填料-纤维素原纤维复合材料可以改善纸张强度

填料-纤维素原纤维复合材料可以改善纸张强度

在超级压光纸的生产过程中添加填料不仅有助于提高纸张的光学性能、表面性能，还可以降低生产成本；但是，填料会降低纸张强度，从而使其应用受到制约。采用纳米纤维素可能会选择性地强化填料基质。在高岭土、碳酸钙并配合有一种阳离子添加剂的悬浮液中加入原纤维（微纤化纤维素、纳米纤维素），并将由此获得的填料-纤维素原纤维复合材料加到湿部，抄造的纸张在其强度相同的情况下填料的填加比例有可能得到增加。

1　填料-纤维素原纤维复合材料的作用机理

填料-纤维素原纤维复合材料的研发思路是：让填料颗粒与原纤维很好地结合在一起，再把获得的填料-纤维素复合材料加到湿部，从而使纸张产生多种效果：这种复合材料的作用与纤维相似，而且留着的效果也比较好；长纤维形成的网络不仅可以强化填料基质，而且还能阻止填料颗粒聚集在一起。

在高岭土或重质碳酸钙（GCC）中加入微纤化纤维素可以让彼此交织在一起。填料的几何尺寸和结构各不相同，由此而产生的效果也会不同。适当地加入一些阳离子淀粉可以促进填料和纤维素之间“交织”（coupling）。一般情况下，悬浮液的黏度和稳定性会增加。这说明悬浮液变得更黏稠了；而且，即使长时间不进行搅拌，这些固体也不会再次沉积在容器的底部。悬浮液的固含量可以达到30%甚至更高。

图1是填料-纤维素原纤维复合材料的制备及其应用的示意图。填料-纤维素原纤维复合材料的悬浮液与浆料（含有GCC和高岭土的超级压光纸的浆料）混合后用于抄造手抄片。为了进行比较，按照生产中的用量抄造手抄片。

图1　填料-纤维素原纤维复合材料的制备及其应用

2　长纤维形成的网络可以强化填料基质

通过加入原纤维和填料形成的复合材料，纸张的抗张强度得到了明显的改善。在实验范围内，这些纸张的抗张强度都比只加原纤维的纸张高，如图2所示。

由图2可见，以含有高岭土的手抄片为例，当手抄片的抗张指数为12 N·m/g时，在不添加原纤维的情况下高岭土的用量最高可以达到43%。在浆料中加入和传统生产用量相同的原纤维时，填料的用量最高可以达到46%。如果同时加入原纤维和填料，那么填料的用量可以提高到48%。此外，GCC和其他类型的原纤维也有助于提高填料的用量。

图2　纸张抗张指数与填料用量的关系

上述微纤化纤维素不仅是一种商业化的产品，也是从精磨浆中分离而得到的一种试验品。它们含有粒径较大的颗粒；因此，微纤化纤维素并不是狭义上的纳米纤维素。原纤维的长度短则几十微米，长则几百微米。

3　长纤维形成的网络可以防止填料聚集

和其他干强剂一样，纳米纤维素也可以提高抗张强度。与淀粉或合成干强剂等水溶性的聚合物不同的是，它们是比较大的固体颗粒，可以隔开填料颗粒，防止这些填料聚集在一起，以保证填料对光的散射能力。纳米纤维素的这些功能主要取决于它们的纯度。填料与粗糙的原纤维、纤维碎片的连接方式和它们与纸张纤维的连接方式基本相同；但是，这种连接方式无法改善纸张的性能。原纤维的直径越小，就越容易被填料颗粒包围，形成适宜的原纤维-填料复合材料，如图3所示。

图3　不同尺寸的原纤维和填料颗粒

纸张中的微纤化纤维素能让纤维和原纤维之间、原纤维和原纤维之间发生多重接触。微纤化纤维素越细，它们的比表面积就越大，与周围接触的机会就越多。接触面积的增加不仅对抗张强度有影响，也会影响纸张的其他性能。纸张的孔隙率和透气度缓慢下降，伸长率显著增加。图4显示了填料-纤维素原纤维复合材料在常规用量下给纸张性能及工艺带来的变化（图中“++”表示正效果最大，“-”表示负效果最大）。

图4　填料-纤维素原纤维复合材料在常规用量下给纸张性能及工艺带来的变化

微纤化纤维素在填料-纤维素原纤维复合材料的作用与磨浆的作用很相似；但是，二者之间存在着明显的区别。在这种情况下，浆料受到的作用力没有磨浆那么大；而且，与纤维长度及其结合力紧密相关的撕裂强度在此过程中完全不受影响，弯曲挺度也没有被破坏。

填料-纤维素原纤维复合材料的形成离不开阳离子淀粉，它是带有负电荷的纤维和不带电或带有负电荷的填料之间的桥梁，可以避免湿部出现填料聚集这样的情况。另外，添加絮凝剂也无法弥补留着的下降。原纤维在填料之间的作用可以通过不透明度的增加来体现。当填料粒子以独立的分子存在而没有聚集在一起形成较大的粒子时，填料的效果是最佳的，比如对光进行散射的效果。与此同时，白度没有发生明显的变化。

（刘莉晖编译）