填料-纖維素原纖維復(fù)合材料可以改善紙張強(qiáng)度

填料-纖維素原纖維復(fù)合材料可以改善紙張強(qiáng)度

在超級(jí)壓光紙的生產(chǎn)過(guò)程中添加填料不僅有助于提高紙張的光學(xué)性能、表面性能，還可以降低生產(chǎn)成本；但是，填料會(huì)降低紙張強(qiáng)度，從而使其應(yīng)用受到制約。采用納米纖維素可能會(huì)選擇性地強(qiáng)化填料基質(zhì)。在高嶺土、碳酸鈣并配合有一種陽(yáng)離子添加劑的懸浮液中加入原纖維（微纖化纖維素、納米纖維素），并將由此獲得的填料-纖維素原纖維復(fù)合材料加到濕部，抄造的紙張?jiān)谄鋸?qiáng)度相同的情況下填料的填加比例有可能得到增加。

1　填料-纖維素原纖維復(fù)合材料的作用機(jī)理

填料-纖維素原纖維復(fù)合材料的研發(fā)思路是：讓填料顆粒與原纖維很好地結(jié)合在一起，再把獲得的填料-纖維素復(fù)合材料加到濕部，從而使紙張產(chǎn)生多種效果：這種復(fù)合材料的作用與纖維相似，而且留著的效果也比較好；長(zhǎng)纖維形成的網(wǎng)絡(luò)不僅可以強(qiáng)化填料基質(zhì)，而且還能阻止填料顆粒聚集在一起。

在高嶺土或重質(zhì)碳酸鈣（GCC）中加入微纖化纖維素可以讓彼此交織在一起。填料的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)各不相同，由此而產(chǎn)生的效果也會(huì)不同。適當(dāng)?shù)丶尤胍恍╆?yáng)離子淀粉可以促進(jìn)填料和纖維素之間“交織”（coupling）。一般情況下，懸浮液的黏度和穩(wěn)定性會(huì)增加。這說(shuō)明懸浮液變得更黏稠了；而且，即使長(zhǎng)時(shí)間不進(jìn)行攪拌，這些固體也不會(huì)再次沉積在容器的底部。懸浮液的固含量可以達(dá)到30%甚至更高。

圖1是填料-纖維素原纖維復(fù)合材料的制備及其應(yīng)用的示意圖。填料-纖維素原纖維復(fù)合材料的懸浮液與漿料（含有GCC和高嶺土的超級(jí)壓光紙的漿料）混合后用于抄造手抄片。為了進(jìn)行比較，按照生產(chǎn)中的用量抄造手抄片。

圖1　填料-纖維素原纖維復(fù)合材料的制備及其應(yīng)用

2　長(zhǎng)纖維形成的網(wǎng)絡(luò)可以強(qiáng)化填料基質(zhì)

通過(guò)加入原纖維和填料形成的復(fù)合材料，紙張的抗張強(qiáng)度得到了明顯的改善。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，這些紙張的抗張強(qiáng)度都比只加原纖維的紙張高，如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，以含有高嶺土的手抄片為例，當(dāng)手抄片的抗張指數(shù)為12 N·m/g時(shí)，在不添加原纖維的情況下高嶺土的用量最高可以達(dá)到43%。在漿料中加入和傳統(tǒng)生產(chǎn)用量相同的原纖維時(shí)，填料的用量最高可以達(dá)到46%。如果同時(shí)加入原纖維和填料，那么填料的用量可以提高到48%。此外，GCC和其他類型的原纖維也有助于提高填料的用量。

圖2　紙張抗張指數(shù)與填料用量的關(guān)系

上述微纖化纖維素不僅是一種商業(yè)化的產(chǎn)品，也是從精磨漿中分離而得到的一種試驗(yàn)品。它們含有粒徑較大的顆粒；因此，微纖化纖維素并不是狹義上的納米纖維素。原纖維的長(zhǎng)度短則幾十微米，長(zhǎng)則幾百微米。

3　長(zhǎng)纖維形成的網(wǎng)絡(luò)可以防止填料聚集

和其他干強(qiáng)劑一樣，納米纖維素也可以提高抗張強(qiáng)度。與淀粉或合成干強(qiáng)劑等水溶性的聚合物不同的是，它們是比較大的固體顆粒，可以隔開(kāi)填料顆粒，防止這些填料聚集在一起，以保證填料對(duì)光的散射能力。納米纖維素的這些功能主要取決于它們的純度。填料與粗糙的原纖維、纖維碎片的連接方式和它們與紙張纖維的連接方式基本相同；但是，這種連接方式無(wú)法改善紙張的性能。原纖維的直徑越小，就越容易被填料顆粒包圍，形成適宜的原纖維-填料復(fù)合材料，如圖3所示。

圖3　不同尺寸的原纖維和填料顆粒

紙張中的微纖化纖維素能讓纖維和原纖維之間、原纖維和原纖維之間發(fā)生多重接觸。微纖化纖維素越細(xì)，它們的比表面積就越大，與周圍接觸的機(jī)會(huì)就越多。接觸面積的增加不僅對(duì)抗張強(qiáng)度有影響，也會(huì)影響紙張的其他性能。紙張的孔隙率和透氣度緩慢下降，伸長(zhǎng)率顯著增加。圖4顯示了填料-纖維素原纖維復(fù)合材料在常規(guī)用量下給紙張性能及工藝帶來(lái)的變化（圖中“++”表示正效果最大，“-”表示負(fù)效果最大）。

圖4　填料-纖維素原纖維復(fù)合材料在常規(guī)用量下給紙張性能及工藝帶來(lái)的變化

微纖化纖維素在填料-纖維素原纖維復(fù)合材料的作用與磨漿的作用很相似；但是，二者之間存在著明顯的區(qū)別。在這種情況下，漿料受到的作用力沒(méi)有磨漿那么大；而且，與纖維長(zhǎng)度及其結(jié)合力緊密相關(guān)的撕裂強(qiáng)度在此過(guò)程中完全不受影響，彎曲挺度也沒(méi)有被破壞。

填料-纖維素原纖維復(fù)合材料的形成離不開(kāi)陽(yáng)離子淀粉，它是帶有負(fù)電荷的纖維和不帶電或帶有負(fù)電荷的填料之間的橋梁，可以避免濕部出現(xiàn)填料聚集這樣的情況。另外，添加絮凝劑也無(wú)法彌補(bǔ)留著的下降。原纖維在填料之間的作用可以通過(guò)不透明度的增加來(lái)體現(xiàn)。當(dāng)填料粒子以獨(dú)立的分子存在而沒(méi)有聚集在一起形成較大的粒子時(shí)，填料的效果是最佳的，比如對(duì)光進(jìn)行散射的效果。與此同時(shí)，白度沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。

（劉莉暉編譯）