經(jīng)壓光處理后新聞紙強(qiáng)度下降的本質(zhì)

研究人員測量并分析了新聞紙由壓光處理而引起的自身強(qiáng)度下降的情況。這項研究涉及到兩種纖維原料，一種是100%的二次纖維(RCF)，另外一種是100%的TMP。這兩種紙漿均在中試紙機(jī)上完成紙頁成形，同時在裝備有鋼棍的中試壓光機(jī)上進(jìn)行紙頁的壓光處理。研究范圍還包括經(jīng)過硬壓光和軟壓光的商品用紙（由100%RCF組成）。研究人員利用一個簡單的公式把影響抗張強(qiáng)度的纖維自身性質(zhì)和纖維間結(jié)合力分開考慮。該公式表明，無論纖維自身強(qiáng)度是否變化，紙張抗張強(qiáng)度都會發(fā)生改變。纖維自身強(qiáng)度降低的程度可以測量出來，但是由壓光操作而引起的強(qiáng)度損失主要還是來自于纖維間結(jié)合強(qiáng)度的下降。

應(yīng) 用：理解壓光如何導(dǎo)致新聞紙抗張強(qiáng)度的降低有助于我們找到把強(qiáng)度損失降到最低的方法。

壓光就是使紙頁通過一個或多個高負(fù)荷的壓區(qū)。通常情況下，壓光操作作為生產(chǎn)的最后一個階段，它會降低紙頁厚度和粗糙度，增加紙頁平滑度，同時使紙頁在橫幅上獲得更均一的厚度。

如果壓光操作在紙頁成形、干燥之后和卷取之前進(jìn)行，那么這樣的壓光通常稱為“紙機(jī)”壓光。在普通新聞紙的生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)的紙機(jī)壓光是使紙頁通過8個直立并排的鋼輥，這些鋼輥從頂部加載負(fù)荷，底部裝備有傳動裝置。通常紙頁從壓光機(jī)的頂部進(jìn)入壓區(qū)，然后依次通過下面的每個壓區(qū)，壓區(qū)內(nèi)的負(fù)荷逐漸增大。

現(xiàn)在的壓輥是在冷鑄壓輥表面包裹一層聚合物，這就形成了所謂的軟壓光。它通常有兩對壓輥，一個在前，一個在后，并且把后面的壓輥倒置以便使紙頁兩面都能接觸到拋光輥從而達(dá)到相同的整飾效果。這種軟壓光作為一個獨立的操作過程完成機(jī)外壓光，尤其是在涂布紙的生產(chǎn)過程中。

另一種是在壓輥的表面覆蓋可壓縮的織物或者紙，也就是我們通常所說的機(jī)外超級壓光。然而，這種壓輥的強(qiáng)度不夠大，而且使用壽命有限，不太適合傳統(tǒng)的紙機(jī)壓光。在傳統(tǒng)的壓光基礎(chǔ)上研發(fā)的最新成果是靴式壓光。這種壓光技術(shù)是把壓輥放在液壓加壓靴套上，以增大壓區(qū)寬度。通常，所有類型的壓光操作都是在一定溫度下進(jìn)行的。

在大部分情況下，壓光會導(dǎo)致紙張抗張強(qiáng)度的下降，但是在輕微壓光或者紙頁水分較高的情況下就不會產(chǎn)生這種影響。軟壓光技術(shù)和靴式壓光技術(shù)能提供較長時間的輕微壓力，并且不會像傳統(tǒng)的硬壓輥那樣通過產(chǎn)生“局部增濃”現(xiàn)象來提高紙頁的表面性能。這種區(qū)別會降低軟壓光和靴式壓光產(chǎn)生的強(qiáng)度損失，因為紙頁結(jié)構(gòu)很少受到破壞。在提高紙頁水分含量的前提下，“增濃”會增加纖維間的結(jié)合性能，進(jìn)而提高紙頁的強(qiáng)度，但是這種作用效果并不是所有的造紙工藝都相同，尤其是在新聞紙和其他書寫印刷類紙種的生產(chǎn)中。既然紙頁的本質(zhì)就是纖維素纖維通過纖維表面之間緊密地結(jié)合在一起而形成的纖維網(wǎng)絡(luò)，那么紙張抗張強(qiáng)度的下降應(yīng)該歸因于纖維自身強(qiáng)度或者纖維間結(jié)合力的變化，或者二者兼有。

在研究人員Browne和Crotogino看來，由于壓光的壓力比較高，所以紙張經(jīng)過硬壓光操作后其強(qiáng)度指標(biāo)會下降，這是纖維遭到破壞導(dǎo)致的結(jié)果。他們指出壓光操作中壓區(qū)剪切力的作用也會導(dǎo)致纖維間結(jié)合力的下降，這種強(qiáng)度損失更可能會出現(xiàn)在軟輥壓光操作中。盡管沒有實驗數(shù)據(jù)證明這一點，但是這些論述仍然反映了當(dāng)今造紙機(jī)械專家和工程師對這種狀況的理解。通過考慮壓光對抗張強(qiáng)度和挺度的不同影響，Retulainen等人提出壓光影響纖維自身強(qiáng)度和纖維間的結(jié)合強(qiáng)度。但是他們沒有量化這些作用之間的重要關(guān)系。

在這項工作中，我們把壓光導(dǎo)致新聞紙抗張強(qiáng)度下降的本質(zhì)因素羅列出來。我們選擇新聞紙是因為它是一類采用機(jī)內(nèi)壓光生產(chǎn)的紙種，而不是采用單獨的壓光操作。而且，新聞紙的強(qiáng)度指標(biāo)也很重要，因為具備較高的強(qiáng)度可以避免新聞紙在印刷過程中的斷裂損耗。同時，成系列的新聞紙種也可以很方便地獲取，這得益于UMIST和UPMKymmene，Shotton Paper(UK)的合作。

新聞紙通常仍然是采用傳統(tǒng)的鑄鐵輥壓光技術(shù)進(jìn)行壓光處理。然而，隨著造紙原料從磨木漿、熱磨機(jī)械漿到主要由舊報紙和舊雜志組成的二次纖維的轉(zhuǎn)變，為了達(dá)到預(yù)期的紙頁緊度，輕微壓光技術(shù)的重要性已經(jīng)變得越來越明顯。典型的壓光是設(shè)置在最小的壓區(qū)負(fù)載下進(jìn)行的，以便減少過程控制和安裝軟壓光棍。所以，我們的研究涉及到100%RCF商用紙張的軟壓光和硬壓光，也包括100%RCF紙張和100%TMP紙張在中試紙機(jī)上的抄造和壓光。

試驗方法

有許多理論把紙張抗張強(qiáng)度同紙頁結(jié)構(gòu)、纖維性能和纖維間的結(jié)合力聯(lián)系起來。其中最有效也是最常用的也許就是Page在1969年提出的理論[5]。Page提出一個等式，利用該等式可以簡單有效地建立紙張抗張強(qiáng)度的模型。

T=常規(guī)抗張指數(shù)，N·m/kg

Z=零距抗張指數(shù)，N·m/kg

A=纖維的橫截面積，m2

ρ=纖維的密度，kg/m2

b=作用于單位纖維間結(jié)合面積的破壞應(yīng)力N/m2

P=單根纖維的周長，m

λ=重均纖維長度，m

RBA=相對鍵結(jié)面積，m2

通過測量我們得到裂斷長，裂斷長除以試樣的寬度和定量就得到T。在適用于其他材料的直接測量方法中，強(qiáng)度和厚度無關(guān)，所以我們可以采用T。Z采用類似的測量方式，不過測量Z的抗張強(qiáng)度儀有一個特殊的機(jī)械鉗口，這樣它就可以抓住試樣非常小的一部分（數(shù)十微米）。由于新聞紙中的纖維通常在長度為1mm、寬度為20μm的范圍內(nèi)，所以測量Z的抗張強(qiáng)度儀上的一個機(jī)械鉗口基本上只能夠抓住非常少的幾根纖維。這就意味著所檢測的Z值表示的是紙張試樣中單根纖維自身的強(qiáng)度，并且它與纖維間的結(jié)合力無關(guān)。

等式1右邊的第一項和第二項分別表示纖維自身強(qiáng)度和纖維間結(jié)合強(qiáng)度的作用，特別是對紙張試樣總抗張強(qiáng)度的影響。通過簡化和轉(zhuǎn)化公式1，得到了結(jié)合指數(shù)B(N·m/kg)的定義式，如公式2所示：

本研究中，首先測量出T和Z，進(jìn)而計算得到B。公式2很好地描述了影響抗張強(qiáng)度變化的因素，即在不考慮B的情況下，纖維自身強(qiáng)度下降引起的T的下降可以通過Z表現(xiàn)出來，反之亦然。對于不同的壓光過程，Z和B的下降引起的T的下降是不同的，這依賴于增濃的程度和壓區(qū)的類型。

通過壓光作用可以把新聞紙整飾光滑，但是對于印刷來說，新聞紙的緊度也是很重要的，它應(yīng)該和其他紙種的緊度差不多。紙張緊度對印刷壓力和紙頁挺度有很大的影響。因此，紙張定量應(yīng)該嚴(yán)格控制在45g/m2，我們可以通過調(diào)整壓光操作來維持紙張緊度。所以，通過選擇合適的壓光壓區(qū)，我們可以生產(chǎn)緊度大約為670kg/m2的紙張，其緊度接近于UK通用紙張的緊度。

試驗情況

研究人員把從UPM-Kymmene，Shotton Paper高速卷紙機(jī)生產(chǎn)的紙卷上切下的RCF商品用紙在美卓J?rvenp??工廠的壓光工段進(jìn)行了軟壓光。硬輥壓光機(jī)的車速是1455m/min，線壓力是100KN/m，壓輥溫度大概是80℃，采用壓區(qū)加熱而不是蒸汽加熱。軟輥壓光機(jī)的車速是1455m/min，線壓力是53KN/m，壓輥溫度大概是130℃，采用蒸氣箱的蒸汽加熱。未壓RCF商品用紙被切成紙片，通過人工引紙的方式進(jìn)入中試壓光機(jī)的一個壓區(qū)，此時線壓力是30KN/m，溫度是室溫。

UMIST中試紙機(jī)抄造的紙張的漿料是來自UPM-Kymmene Shotton高濃儲漿池的TMP和RCF。

TMP紙按照中試車間的要求進(jìn)行機(jī)內(nèi)壓光，生產(chǎn)條件分為一個壓區(qū)和五個壓區(qū)兩種情況，最后一個壓區(qū)的線壓力分別是60KN/m和100KN/m。中試RCF紙也是采用機(jī)內(nèi)壓光的方法，只是都有五個壓區(qū)，最后一個壓區(qū)的線壓力分別是40KN/m和100KN/m。TMP紙和RCF紙的壓光溫度都是室溫，壓光車速是15m/min。

結(jié)果與討論

圖1、2、3反映了在壓光前后所有研究的紙種的常規(guī)抗張指數(shù)、零距抗張指數(shù)與紙張緊度的測量值之間的關(guān)系，其中也包括結(jié)合指數(shù)。因為紙頁縱向和橫向的結(jié)果類似，我們就以縱向為例進(jìn)行說明。

我們可以看出在每種情況下，T都會隨著緊度的增加而下降。大部分情況下Z和B也是下降的。因此，我們不可能僅僅通過研究這些圖表來得到關(guān)于纖維自身強(qiáng)度和纖維間結(jié)合強(qiáng)度哪個是影響抗張強(qiáng)度的關(guān)鍵因素的結(jié)論。為了闡明這種情況，我們考慮兩種極端的假設(shè)。

1、所有的強(qiáng)度下降都?xì)w因于纖維自身強(qiáng)度的損失，B的改變不會帶來重要的影響。為了驗證這個假設(shè)，我們比較了試驗測量的Z值下降的百分比和當(dāng)B值保持與未壓光一樣時通過公式(2)計算出來的Z值下降的百分比的區(qū)別。

2、所有的強(qiáng)度下降都?xì)w因于纖維間結(jié)合強(qiáng)度的損失，Z的改變不會帶來重要的影響。為了驗證這個假設(shè)，我們比較了試驗測量的B值下降的百分比和當(dāng)Z值保持與未壓光一樣時通過公式(2)計算出來的B值下降的百分比的區(qū)別。

商用RCF新聞紙

對于商用紙機(jī)生產(chǎn)的新聞紙來說，圖4反映了第一條假設(shè)的結(jié)論。假設(shè)T值的下降完全是由Z值的下降引起的，那么Z值下降的程度遠(yuǎn)比實際測量的紙機(jī)縱向和橫向上Z值下降的程度要厲害。

圖4也反映了第二條假設(shè)的結(jié)論。假設(shè)T值的下降完全是由于B值的下降導(dǎo)致的，盡管B值下降的程度也要比實際測量的高，但是這種差距比假設(shè)1的小很多。既然計算獲得的B值和測量經(jīng)過UMIST壓光的試樣得到的B值差距不大，那么這就表明了試樣中Z的作用很小。

這些試驗觀測結(jié)果得出的結(jié)論在某種程度上和以前的研究結(jié)論有些相悖。實驗結(jié)果指出，雖然纖維自身強(qiáng)度有輕微的下降，但是纖維間結(jié)合強(qiáng)度的下降卻是引起抗張強(qiáng)度損失的主要因素。很明顯高速軟壓光比低速硬壓光造成的纖維損失更大。這個結(jié)果可以部分地說明為什么軟壓光可以達(dá)到較高的緊度。

中試紙機(jī)TMP新聞紙

圖5是在第一條假設(shè)條件下用100%TMP新聞紙在UMIST中試紙機(jī)上進(jìn)行壓光得到的結(jié)果。我們假設(shè)T的下降全部是由Z的下降引起的，那么計算得到的Z的下降值肯定比紙機(jī)縱向和橫向上的實際測量值要高很多。隨著紙張緊度的增加，Z下降的計算值可能高達(dá)80%,與之相對的紙張縱向和橫向上的測量值大概是8%和15%。

圖5也反映了對于TMP新聞紙的第二種假設(shè)。我們假設(shè)纖維自身損失不會導(dǎo)致強(qiáng)度下降，那么在紙張縱向和橫向上，測量的B值下降的程度和計算預(yù)計的差不多。

纖維自身損失會導(dǎo)致強(qiáng)度的輕微下降，強(qiáng)度的下降主要是由纖維間結(jié)合強(qiáng)度（結(jié)合面積）的下降引起的。由于中試紙機(jī)生產(chǎn)的紙張的初始緊度比期望的商用紙張的緊度低很多，所以TMP紙張需要經(jīng)過劇烈的壓光。中試紙機(jī)和商用紙機(jī)加工處理過程的不同之處，特別是在初始的紙頁成形和壓榨過程中的不同之處可以說明為什么中試紙機(jī)生產(chǎn)的紙張的初始緊度很低。

中試紙機(jī)RCF新聞紙

圖6是在第一條假設(shè)條件下用100%RCF新聞紙在中試紙機(jī)上進(jìn)行壓光得到的結(jié)果。我們假設(shè)T的下降全部是由Z的下降引起的，那么計算得到的Z的下降值肯定比紙機(jī)縱向和橫向上的實際測量值要高很多。隨著紙張緊度的增加，Z下降的計算值可能高達(dá)70%,然而紙張縱向和橫向上的測量值大概是23%和13%。

該圖也反映了第二條假設(shè)。我們假設(shè)纖維自身損失不會導(dǎo)致強(qiáng)度下降，那么在紙張縱向和橫向方向上，測量的B值下降的程度和計算預(yù)計的相近。

在壓光之前，RCF紙張的緊度比TMP紙張的高，但是比商用紙張的緊度要低很多。和TMP紙張一樣，在中試紙機(jī)上低強(qiáng)度的紙頁成形和壓榨處理過程生產(chǎn)了低緊度的RCF紙張。經(jīng)過壓光后，紙張的緊度可以達(dá)到實際新聞紙的緊度，這時候強(qiáng)度的損失在很大程度上是由纖維間結(jié)合強(qiáng)度的下降引起的。

結(jié) 論

我們的研究表明了新聞紙經(jīng)過壓光后其強(qiáng)度損失的主要原因是纖維間結(jié)合強(qiáng)度的下降。這個結(jié)果已經(jīng)被證明了，其中既包括壓光整飾的商業(yè)新聞紙，又包括緊度與實際新聞紙相近的各種紙張。在各種實驗中，我們比較了相同紙卷上壓光的和未壓光的紙張的強(qiáng)度。

盡管壓光采取的高強(qiáng)度操作會使中試紙張的緊度達(dá)到商品紙張的緊度范圍，但中試規(guī)模的機(jī)械壓光引起的纖維破壞的程度是比較低的。事實上，在商用車速和溫度條件下進(jìn)行的軟壓光和在中試機(jī)械壓光條件下進(jìn)行的壓光對紙張造成的纖維損失是一樣多的，但是這種情況造成纖維損失的程度要比把抗張強(qiáng)度的下降全部歸因于纖維自身強(qiáng)度的下降而所需要的纖維損失的程度少很多。

李建國編譯自：TAPPI JOURNAL VOL.2,NO.,3.8-12（2003）

2011－3－22