提升纸张强度的近期研究进展
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本文对国内外提升纸张强度的方法进行搜集归纳，概括为通过添加无机填料、浆内添加高分子、表面 施胶、表面溶解、纳米纤维涂层等方法来提高纸张强度，并对各种方法进行了机理、优缺点分析，为开发 更多高强纸张提供思路。
1 无机填料
造纸时在纸浆中加入物理填料，具有成本低、工艺简单，且能提高纸张的白度和硬度的优势。除了简 单的物理共混，对填料进行预处理或表面改性或改变纤维形状都可以达到改善填料与纸浆纤维的界面结合 性从而提升纸张强度。
目的是为制造新型高强纸张提供思路。
关键词：纸张；强度；增强
中图分类号：TS762.6
文献标识码：A
纸张是由植物纤维和非植物纤维（无机纤维、化学纤维、金属纤维）为原料，处理成纸浆后进行抄、 烘、压等工艺制备而成[1]。常说的纸张是植物来源的纸张，其化学成分主要是天然高分子-纤维素、半纤维 素、木质素，微观形态是直径微米到毫米级别的植物纤维交织成的网络结构，纤维间相互缠绕，并存在大 量氢键作用，使得纸张具有力学强度[2]。纸作为环保、可再生、可降解资源[3]，符合可持续发展倡导的绿 色产品，但是当前纸张还存在一些问题，强度弱是其中一个问题，限制了纸张在一些场合的应用，例如文 物衬纸、包装、墙纸等对力学强度有更高的要求。
收稿日期：2019-05-31 基金项目：国家自然科学基金（31870535、51603059）；中央高校基本科研业务费专项资金（106-4115100027）；博士后基金
（203-211000091）。 作者简介：张 燕（1995~），女，硕士研究生；研究方向：纤维素基功能衍生物。1779823575@ ∗ 通讯作者：王慧庆（1983~），女，博士，讲师；研究方向：纤维素基功能材料。huiqing.wang@
与纸张纤维的内部结合力，从而提高纸张力学性能。此外无机填料还可以使纸张高温保持力学强度，如图 1c 所示，Dong 等[9]用磷灰石纳米复合宣纸在 400℃高温条件下仍能保持较好的力学强度，生纸常温拉伸强
度 55.0 N，但易燃，400℃下化为灰烬，而磷灰石纳米复合宣纸在 200℃仍保留 54 N 的力学强度，400℃也
1.2 纤维状无机填料 纤维状无机填料是一种类似纤维状结构的新型填料，其长径比很高（10∶1～50∶1）[10]，高长径比的
纤维状填料不仅自身在纸张中比球形填料有更高的留着率，还可提高纸浆细小纤维及造纸湿部助剂的留着 率[11]，而且无机纤维与纸浆纤维之间相互缠绕成网状结构，实现对纸张增强、增韧。将硅酸铝纤维加入纸 浆后，纸的灰分和填料留着率均提高，加入量控制在 10%以内，纸张基本能够达到强度要求，且撕裂指数 基本上保持不变，加入量为 10%的时候，纸张抗张指数为 35.72 N·m/g，撕裂指数为 15.6 mN·m2/g。碳酸 钙晶须的直径约 4 μm，长度 50 μm～55 μm，在针叶木漂白硫酸盐浆中加入 5%碳酸钙晶须[11]，碳酸钙晶须
第 27 卷第 4 期 2019 年 12 月
纤维素科学与技术 Journal of Cellulose Science and Technology
文章编号：1004-8405(2019)04-0057-10
DOI: 10.16561/ki.xws.2019.04.09
提升纸张强度的近期研究进展
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纤维素科学与技术
第 27 卷
起了图 1a、1b 所示的桥梁作用[4]，在细小纤维/填料干质量比为 0.8 时，纸张抗张指数达最大值 49 N·m/g； 而撕裂指数却是在比值为 0.3 时最高，达 11.0 mN·m2/g。Chauhan 等[5]对滑石粉填料用 0.8%阳离子淀粉预 絮聚，使得纸的抗张指数从 34.4 N·m/g 增加到 36.9 N·m/g。Shang 等[6]对硅藻土填料用淀粉-脂肪酸进行包 覆（质量比为 1∶1）后添加到纸浆中，添加量为 4%时纸的抗张指数可达 46 N·m/g。Fan 等[7]对重质碳酸 钙用淀粉/硬脂酸钠包覆，添加固含量为 20%，纸张的抗张指数和耐破指数约为 72.5 N·m/g 和 8 KPa·m2/g。 吴养育等[8]将活性硅酸钙在 50～100℃热水中搅拌活化成乳浊液，促使填料在纸浆中混合均匀，增加填料
1.1 预处理改性球形颗粒填料 常用无机填料如滑石粉、粉煤灰基硅酸钙、沉淀碳酸钙和硅藻土呈球形颗粒，与纸张纤维间没有明显
作用力，且球体结构与纸张纤维间存在一定界面空隙，通过需要对这些无机填料进行预处理增加填料与纸 浆纤维间的粘合作用。例如将粉煤灰基硅酸钙与一些细小纤维共絮聚，细小纤维在填料和纸浆纤维之间搭
Vol. 27 No. 4 Dec. 2019
张 燕， 鲁传虎， 沈晓飞， 王超君， 张铭涛， 刘玉鑫， 王慧庆*
（合肥工业大学 化学与化工学院高分子系，安徽 合肥 230000）
摘 要：对各种提升纸张强度的方法进行了总结，主要包含添加无机填料、浆内添加高分子、表面施
胶、表面溶解、纳米纤维涂层等方法，并尝试解释了各种方法的增强机理，讨论了各种方法的优缺点，
第4期
பைடு நூலகம்
张 燕等：提升纸张强度的近期研究进展
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晶须存在于纸纤维之间、晶须连接相邻纸纤维缝隙、晶须对纸纤维交叉点进行铆钉、晶须完全嵌入纸纤维 壁中四种方式均匀分布（如图 1d 所示），使得纸张受力均匀，纸张抗张指数增加 52.3%，达到 58 N·m/g。 磷石膏晶须也是纤维状无机填料，但其在水中的溶解度较大，廖夏林等[12]对磷石膏晶须表面包覆壳聚糖， 降低石膏晶须水中溶解性，增加留着率，添加 4%壳聚糖改性石膏晶须的纸张抗张指数达 41.38 N·m/g。
能保持 42.6 N。总之，对无机填料经活化、包覆、共絮聚、预絮聚等预处理后，与纸浆纤维界面结合性增
加从而显著提升纸张的抗张强度和撕裂强度。
a
b
c
d
纤维
碳酸钙晶须
3
2
1 4
图 1 细小纤维桥联球形填料与纸浆纤维[4]（a），此纸的 SEM 图像[4]（b），防火磷灰石宣纸[9]（c）， 碳酸钙晶须在纸浆纤维中存在的四种形式[11]（d）
1 无机填料
造纸时在纸浆中加入物理填料，具有成本低、工艺简单，且能提高纸张的白度和硬度的优势。除了简 单的物理共混，对填料进行预处理或表面改性或改变纤维形状都可以达到改善填料与纸浆纤维的界面结合 性从而提升纸张强度。
目的是为制造新型高强纸张提供思路。
关键词：纸张；强度；增强
中图分类号：TS762.6
文献标识码：A
纸张是由植物纤维和非植物纤维（无机纤维、化学纤维、金属纤维）为原料，处理成纸浆后进行抄、 烘、压等工艺制备而成[1]。常说的纸张是植物来源的纸张，其化学成分主要是天然高分子-纤维素、半纤维 素、木质素，微观形态是直径微米到毫米级别的植物纤维交织成的网络结构，纤维间相互缠绕，并存在大 量氢键作用，使得纸张具有力学强度[2]。纸作为环保、可再生、可降解资源[3]，符合可持续发展倡导的绿 色产品，但是当前纸张还存在一些问题，强度弱是其中一个问题，限制了纸张在一些场合的应用，例如文 物衬纸、包装、墙纸等对力学强度有更高的要求。
收稿日期：2019-05-31 基金项目：国家自然科学基金（31870535、51603059）；中央高校基本科研业务费专项资金（106-4115100027）；博士后基金
（203-211000091）。 作者简介：张 燕（1995~），女，硕士研究生；研究方向：纤维素基功能衍生物。1779823575@ ∗ 通讯作者：王慧庆（1983~），女，博士，讲师；研究方向：纤维素基功能材料。huiqing.wang@
与纸张纤维的内部结合力，从而提高纸张力学性能。此外无机填料还可以使纸张高温保持力学强度，如图 1c 所示，Dong 等[9]用磷灰石纳米复合宣纸在 400℃高温条件下仍能保持较好的力学强度，生纸常温拉伸强
度 55.0 N，但易燃，400℃下化为灰烬，而磷灰石纳米复合宣纸在 200℃仍保留 54 N 的力学强度，400℃也
1.2 纤维状无机填料 纤维状无机填料是一种类似纤维状结构的新型填料，其长径比很高（10∶1～50∶1）[10]，高长径比的
纤维状填料不仅自身在纸张中比球形填料有更高的留着率，还可提高纸浆细小纤维及造纸湿部助剂的留着 率[11]，而且无机纤维与纸浆纤维之间相互缠绕成网状结构，实现对纸张增强、增韧。将硅酸铝纤维加入纸 浆后，纸的灰分和填料留着率均提高，加入量控制在 10%以内，纸张基本能够达到强度要求，且撕裂指数 基本上保持不变，加入量为 10%的时候，纸张抗张指数为 35.72 N·m/g，撕裂指数为 15.6 mN·m2/g。碳酸 钙晶须的直径约 4 μm，长度 50 μm～55 μm，在针叶木漂白硫酸盐浆中加入 5%碳酸钙晶须[11]，碳酸钙晶须
第 27 卷第 4 期 2019 年 12 月
纤维素科学与技术 Journal of Cellulose Science and Technology
文章编号：1004-8405(2019)04-0057-10
DOI: 10.16561/ki.xws.2019.04.09
提升纸张强度的近期研究进展
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纤维素科学与技术
第 27 卷
起了图 1a、1b 所示的桥梁作用[4]，在细小纤维/填料干质量比为 0.8 时，纸张抗张指数达最大值 49 N·m/g； 而撕裂指数却是在比值为 0.3 时最高，达 11.0 mN·m2/g。Chauhan 等[5]对滑石粉填料用 0.8%阳离子淀粉预 絮聚，使得纸的抗张指数从 34.4 N·m/g 增加到 36.9 N·m/g。Shang 等[6]对硅藻土填料用淀粉-脂肪酸进行包 覆（质量比为 1∶1）后添加到纸浆中，添加量为 4%时纸的抗张指数可达 46 N·m/g。Fan 等[7]对重质碳酸 钙用淀粉/硬脂酸钠包覆，添加固含量为 20%，纸张的抗张指数和耐破指数约为 72.5 N·m/g 和 8 KPa·m2/g。 吴养育等[8]将活性硅酸钙在 50～100℃热水中搅拌活化成乳浊液，促使填料在纸浆中混合均匀，增加填料
1.1 预处理改性球形颗粒填料 常用无机填料如滑石粉、粉煤灰基硅酸钙、沉淀碳酸钙和硅藻土呈球形颗粒，与纸张纤维间没有明显
作用力，且球体结构与纸张纤维间存在一定界面空隙，通过需要对这些无机填料进行预处理增加填料与纸 浆纤维间的粘合作用。例如将粉煤灰基硅酸钙与一些细小纤维共絮聚，细小纤维在填料和纸浆纤维之间搭
Vol. 27 No. 4 Dec. 2019
张 燕， 鲁传虎， 沈晓飞， 王超君， 张铭涛， 刘玉鑫， 王慧庆*
（合肥工业大学 化学与化工学院高分子系，安徽 合肥 230000）
摘 要：对各种提升纸张强度的方法进行了总结，主要包含添加无机填料、浆内添加高分子、表面施
胶、表面溶解、纳米纤维涂层等方法，并尝试解释了各种方法的增强机理，讨论了各种方法的优缺点，
第4期
பைடு நூலகம்
张 燕等：提升纸张强度的近期研究进展
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晶须存在于纸纤维之间、晶须连接相邻纸纤维缝隙、晶须对纸纤维交叉点进行铆钉、晶须完全嵌入纸纤维 壁中四种方式均匀分布（如图 1d 所示），使得纸张受力均匀，纸张抗张指数增加 52.3%，达到 58 N·m/g。 磷石膏晶须也是纤维状无机填料，但其在水中的溶解度较大，廖夏林等[12]对磷石膏晶须表面包覆壳聚糖， 降低石膏晶须水中溶解性，增加留着率，添加 4%壳聚糖改性石膏晶须的纸张抗张指数达 41.38 N·m/g。
能保持 42.6 N。总之，对无机填料经活化、包覆、共絮聚、预絮聚等预处理后，与纸浆纤维界面结合性增
加从而显著提升纸张的抗张强度和撕裂强度。
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纤维
碳酸钙晶须
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图 1 细小纤维桥联球形填料与纸浆纤维[4]（a），此纸的 SEM 图像[4]（b），防火磷灰石宣纸[9]（c）， 碳酸钙晶须在纸浆纤维中存在的四种形式[11]（d）