以杨木高得率浆代替全化浆LWC纸中的阔叶木硫酸盐浆

全化浆低定量涂布纸（ＬＷＣ）主要用于快速热固胶版（ＨＳＷ０）彩印。

由于定量和涂布量较低，全化浆ＬＷＣ纸的强度、表面和结构性能对达到较好的印刷运行性能和较高的印刷质量均十分重要。

例如，抗张强度和伸长率较低会导致断纸，而内部结合力较低则会造成起泡及分层。

此外，不透明度、涂布覆盖率和表面平滑度较低则会导致较差的印刷质量。

在传统的全化浆涂布纸中，主要浆料为阔叶木漂白硫酸盐浆（ＨＢＫＰ）和针叶木漂白硫酸盐浆（ｓＢＫＰ）。

浆料的选择主要取决于最终产品的要求。

总体而言，由于ＳＢＫＰ纤维较长、结合能力较高，因此其主要起提高强度和运行性能的作用。

由于ＨＢＫＰ纤维长度较短且纤维长度分布较窄，可赋予纸张较好的表面平滑度。

ＳＢＫＰ在全化浆原纸中的含量范围一般为５％一５０％（剩余为ＨＢＫＰ）。

目前，造纸工作者正倾向于用高得率浆（ＨＹＰ）代替ＨＢＫＰ，将其作为一种经济有效的提高产品质量的方法。

这是因为ＨＹＰ的强度和白度可以达到与ＨＢＫＰ相似的水平，同时又能保持一些独特的性能，如松厚度高、比表面积大以及细小纤维含量高。

ＨＹＰ最初采用亚硫酸盐处理的化学热磨机械制浆法生产，传统上称为ｃＴＭＰ或ＢｃＴＭＰ，之后发展为基于碱性过氧化物的ＴＭＰ。

但ＨＹＰ的主导制浆工艺是ＢＣＴＭＰ，即首先在预浸段对木片进行亚硫酸盐预处理，然后磨浆。

磨浆后，将浆料漂白至８５％的白度。

根据产品用途的不同，可通过改变用碱量以及磨浆能耗对ＨＹＰ的松厚度和强度进行调整。

对不同阔叶木树种（如榉木、桦木、枫木、桉木、杨木）以及非木材纤维原料的ＨＹＰ进行了大量研究，以便进一步掌握其特性。

同时也对使用ＨＹＰ时与造纸相关的问题进行了研究，包括ＨＹＰ中存在的溶解胶体
国际造纸２００７年第２６卷第２期物质及其对纸张施胶的影响。

在各种树种中，杨木ＨＹＰ是替换全化浆ＬＷＣ纸中ＨＢＫＰ的首选。

尽管对ＨＹＰ的特性和应用进行了很多研究，但由于ＨＹＰ是一种化学机械浆，仍需研究ＨＹＰ对全化浆涂布纸的影响。

这些有待进一步研究的问题概括如下：
使用ＨＹＰ替代ＨＢＫＰ会导致纸张强度下降吗？与ＨＢＫＰ相比，杨木ＨＹＰ的纤维较短，且明显较粗，因此可以预期的是使用ＨＹＰ替代ＨＢＫＰ生产的原纸，其松厚度较高，纸张强度较低。

一项研究表明杨木ＨＹＰ适于生产强度低、松厚度高的纸种。

另一方面，ＨＢＫＰ和杨木ＨＹＰ的混合浆具有更高的抗张强度、抗张能量吸收和伸长率。

杨木ＨＹＰ有不同的游离度和松厚度，因此其对纸张强度会有较大影响，另外还与混用的硫酸盐浆的种类和游离度有关。

因此需要对此开展系统研究。

使用ＨＹＰ替代ＨＢＫＰ后在涂布过程中是否会导致纸张表面粗糙，为了达到相同的光泽度或平滑度是否需要更多的压光。

与化学浆相比，湿润后的ＴＭＰ或磨木浆中的粗大机械浆纤维显得更粗糙些，而ＨＹＰ是一种经过化学处理的机械浆，并且在全化浆原纸中只有部分硫酸盐浆被其替代，因此它在涂布过程中对表面变粗问题的影响是有限的。

需要面对下一个问题就是是否需要进一步压光从而达到相同的光泽度或平滑度。

使用ＨＹＰ替代ＨＢＫＰ是否会导致涂布覆盖率和适印性变差。

涂布覆盖率对于Ｌｗｃ来说十分重要，因为涂布量较低不足以完全覆盖原纸表面。

涂布覆盖率较差会导致印刷不均匀。

原纸的表面及结构特性，包括粗糙度、可压缩性，都会影响涂布覆盖率。

ＨＹＰ的使用可能会影响到所有这些表面结构参数，从而影响到涂布覆盖率。

问题在于这种影响是负面的还是正面的，以及程度如何。

万方数据
为解决上述问题，对使用ＨＹＰ替代ＨＢＫＰ后原纸、涂布纸及压光纸的性能进行了系统研究。

本文对ＬＷＣ原纸的机械特性进行了重点研究。

１实验
本研究中所使用的针叶木及阔叶木漂白硫酸盐浆（ｓＢＩ（Ｐ和ＨＢＫＰ）由美国北部一家工厂提供，杨木ＨＹＰ则由Ｔｅｍｂｅｃ公司提供。

ＳＢＫＰ由云杉制得，ＨＢＫＰ为８５％的阔叶木（杨木）和１５％的针叶木（松木）的混合漂白硫酸盐浆。

３种浆均为干态。

将２种硫酸盐浆分别磨浆到４１８ｍＬ和５５７ｍＬ的游离度。

杨木ＨＹＰ未进行磨浆，游离度为３４４ｍＬ。

本研究中所选用的硫酸盐浆游离度是以美国一家文化纸厂作为参考，浆料按以下比例进行混合：
・ＳＢＫＰ５０％：
・杨木ＨＹＰ分别为０、１０％、１５％、２０％、２５％和３０％；
・使用ＨＢＫＰ平衡浆料配比。

采用动态纸页成形器（ＤＳＦ；Ｎｏｒａｍ，ＰｏｉｎｔｅＣｌａｊｒｅ，加拿大魁北克）进行纸页成形。

抄纸过程中没有使用助留剂。

为模拟全化浆ＩＪＷｃ纸的生产，浆料上浆浓度为０．３％，ＤＳＦ的网速为１０００Ｈ∥ｍｉｎ。

纸张在５５２ｋＰａ和６９０ｋＰａ的压力下分别经过２次压榨。

压榨后的纸张在１５０℃的烘缸上干燥５ｍｉｎ。

原纸定量控制在４１ｇ／ｍ２。

大部分浆料的机械性能均按照ＰＡＰＴＡＣ标准方法进行测试。

动态抄纸器抄造的纸张均对纵横向的指标进行测定。

匀度使用Ａｍｂｅｎｅｃ仪器进行测定。

２结果与讨论
表１所列为ＨＢＫＰ、ＳＢＫＰ和杨木ＨＹＰ的性能。

从表１可以看出，与ＨＢＫＰ相比，杨木ＨＹＰ的细小纤维含量明显较高（分别为１４．９％和２４．８％）。

与ＨＢＫＰ相比，ＨＹＰ的纤维略短但更粗（分别为Ｏ．１２１ｍ∥ｍ和０．１５５ｍ∥ｍ）。

表２列出了由ＨＢＫＰ，ＳＢＩ（Ｐ和ＨＹＰ制得的标准手抄片的性能。

与ＨＢＫＰ相比，ＨＹＰ的松厚度更高（分别为１．７５ｃｍ３／ｇ和２．４２ｃｍ３／ｇ），而且光散射系数和不透明度也更高。

但是，由于松厚度更高，并且纤维长度略短、纤维强度低，ＨＹＰ的强度低于ＨＢＫＰ。

表１ＨＢＫＰ、ＳＢＫＰ和杨木ＨＹＰ的性能
在不同ＨＹＰ用量下，抄造原纸，测定其各项性能，实验结果为纵横向测定值的几何平均值。

表２ＨＢＫＰ、ＳＢＫＰ和ＨＹＰ抄造的标准手抄片（６０∥ｍ２）性能
２．１加拿大标准游离度（ＣＳＦ）
图１是使用ＨＹＰ后对混合浆料游离度的影响。

从图１可以看出，使用ＨＹＰ（最多为３０％）会使混合浆料的游离度略微下降。

由于生产低定量纸种时滤水
图ｌＨＹＰ对游离度的影响
ＷｏｒｌｄＰｕｌｐａｎｄＰａｐｅｒＶ０１．２６，Ｎｏ．２
万方数据
一般不成问题，使用ＨＹＰ将不会导致任何纸机滤水问题。

２．２松厚度
松厚度对不同纸种的机械性能和适印性都十分重要，低定量纸种尤其要求具有较好的弯曲挺度。

ＨＹＰ的主要优点是由于其纤维粗度较大，因而其松厚度较高。

使用ＨＹＰ替代ＨＢＫＰ可以使原纸的松厚度得到提高（见图２）。

替代量越大，松厚度提高得越多。

松厚度提高是由于ＨＹＰ中长纤维组分的粗度较高，以及纸张经成形和干燥后ＨＹＰ长纤维的低压缩性引起的。

由电子显微镜横截面图中可以观察到这一现象（见图３）。

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图２ＨＹＰ对松厚度的影响
１００９６ＨＹＰ纸
１００９６阔叶木硫酸盐浆纸
图３定量为６０∥ｍ２的ＨＹＰ纸张和
硫酸盐浆纸张的横截面图
２．３纸张匀度
通过口射线方法检测纸张匀度或定量的变化，并以定量标准偏差表述（进行点对点检测）。

图４表明，随着ＨＹＰ用量的增加，原纸的定量波动略有下降，这说明纸张匀度得到改进。

ＨＹＰ中的细小纤维和较国际造纸２００７年第２６卷第２期短纤维也有助于改进纸张匀度。

纸张匀度得以改进可以使原纸具有更好的强度和结构均匀性。

３．５。

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图４ＨＹＰ对原纸匀度的影响
２．４粗糙度
高的平滑度对于达到较好的涂布覆盖率十分重要，因为在生产Ｌｗｃ时涂布量较低。

使用ＰＰＳ测量粗糙度。

图５表明，使用ＨＹＰ后对纸张正面的ＰＰｓ粗糙度没有影响。

尽管与ＨＢＫＰ相比，ＨＹＰ的纤维较粗且可压溃性较差，但它同时也具有更多的细小纤维。

较高的细小纤维含量可以弥补纤维较粗和不可压溃所带来的不利影响。

但纸张反面的粗糙度略有提高。

这是由于细小纤维留着较差所导致纸张反面的细小纤维含量较低引起的。

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图５ＨＹＰ对ＰＰＳ粗糙度的影响
２．５透气度
原纸透气度低（即孔径小及弯曲度高）对达到较好的涂料保水性（即涂料渗透较少）十分重要。

通过Ｇｕｒｌｅｙ法检测透气度。

图６表明透气度随ＨＹＰ替代量的提高而降低。

这一点很令人吃惊，因为使用
图６ＨＹＰ对Ｇｕｒｌｅｙ透气度的影响
８
６
４
２
万方数据
ＨＹＰ会提高松厚度。

但这一点可以通过ＨＹＰ较高的细小纤维含量减小了纸张孔径同时提高弯曲度得到解释。

此外，匀度略微改进也有利于透气度的降低。

这一结论说明使用ＨＹＰ可以在高松厚度条件下保持涂料的保水性。

２．６抗张性能
纵向抗张性能（抗张强度和伸长率）是控制印刷车间断纸的主要因素。

图７和图８显示的是使用不同比例的ＨＹＰ时抗张指数和弹性模量的变化。

尽管ＨＹＰ的抗张强度远低于ＨＢＫＰ，但使用ＨＹＰ替代ＨＢＫＰ后，纸张的抗张指数和弹性模量并没有下降。

事实上，使用ＨＹＰ后纸张的抗张指数和弹性模量有所提高。

这一点清楚的表明ＨＹＰ和硫酸盐浆之间有协同效应。

因为与ＨＢＫＰ相比，ＨＹＰ实际上是一种强度较差的纤维（如表２，零距抗张强度较低），抗张强度的提高肯定是纤维间结合力上升的结果，这一点也可以从弹性模量提高中看出。

图７ＨＹＰ对抗张指数的影响
７００
６００
５００
４００
３００
２００
１００
图８ＨＹＰ对弹性模量的影响
ＨＹＰ用量对伸长率的影响却有所不同。

使用１０％的ＨＹＰ后伸长率略有降低，随着ＨＹＰ用量的上升伸长率趋于稳定（见图９）。

最初出现的伸长率下降是由于ＨＹＰ的伸长率远低于ＨＢＫＰ（如表２，分别为０．８０％和１．９８％）。

但伸长率同时也取决于纤维间的结合情况，结合越好越能发挥纤维的伸长潜能。

因此使用ＨＹＰ后纤维间结合力的增加弥补了ＨＹＰ纤维本身较低伸长带来的影响，使得当ＨＹＰ用量达到３０％
时伸长率没有明显变化。

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０．５
图９ＨＹＰ对伸长率的影响
随着ＨＹＰ用量的增加，抗张强度和弹性模量提高，伸长率的略微下降，抗张能量吸收（ＴＥＡ）基本保持不变（见图１０）。

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图１０ＨＹＰ对抗张能量吸收（ＴＥＡ）的影响尽管本次研究中未检测纸张弯曲挺度（Ｄ），但可以结合弹性模量（Ｅ）和纸张厚度（＾）按照以下公式进行预测：
Ｄ＝１／１２×Ｅ×＾３
使用ＨＹＰ后厚度以及弹性模量的提高，会使弯曲挺度显著提高。

因此，使用ＨＹＰ对低定量纸种很有益处。

２．７内结合强度和光散射系数
在生产全化浆ＬｗＣ纸时，内结合强度对消除胶印时的起泡和分层十分重要，而光散射系数则对不透明度很重要。

图１１说明当ＨＹＰ用量大于２０％时，内结合强度确实提高了。

当ＨＹＰ用量为２０％一３０％时，其内结合强度可提高１０％，这一点十分重要，
图１１ＨＹＰ对Ｓｃｏｔｔ结合强度的影响
ＷｏｒｌｄＰｕｌｐａｎｄＰ印ｅｒＶ０１．２６，Ｎｏ．２
万方数据
因为高速热固胶印过程中，较差的原纸内部结合可以导致起泡和分层问题。

内结合强度的提高与较高的抗张指数和弹性模量一致（见图７和图８）。

内结合强度的提高通常是由于结合面积增大，结合强度提高，或两者同时作用的结果。

图１２中的数据显示光散射系数只有略微提高（大多是在ＨＹＰ用量较低的情况下）。

这说明内结合强度的提高更大程度上是由于结
合面积的增大，因为分丝帚化程度较高，ＨＹＰ不能反射较多的光线。

图１２ＨＹＰ对光散射系数的影响
２．８撕裂指数和耐破指数
图１３表明，尽管ＨＹＰ的撕裂指数远低于ＨＢＫＰ，但其替代ＨＢＫＰ（最多为３０％）后对低定量原纸的撕裂指数不会有显著影响。

说明ＨＹＰ和硫酸盐浆之间有协同效应。

撕裂指数主要受纤维长度影响，同时也受纤维结合力的影响，特别是短纤维。

这就是为什么随着ＨＹＰ用量的上升撕裂指数保持稳定的原因。

尽管ＨＹＰ的平均纤维长度略低于ＨＢＫＰ，但结合强度的提高可以保持撕裂强度。

随着ＨＹＰ用量的上升耐破指数基本保持不变（见图１４）。

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图１３ＨＹＰ对撕裂指数的影响
２．９耐折度
全化浆ＬＷＣ纸需要良好的耐折强度，从而避免折叠时破裂。

耐折度通过ＭＩＴ耐折度仪进行检测，随着ＨＹＰ用量的上升并没有明显变化（见图１５）。

国际造纸２００７年第２６卷第２期
图１４ＨＹＰ对耐破指数的影响
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图１５ＨＹＰ对ＭＩＴ耐折度的影响
２．１０尺寸稳定性
尺寸稳定性（如印刷位置错误）在胶印中始终是一个很重要的问题，特别是浆料中含有机械浆时。

吸湿膨胀率（变形百分率与水分含量百分率之比）可以反映出纸张的尺寸稳定性。

ＨＹＰ用量低于２０％时吸湿膨胀率较为稳定（见图１６）。

当ＨＹＰ用量高于２０％时，原纸的吸湿膨胀率有所上升，这是由于结合力上升导致的。

该结果说明当ＨＹＰ替代ＨＢＫＰ的用量较大时（例如＞２０％）应注意纸张的尺寸稳定性。

但需要指出的是实验使用的是干浆，其本身就具有较好的尺寸稳定性。

此外，干燥程度对尺寸稳定性也具有较大的影响。

因此，需要对纸机实际生产的含ＨＹＰ的纸的尺寸稳定性作进一步研究。

０．１２
０．１０
Ｏ．０８
Ｏ．０６
０．０４
Ｏ．０２
图１６ＨＹＰ对吸湿膨胀率的影响
２．１１使用ＨＹＰ替代ＨＢＩ（Ｐ可以提高纸张强度的原因本研究得出的结论是ＨＹＰ中的粗大纤维通常对结合力较为不利。

通过以下３项机理对纤维间结合力上升的原因进行解释：
万方数据
纤维尺寸分布：虽然ＨＹＰ的平均纤维长度与ＨＢＫＰ较为相似（表１），但它具有更多的短纤维（如重均和数均纤维长度所示）。

此外，与ＨＢＫＰ相比，ＨＹＰ具有更高的细小纤维含量（分别为１４．９％和２４．８％）。

短纤维和细小纤维有助于在纤维间（甚至是在硫酸盐浆纤维间）形成更多的“搭桥”和“接触点”，因此能提高整体纤维之间的结合面积。

纤维表面分丝帚化程度高：图１７为ＨＹＰ纤维的扫描电子显微镜图像（ＳＥＭ）。

从图中可见，由于磨浆作用，ＨＹＰ的纤维表面分丝帚化程度较高。

这有助于提高纤维间结合面积和结合强度，尤其是在ＨＹＰ纤维和硫酸盐浆纤维之间。

有关文献认为细纤维对提高结合力来说是最为重要的参数。

ＨＹＰ中的细小纤维和ＨＹＰ表面的细纤维可以作为与硫酸盐浆纤维结合的定位点。

图１７典型ＨＹＰ纤维的电子显微镜图像
表面化学：作为化学机械浆，ＨＹＰ纤维表面的半纤维素含量高于硫酸盐浆。

较高的半纤维含量也有助于增强结合强度。

当然，要更好地理解本研究中的协同效应机理还需要开展更多的研究工作。

需要指出的是使用ＨＹＰ后对强度产生的协同作用取决于ＨＢＫＰ的游离度。

如果硫酸盐浆打浆后的游离度低于本研究的游离度，则使用ＨＹＰ后可能会降低纸张强度。

３结论
使用高得率浆（ＨＹＰ）替代阔叶木漂白硫酸盐浆（ＨＢＫＰ）可以提高纸张松厚度，对平滑度和透气度无负面影响。

对低定量纸张（４１∥ｍ２）来说，使用ＨＹＰ替代ＨＢＫＰ可以对强度产生协同作用。

特别是当ＨＹＰ用量为３０％时，对纸张的抗张强度、弹性模量、弯曲挺度和匀度都有促进作用。

其他性能参数，如抗张能量吸收（ＴＥＡ）、撕裂指数、耐破指数和耐折度，基本不受影响。

使用杨木ＨＹＰ替代ＨＢＫＰ（最多为３０％），在技术上是可行的，并且对全化浆ＬｗＣ原纸的生产是有益的。

受实验的限制，含ＨＹＰ的纸张的尺寸稳定性问题未能得到很好的解决，尚需进行深入的研究工作。

（责任编辑：李大力）
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供稿：生活用纸专业委员会
・１６・ＷｏｒＩｄＰｕＩｐａｎｄＰａｐｅｒ
ＶｏＩ．２６，Ｎｏ．２
万方数据。