利用黏性聚合物改善湿纸幅强度

纸张中纤维和纤维之间的黏合称为“结合力”，这是影响成纸强度性能的关键。对于刚成形的湿纸幅，纤维与纤维之间未形成明显的黏结强度。随着湿纸幅中水分的脱除，当纸幅达到特定的干度时，纤维和纤维之间开始形成黏结力，赋予湿纸幅强度。关于利用聚合物提高成形湿纸幅中纤维和纤维之间结合强度的研究较少。该文探讨了利用聚合物通过纤维间结合作用改善湿纸幅强度的机理和可能性。结果表明，利用聚合物处理纤维能够改善湿纸幅强度，但是大部分常规聚合物的改善效果较差。

诸多文献指出，浆料种类、填料和其他造纸参数均会对刚成形的湿纸幅强度产生影响，但本文重点探讨黏性聚合物（adhesive polymers）改善纤维和纤维间湿态黏合力提高湿纸幅强度的机理。

未添加聚合物时，由于纤维和纤维之间的相互排斥（静电排斥或空间排斥），植物纤维浆料分散液中纤维间没有产生黏结作用。在低浓纸浆悬浮液中，柔软的纤维会因相互缠结而产生絮聚。湿纸幅强度的最经典理论是主要依靠毛细管作用力使得纤维之间接触，研究人员通过修正其纸张抗张强度模型分析了毛细管作用力及纤维长度和粗度对湿纸幅强度的影响。

研究人员评估了湿纸幅经典理论，并提出在固含量较高的情况下，湿纸幅强度是缠结摩擦力和纤维间胶粘组分的联合作用结果，这涉及到拉开机械缠结的长纤维所用的力。因此这取决于纤维长度、柔软性和摩擦系数，然而缠结对固含量并不是特别敏感。

湿纸幅的强度是由纤维间结合作用和非结合作用的综合贡献结果，如图1所示。当自由水脱除时，毛细管作用力这种非结合作用的贡献会消失，但缠结力会随着固含量的增加而增加。非结合贡献（缠结力、毛细管作用力等）的具体特性仍然是个悬而未决的问题。本文重点分析利用聚合物通过纤维间结合作用改善湿纸幅强度，即改变图1纤维和纤维之间的结合强度曲线走向，使其向左上方移动。

湿纸幅在含有黏性聚合物时，其机械强度机理较为复杂，因为聚电解质可以改善滤水特性，干度较高的纸幅强度更好。聚合物也可以通过增加细小纤维沉积和纤维絮聚而改变纸幅结构，从而改善湿纸幅强度。因此，改善湿纸幅强度的聚合物不会影响纤维和纤维间的结合或摩擦。

图1 湿纸幅强度的组成

1 实验方法

为了测定纤维和纤维间的结合作用对湿纸幅强度的贡献，需要从湿纸幅强度中分离出非结合作用的贡献（缠结摩擦、毛细管作用力），因此开发了物理模型模拟干燥过的和未经干燥过的纤维-纤维湿态结合。图2所示为湿剥离过程，经TEMPO氧化处理的再生纤维素膜[用于引入带电荷基团（羧基）和反应性醛基]吸附聚合物后组装叠合，然后对双层纤维素膜进行剥离。该方法速度快、重复性好，且对优选黏性聚合物有效。

图2 湿剥离法测定经聚合物处理的再生纤维素膜表面之间未干燥的黏结强度

利用湿剥离法能够评估不同黏性聚合物对纤维和纤维之间黏结性的作用机理。图3所示为1种或2种黏性聚合物胶粘剂的理想示意图。

图3 1种或2种黏性聚合物对纤维-纤维连接的示意图

在造纸过程中，黏性聚合物在湿部吸附在纤维上，在成形阶段，涂覆有聚合物的纤维聚集在一起形成湿态纤维-纤维连接网络，此为图3所示的αα连接；αββα连接形式主要是针对连续吸附在纤维上的2种聚合物；PEC为聚电解质复合物，是带相反电荷的聚合物在水中混合形成胶体水凝胶颗粒；LbL连接形式为湿部带相反电荷的聚合物层层顺序吸附；α和d-Г 2种连接方式在常规造纸过程中并不会形成，α连接是由吸附有聚合物的纤维与未吸附聚合物纤维结合形成，d-Г连接是在纤维之间具有厚厚的聚合物层，Г是连接处的黏性聚合物覆盖率，单位用“mg/m2”表示。这些非常规连接可以在湿剥离试验中制备产生并进行测试，提供机械强度信息。

文献中对于单独一种聚合物通过促进纤维-纤维之间的黏结提高湿纸幅强度的实例很少。阳离子双醛淀粉（CAS）的示例结果如图4所示（采用“湿裂断长”表示湿纸幅抗张强度），为阳离子双醛淀粉处理前后湿抗张强度与纸幅干度之间的关系图。无论纸幅干度的高低阳离子双醛淀粉均能够改善湿抗张强度，纸机中试试验可以获得类似的增强效果，但是利用常规的阳离子淀粉并不能提高湿纸幅强度。

2 结果与讨论

图4 阳离子双醛淀粉对未干燥漂白硫酸盐混合浆手抄片湿抗张强度的影响

利用湿剥离法检测分析多种聚合物改善湿纸幅纤维-纤维黏结的作用效果。实验中开展了一系列不同含水量薄膜的湿剥离测试，表1所示为多种聚合物处理2种纤维素膜之后的实验结果。表中：“氧化再生纤维素膜”为TEMPO氧化再生纤维素膜；“可逆沉积再生纤维素膜”为羧甲基纤维素可逆沉积再生纤维素膜；“剥离力”为含水量为质量分数55%时多层薄膜的内插湿剥离力（评估标准：剥离力＞40 N/m，表示非常大；剥离力＞20 N/m，表示大；剥离力＞10 N/m，表示为小；剥离力＜10 N/m，表示非常小）。

表1的结果表明聚合物种类和结合结构（如图3所示）都很重要。对于单独一种聚合物而言，α连接比αα连接强度更高。但是连接强度最高的为乙二醛阳离子聚丙烯酰胺（GCPAM）（β层）吸附在CMC处理后的纤维素（α层）表面的αββα连接。GCPAM可以形成表面为CMC层的聚电解质复合物。醛基也可以与其他GCPAM分子或CMC分子形成交联基团，研究人员关于湿纸幅αββα连接也得出类似的结论，其中β聚合物是用壳聚糖替代GCPAM。

表1 黏性聚合物种类、纤维素处理方法和连接方式对未干燥湿剥离强度的影响

图5为经壳聚糖处理和未经处理的可逆沉积再生纤维素膜（gCMC）纤维成形纸幅的强度。图中：“干燥过”表示干燥过的试样为在室温下干燥的再湿纸幅；“未干燥过”表示未干燥过的试样为从未干燥过的湿纸幅。

图5 经壳聚糖处理和未经处理的可逆沉积再生纤维素膜纤维成形纸幅的强度

图5所示CMC处理纤维具有较低的湿纸幅强度（如αα连接），但CMC处理之后再进行壳聚糖处理可以获得较高的湿纸幅强度。当纸幅中的水分脱除至接近干燥纸张时，2种方式处理后的湿抗张强度相近。

从图5也可以看出，干燥过的和未干燥的纤维素膜结果相似。这些实验结果与我们常规认识有所差距，例如，聚酰胺环氧氯丙烷树脂（PAE）是一种常用的湿强剂，纸张干燥后能够赋予纸张较高的湿强度，促进接枝和交联，但是PAE并不能改善湿纸幅的黏结强度以及湿剥离力（如表1）。

3 结论

利用聚合物处理纤维能够改善湿纸幅强度，但是大部分常规聚合物的改善效果较差。

（1）在湿部体系中，纤维表面吸附高电荷、非反应型水溶聚合物不会改善湿纸幅强度，产生的αα连接较弱，因为①较薄的黏结层必须接枝到纤维表面；②静电排斥抑制聚合物-聚合物接触，从而抑制2层聚合物层在湿态下的接触聚合。带弱电荷的胶粘剂具有反应性，可以自交联并与纤维接枝，从而为湿纸幅提供胶粘强度，阳离子双醛淀粉即属于该类聚合物。

（2）用带有相反电荷的2种聚合物连续处理纸浆悬浮液，且黏附在纤维的第一聚合物层为与纤维相反的电荷（例如α连接），能够赋予湿纸幅强度。例如可逆沉积再生纤维素膜（gCMC）+阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）或可逆沉积再生纤维素膜（gCMC）+聚乙烯醇（PVAm）。

（3）纸浆纤维通过吸附1层或2层聚合物在表面形成胶粘层，湿纸幅的黏结需要聚合物共价接枝到纤维表面。在较厚的多层吸附层状况下，接枝并没有那么重要。