盐阔叶木浆丝光化处理提高了纸板的过滤性能； 徐斌等[3]使用蒸煮过后的马尾松丝光化处理也提高了纸板的过滤性能。

各种纸张都对透气量提出不同程度的要求[5]，本实验针对用于过滤气体或液体的纸张，透气性能是其主要技术指标。 实验采用低成本的木浆原料，先进行丝光化处理再抄造空气滤纸，从而制作高性能低成本的空气滤纸原纸，使得采用木浆也能抄造出具备高透气性能、高过滤效率、高容尘量的空气滤纸。

1 材料与方法

1.1 原料与仪器

实验用纸浆为智利银星牌商品漂白硫酸盐针叶木浆；NaOH，分析纯，上海麦克林公司。

MB45 OHAUS 型快速水分测定仪，奥豪斯仪器（上海）有限公司；HSW24 型电热恒温水浴锅，上海一恒科技有限公司；DGG－101－1 型电热恒温干燥箱，天津市天宇实验仪器有限公司；RK－ZA－KWT 型标准纸页成型器， 奥地利PTI 公司；970154 型浆料疏解器、9345281 型纤维分析仪，瑞典Lorentzen&Wettre公司；9615－01 型透气度测定仪， 美国TMI 公司；SU－1510 型扫描式电子显微镜， 日本日立公司；AL204 型电子天平，瑞士梅特勒－托利多仪器（上海） 有限公司；2110 型平板纸张干燥器， 美国AMC 公司。

1.2 丝光化处理

1.2.1 正交实验设计

设计正交实验， 由于温度、 丝光化时间、NaOH浓度之间具有协同效应，为寻求最优的实验效果，综合前期单因素实验结果， 对3 种变量进一步进行正交实验。选择实验正交表L9（33），正交实验因素水平见表1。

表1 正交实验因素水平表

1.2.2 浆料丝光化处理

按照表2 所示的实验顺序进行碱处理实验，称取绝干浆样9 份，每份绝干重量为3.447 g，加入表中对应浓度的NaOH 溶液，浆浓为4%，分别在对应温度下的恒温水浴锅进行碱处理对应的时间，同时用电动搅拌器进行搅拌，转速为500 r/min。 处理完毕后用水冲洗至中性，把浆料脱水处理，装入塑料袋中，等待24 h 后，测定其水分含量，放入冰箱中备用。

表2 L9(33)正交实验设计

1.3 纤维分析

用分析天平称取绝干质量为0.10 g 的待测针叶木浆纤维，通过玻璃珠的振荡，配制成300 mL 悬浮液备用， 利用纤维形态分析仪检测分析实验纤维的长度、纤维宽度、卷曲指数等基本指标。

对干燥后的浆料进行表面喷金处理， 通过日立SU-1510 扫描电子显微镜对其进行观察分析， 对结果进行取点照相。

1.4 滤纸抄造和物理性能的测定

使用丝光浆，以110 g/m2的定量进行抄片，待检测滤纸原纸在恒温恒湿（温度23 ℃、相对湿度50%）环境中平衡4 h 以上，然后进行滤纸原纸性能测定。

2 结果与讨论

2.1 丝光化处理前后的扫描电镜结果

在电子显微镜下观察丝光化处理前后的针叶木浆，结果对比如图1 所示。 图1（a）为室温下未处理的针叶木浆，图1（b）为在室温下经浓度为1 mol/L NaOH 处理30 min 后的针叶木浆。 通过对比可以看出， 经过丝光化实验处理的针叶木浆纤维表面比未丝光化处理的针叶木浆的纤维表面更加光滑， 处理后细小纤维变少，纤维的粗度增加，纤维排布变得松散，纤维间的空隙变大。

图1 针叶木浆的扫描电镜图

2.2 丝光化处理对纤维形态的影响

纤维形态分析正交实验结果见表3。 经丝光化处理过后纤维的长度都会有所降低， 这主要是因为纤维中的杂细胞和细小纤维的不断溶出；另外，在纤维的细胞壁发生润胀后， 其横截面上细胞壁环形面积就会有所增大，从而使纵向长度急速下降[2]。 丝光化处理程度严重的纸浆细小纤维数量显著降低，大部分集中在1.50～3.00 mm 之间。 纤维长度的均一化，使纸浆纤维整体趋于均整[6]。 在进行抄纸过程中，起连接作用和充当填充物的细小纤维的减少，使得纤维间的接触面积变小，滤纸原纸孔隙率增大，纤维间的排列更疏松，对提高滤纸原纸的透气度，降低空气阻力具有十分重要的意义[7]。

扭结指数是指纤维弯曲中的陡变，纤维发生扭结的程度由扭结指数表示，体现了纤维的柔软程度[8]。表3 中的结果表明，丝光化处理之后，扭结指数和卷曲指数均提高，表明未处理的针叶木浆挺直僵硬，不易扭结弯曲，这与其化学结构有关[8]。

纤维的截面形状与纸页的透气度有重要的关系[6]，而经过丝光化后，断面形状变得均一，使得纤维间接触面积减小，结合力减弱，导致成纸结构疏松[9]。

表3 纤维形态分析的正交实验结果

2.3 丝光化处理对滤纸原纸性能的影响

2.3.1 物理性能

抄造空气滤纸原纸的松厚度、 抗张强度、 抗张力、伸长率、裂断长的数据及分析结果如表4、表5所示。 从表中可以看出， 对于空气滤纸原纸的抗张强度、抗张力而言，碱液浓度是最重要的影响因素之一，温度的影响次之，时间的影响最小。 当碱液浓度较大，而温度比较低时，所抄滤纸原纸的透气度较大而抗张强度较小， 空气滤纸原纸的透气度随着抗张强度的增大而减小[5]。

表4 采用丝光化处理后针叶木浆抄造滤纸原纸的物理性能

表5 正交实验结果分析

2.3.2 对透气性能影响的极差分析

从表6 中可以看出，C3方案所得的滤纸原纸透气度最大，得到的效果也是最好的。 其次便是B（处理时间）和A（处理温度），从中可以看出分别对应的A2和B2的处理效果是最好的。 A（NaOH 处理温度）是对于透气度而言影响最小的因素，对应的A3的处理效果是最好的。A2B2C3是得到的最优方案，最优方案在实验中出现。 同时从实验结果看，5 号实验（A2B2C3）的透气度为1 322 L/（m2·s），是9 组实验中结果值最大的， 由此找出的最优方案也可以为实际需求提供参考。

表6 L9(33)正交实验结果及极差分析

2.3.3 验证实验

在碱液作用下，各因素对空气滤纸原纸的透气性能影响的验证实验结果见表7。 结果证明：在此处理条件下，滤纸原纸的透气度可以增加为1 398 L/(m2·s)，其滤纸原纸的松厚度也可增加为6.98 g/cm3， 即本实验可以在此条件下取得较好的丝光化实验效果。

表7 验证实验得到的透气性能和松厚度

3 结论

（1）对漂白硫酸盐针叶木浆进行丝光化处理可以提高滤纸原纸的透气度， 但是随之降低了滤纸原纸的强度。 综合考虑后正交实验得到了最优的丝光化处理方案， 即NaOH 浓度为5 mol/L， 处理时间为60 min，处理温度为50 ℃。 验证实验证明，在此处理条件下滤纸原纸的透气度可以增加为1 398 L/(m2·s)，滤纸原纸的松厚度也可增加为6.98 g/cm3，即在此条件下本实验可以取得较好的丝光化处理效果。

（2）针叶木浆纤维经过丝光化处理后，使得纤维整体发生了改变， 处理对纤维的细胞壁有显著的增厚效果，整个细胞壁的胞腔缩小，纤维的表面变得光滑而扭曲，柔软而又有扩张力，平均长度变短，在实验的整个处理过程中，纤维间接触面积发生改变，面积变小，结合力也在变弱，成纸的结构逐渐疏松，透气性增强。