全 文 ：如何在较低投资和成本下使纸张强度得到改善
已受到普遍关注。 添加诸如具有特殊纤维规格或强
度等特性的纤维可望起到提高纸张强度性能的
效果。
蕉麻纤维可从芭蕉科的蕉麻叶稍中获得，也可从
芭蕉中获得。 在菲律宾和厄瓜多尔，商用蕉麻的产量
很大。 在世界商业范围内，蕉麻纸浆多用烧碱和碱性
亚硫酸盐法制得，其中碱性亚硫酸盐法更为普遍。 尽
管如此，中性亚硫酸盐半化学法制浆已被证实是既环
保又经济的方法，这种制浆方法同样可以提高纸张的
强度性能。 蕉麻也应用于一些需要具有一定强度和
透气度的特种纸中，比如卷烟纸、滤纸和纸币用纸。
如表 1 所示，蕉麻的纤维长，强度高而且粗糙度分
布窄。
已经有研究将蕉麻纤维作为一种增强纤维而应
用于磨木浆、阔叶木浆和废纸浆中。 将蕉麻与云杉作
为增强纤维应用于预热法木片磨木浆中，并比较了它
们的应用效果。 实验中用到 2种蕉麻纤维，一种纤维
较细，另一种纤维较粗。 研究发现，添加蕉麻的纸页
比添加云杉的纸页具有更高的抗张指数和裂断韧性，
较粗的蕉麻纤维使纸张的强度提高最多。 研究证实
了蕉麻是一种用于纸币纸用浆的非常好的原材料。
用蕉麻（80%～50%）和金合欢树（20%～50%）的混合
浆抄造的纸页比标准钞票用纸的撕裂度和抗张指数
都要高。 将 5%的中性亚硫酸盐半化学蕉麻浆作为增
强纤维用于回收纤维中可充分满足纸张的印刷和书
写性能， 并且可使纸张获得与加入 20%针叶木化学
浆相近的强度性能， 也发现加入蕉麻的回收废纸比
加入漂白针叶木纸浆的纸页强度性能更好。
最近，关于蕉麻加入到阔叶木浆后对撕裂度的影
响也有相关的报道。 研究发现，随着蕉麻的加入，纸
张的撕裂度得到了提高，其提高程度比预想的线性增
长还高。 含蕉麻 25%质量分数的纸页的撕裂度几乎
是纯阔叶木浆纸页的 3倍。
蕉麻与化学针叶木浆之间的反应机理尚未完全
研究清楚。本实验旨在研究蕉麻与针叶木硫酸盐浆的
反应，从而确定蕉麻在化学针叶木浆中的增强特性。
1 材料与方法
1.1 材料
实验所用浆料有经气流干燥的未漂针叶木硫酸
盐浆和漂白蕉麻中性亚硫酸盐蒽醌浆。 表 1 列出了
文献中提到的针叶木浆和蕉麻浆的性质和实验所用
特殊纸浆的参数。 浆料的黏度要在磨浆前测定，浆料
性能
纸浆
针叶木 蕉麻
纤维平均长度/mm
粗糙度/（μg·m-1）
卷曲指数/%
湿纤维柔韧指数
保水值/（g·g-1）
零距抗张指数/（N·m·g-1）
卡伯值
黏度/（mL·g-1）
初始滤阻性能/°SR
纤维直径/μm
细胞壁厚度/μm
细胞腔宽度/μm
2.05
173
16.8
37.2
1.17
120
28.3
1240
12.4
25～301)
2.2
10～30
3.20
155
22.7
37.1
1.26
155
7.01
925
17.1
19（6～53）1）
4.4（1.6～16）1）
12（1～33）1）
表 1 实验所用浆料的性质
注 1）：括号内数值来自其他文献数据。
作为针叶木浆增强的蕉麻纤维
研究了将中性亚硫酸盐蕉麻（abaca）浆添加到针叶木硫酸盐浆中后对纸页强度性能的影响。 实验
制备了标准均质纸页（手抄片）和有纵横向之分的动态成形非均质纸页（机制纸）。 在既定的磨浆能耗
下，与针叶木浆相比，纯蕉麻纸浆的撕裂度和抗张强度更高。 添加了蕉麻的针叶木浆生产出的均质纸
页的撕裂度、裂断韧性和耐折度都有所提高。 虽然均质纸页的抗张挺度与蕉麻含量无关，但是随着蕉
麻添加量的增加，均质纸页的抗张强度却稍微有所下降，这可能是因为蕉麻的加入导致紧度降低了。
非匀质纸页与均质纸页表现的趋势一样，其撕裂度和裂断韧性随着蕉麻含量的增加而增加。虽然抗张
强度与抗张挺度只受到所加入蕉麻的较小影响， 但是纯蕉麻纸页强度的几何平均值比纯针叶木纸页
要稍微高些。 工厂可通过在针叶木浆中加入蕉麻纤维以提高纸张的强度性能。
第 21 卷第 1 期
2009 年 2 月
造 纸 化 学 品
PAPER CHEMICALS
Vol. 21 No. 1
Feb. 2009
2 结果与讨论
实验所测数据以平均值和标准偏差的形式给出。
实验数值符合规定标准。 图 5 至图 7 中的实直线揭
示了蕉麻含量与纸页强度性能的线性关系。
2.1 打浆性能
纸浆在削角为 60°，单位边缘负荷为 3.0 Ws/m 的
Escher-Wyss 锥形磨浆机中进行磨浆。 在不同的磨浆
能耗下取出浆样，测定其脱水阻力、抗张强度和撕裂
度。 结果如图 1至图 3所示。
从图 1 可以看出，在给定脱水阻力下，蕉麻比针
叶木所需的磨浆能耗少 。 在磨浆能耗接近于 350
kW·h/t 时，蕉麻的脱水阻力就已经达到稳定，大概在
80 °SR。 随着磨浆能耗的进一步提高，脱水阻力几乎
不受影响。在磨浆能耗小于 500 kW·h/t的范围里，针
叶木的脱水阻力并没有像蕉麻那样的稳定阶段，而是
一直增加的。
如图 2所示，脱水阻力在 10～25 °SR 时，针叶木
图 2 针叶木浆和蕉麻浆抗张指数的脱水阻力函数
N
m
°
纸页类型 w（针叶木）∶w（蕉麻）
均质纸页Ⅰ
均质纸页Ⅱ
非均质纸
100∶0 85∶15 80∶20 75∶25 0∶100
100∶0 90∶10 80∶20 70∶30 60∶40 50∶50 40∶60 30∶70 20∶80 10∶90 0∶100
100∶0 85∶15 0∶100
表 2 测试纸页系列的纸浆组成 %
的其他所有性质要在磨浆前并脱水 15 min 后进行
测定。
1.2 方法
纸浆的卡伯值和黏度分别根据 ISO 302和ISO 5351
进行测定。 纤维长度和纤维长度分布由纸浆质量监
测器 -PQM 1000 测得。 纤维的粗糙度和卷曲指数用
STFI Fiber Master 测定。保水值利用 SCAN-C62：00测
定。湿纤维的柔韧性经 Steadman-Mohlin法测得。纸浆
单独在 Escher-Wyss 锥形磨浆机中精磨，磨浆机削角
为 60°，单位边缘负荷为 30 Ws/m。根据 ISO 5267-1：00
测得针叶木浆的精磨速率为 240 kW·h/t， 脱水阻力
为 27 °SR。 蕉麻浆的精磨速率为 46 kW·h/t，脱水阻
力为 20 °SR。 使用前将精磨蕉麻浆脱水并贮藏在冷
冻室里。 在制备纸浆悬浮液前， 所有纸浆都需在
10 000转速下进行疏解。
根据 ISO 5269-1：00，实验制得了定量为 60 g/m2的
均质纸页。所制均质纸页分为 2个系列。 第 1系列的
均质纸页中蕉麻质量所占比例分别为 ：0%、15%、
20%、25%和 100%。 第 2系列中蕉麻质量所占比例则
分别为：0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、
80%、90%和 100%（见表 2）。 在转速为 1 200 r/min和
喷射压力为 2 ×105 Pa 的条件下，定量同样为 60 g/m2
的非均质纸在 Formette动态纸页成形器上生产出来。
非均质纸经 2 次辊式压榨。 第 1 次压力为 0.6 MPa，
第 2 次的压力为 1.6 MPa， 并在 STFI 热板式干燥机
的控制下进行干燥。 蕉麻浆的加入量分别为 0%、
15%、20%、25%和 100%（见表 2 ）。 纸页性质根据以
下标准测定：SCAN-P88：01（厚度），TAPPI231-85（零
距强度），SCAN-P67：93 （抗张强度）, SCAN-P77：95
（断裂韧性），ISO1974 （撕裂度），ISO5626 （耐折度），
SCAN-P19:78（透气度）。
造 纸 化 学 品 第 21 卷
图 1 针叶木浆和蕉麻浆脱水阻力的磨浆能耗函数
°
11
111111W1111 1
11
111
58· ·
与蕉麻的抗张强度上升都很快。 脱水阻力在 20 °SR
左右时，2 种浆的抗张强度相近。 在较高的脱水阻力
下，蕉麻的抗张强度要高些。直到脱水阻力达到 70 °SR
以上时，针叶木才达到与蕉麻一样的高强度。 要使抗
张指数达到 80 N·m/g左右， 蕉麻所需的磨浆能耗要
比针叶木低得多，蕉麻只需 25 kW·h/t，而针叶木则
需 200 kW·h/t。
蕉麻的撕裂度相当高， 但是当磨浆至脱水阻力
为 35 °SR左右时，蕉麻的撕裂度会快速下降。虽然这
样，蕉麻的撕裂度也比针叶木高，甚至在高的磨浆能
耗时也是这样。
2.2 均质纸页
2.2.1 紧度
图 4 表示蕉麻含量不同（见表 2）的第 2 系列均
质纸页的紧度，其中脱水阻力：蕉麻为 20 °SR，针叶
木为 27 °SR，图 5至图 12同。
这一系列纸页的紧度值与第 1 系列的处于同样
水平。 加入蕉麻至 25%时不会影响均质纸页的紧度，
但是更高的蕉麻含量会大幅度降低紧度。 这可能与
蕉麻纤维的卷曲指数较高有关，卷曲指数提高并不代
表柔韧性也会提高，或者与蕉麻纤维的细胞壁较厚有
关，因为厚细胞壁较难被压溃。
2.2.2 抗张强度与挺度
纸张的抗张强度取决于纸张中纤维的结合程度
和单根纤维的强度。 在纤维长度一定的情况下，抗张
强度随着紧度的增加而增加。 在紧度一定时，抗张强
度随着纤维长度的增加而增加。 尽管如此，抗张强度
的增长率却会随着纤维长度的增加而减小甚至趋向
于零。 这意味着当纤维足够长时，它们在纸页中已经
很好地旋结在一起了，从而导致纤维长度的继续增加
并不会形成一个更强的网络结构。 纤维粗糙度的增
加会导致抗张强度的下降。 蕉麻的抗张性能比漂白
针叶木硫酸盐浆好， 蕉麻纤维比针叶木纤维更长更
细，这也说明，添加一定量的蕉麻有益于提高纸张的
抗张强度。
然而，如图 5 所示，实验中蕉麻纤维的抗张指数
比针叶木的低，抗张指数随着蕉麻的加入稍微有些下
降。 因为蕉麻的打浆度低，且卷曲指数高，细胞壁厚，
这些可能导致纤维结合面积的下降。 厚细胞壁会导
致低的结合度。 随着一系列含 100%蕉麻的纸页的生
产，其强度性质与紧度也进行了考察。 用有效的设备
可将蕉麻纸页的紧度增加到 740 kg/m3， 抗张指数达
到 90～95 N·m/g之间。
图 6表示的是蕉麻含量对抗张挺度指数的影响，
从中可以看出，刚开始时抗张挺度指数下降，但后来
保持在一个稳定不变的水平。
2.2.3 断裂韧性、抗张能量吸收和透气度
纸浆的增强能力可由其断裂韧性 （fracture
作为针叶木浆增强的蕉麻纤维第 1 期
m
°
图 3 针叶木浆和蕉麻浆撕裂指数的脱水阻力函数
图 4 蕉麻浆和针叶木浆混抄纸页紧度的蕉麻
含量函数
m
w
图 5 蕉麻浆和针叶木浆混抄纸页抗张指数的
蕉麻含量函数
m
w
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图 9 蕉麻浆和针叶木浆混抄非均质纸页抗张指
数和撕裂指数的蕉麻含量函数
w
m
m
toughness）来表征，断裂韧性是用来衡量纸页抵抗已
存在的裂缝继续扩大能力的参数， 它是通过撕裂单
位表面积所消耗的能量来计量的。 这些计算结果根
据 J-integral 方法测得。 因为要对纸页进行施压和加
工， 所以用断裂韧性比撕裂指数更能说明纸页抗裂
缝能力。 对于针叶木纤维，断裂韧性与纤维长度比撕
裂强度与纤维长度的关联性更大。 也有人同样证明
低粗糙度纤维的断裂韧性较强。 蕉麻比斯堪的纳维
亚云杉硫酸盐浆的抗裂韧性高。已经证实，将 25％蕉
麻和 25％的云杉分别与预热法木片磨木浆进行混合
后，所得含蕉麻纸张的断裂韧性是含云杉纸张的 2倍。
从图 7可以看出，实验中纯蕉麻纸页的抗撕裂韧
性最高。 增加蕉麻在针叶木中的用量所产生的效果
还不清楚，但是从图中可以看出，蕉麻对纸页断裂韧
性有积极的效果。
抗张能量吸收性和透气度是纸袋纸等产品的重
要性能指标。 图 8 表示抗张能量吸收性、断裂韧性
和透气度之间的关系 （图中数据为透气度， 单位
为 μm/Pa·s）。
由图 8 可以看出，随着蕉麻含量的增加，抗张能
量吸收性稍微有所下降，而透气度上升。
2.2.4 撕裂度
撕裂度在很大程度上取决于纤维长度。 已经有
人证明：随着纤维长度的增加，纸张的撕裂度增大。
然而对于高结合度的纸张来说，纤维长度对撕裂度的
影响就没那么大了。 纤维结合度好的纸张的裂断过
程主要取决于单根纤维的裂断情况，但是对于纤维结
合度差的纸张来说，纤维从纤维网络结构中被拉出来
是导致纸张裂断的主要原因。 因此，纤维结合好的纸
张撕裂度取决于单根纤维的强度。
在本研究中，蕉麻和针叶木的纤维长度有明显的
区别。 蕉麻纤维要比针叶木纤维长 50％以上（表 1）。
而且， 蕉麻纸张的零距抗张强度比阔叶木纸张的高。
一些研究已经证明了蕉麻具有高撕裂度。 有人研究
造 纸 化 学 品 第 21 卷
图 6 蕉麻浆和针叶木浆混抄纸页抗张挺度指数的
蕉麻含量函数
w
图 7 蕉麻浆和针叶木浆混抄纸页裂断韧性指数
的蕉麻含量函数
m
w
图 8 蕉麻浆和针叶木浆混抄非均质纸页抗张能
量吸收和断裂韧性的蕉麻含量函数
m
2.2 3.7 5.2 6.1
71.5
w
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图 10 蕉麻浆和针叶木浆混抄纸页耐折度的蕉
麻含量函数
w
得出蕉麻浆的撕裂指数比阔叶木高 4.5倍。另有人发
现蕉麻撕裂指数是漂白针叶木硫酸盐浆的 1.5倍。其
他人证明蕉麻化学浆的撕裂指数比针叶木化学浆高
2倍以上。
由图 9 所示， 蕉麻的加入提高了纸页的撕裂指
数。 撕裂指数随着蕉麻含量的增加而增加，并且这种
增加在蕉麻用量较大时愈加明显。 虽然实际的撕裂
指数比预测的线性增长撕裂指数要低， 但是纸张仍
然表现出很高的撕裂度。 据报道，蕉麻纸页的撕裂指
数随着紧度的增加而降低， 并可接近于针叶木纸页
的水平， 这也说明纤维结合程度好的纸页的撕裂指
数由单根纤维强度决定而不是由纤维长度决定。
本研究中， 纸页紧度随着蕉麻加入量的增加而
下降， 这就可以解释为什么加入大量的蕉麻后纸页
的撕裂指数大幅度提高了。图 9也说明了抗张强度的
变化情况，可以看出，蕉麻用量可以增至 60％，因为
此时纸页的撕裂度仍在提高而抗张强度下降并不多。
2.2.5 耐折度
耐折度是纸币用纸的重要性质参数， 但对于其
他特种纸如信封用纸和地图纸来说也很重要。 纸张
的耐折次数随着紧度的增加而增加。 纤维强度对纸
张耐折度影响很大。 纤维强度的少许降低就能导致
耐折次数大幅度减少。 有研究表明，粘胶纤维的耐折
度会随着纤维长度的增加而增加。 蕉麻纸张已经被
证明具有较高的耐折度。 前人的研究表明，蕉麻纸张
的 MIT 耐折次数是针叶木漂白硫酸盐浆纸张的 1.5
倍。 从图 10 可以看出，纸页的耐折度随着蕉麻纤维
用量的增加而增加，并且二者成线性关系。
2.3 非均质纸和均质纸的比较
为了研究纸张中纤维定向排列对强度性能的影
响，实验中用均质纸页和在动态纸页成型器上抄造的
非均质纸来做比较，2 种纸页的蕉麻含量保持一样。
纸页的非均质性用抗张挺度的非均一性表示。 有研
究表明，纸张的非均质性与通过压榨干燥的纸张纤维
排列的各向性是等同的。 纯针叶木纸页和分别含有
15％、20％和 25％蕉麻纸页的抗张挺度的非均一值
为 2.5，而纯蕉麻纸页的非均一值为 1.5。 这可能是因
为蕉麻纤维更长而且卷曲指数更高，从而导致浆料从
喷嘴到辊筒分布时蕉麻纤维的排列更加无序。 纸页
的强度性能从纵向（MD）和横向（CD）来评价，强度的
几何平均值通过下式计算得到：
P = PMD×PCD姨 （1）
此处 P表示任一强度性能。
含 100％针叶木的非均质纸和均质纸具有相同
的紧度， 但是与相应的均质纸比较起来 ， 分别含
15％、20％和 25％蕉麻的非均质纸的紧度稍小，含
100％蕉麻的非均质纸的紧度比相应均质纸的稍大。
图 11表示的是纤维定向排列对纸页抗张指数的
影响。 均质纸页与非均质纸页的纵向抗张指数、横向
抗张指数和抗张指数几何平均值（Geo）进行比较。
正如预期的一样，所有非均质纸页的纵向抗张强
度都比横向的高。除了含 100％蕉麻的非均质纸的强
度比均质纸高外，其他非均质纸的几何平均强度与均
质纸的抗张强度没有太大差别。 尽管键合面积的减
少能解释添加了蕉麻的均质纸抗张性能的降低，但是
它不能解释非均质纸张的情况。 当纸页紧度维持在
一个相对恒定的水平时，其强度性能也很稳定。
从图 12可以看出， 除了纯蕉麻非均质纸的撕裂
指数比纯蕉麻均质纸的低一些之外，其他均质纸的撕
裂指数和非均质纸的没有太大差别，这可能也是紧度
作为针叶木浆增强的蕉麻纤维第 1 期
图 11 蕉麻浆和针叶木浆混抄纸页抗张指数的
蕉麻含量函数
1
1
1
11
11
m
1
1
1
111111w
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相对恒定所致。 正如预期的一样，纸页的横向撕裂度
比纵向要高。 至于裂断韧性，非均质纸与均质纸体现
出了相同的趋势， 但是非均质纸的几何平均韧性总
体来说要比均质纸低。 同样正如所料，纸页纵向耐折
度比横向高，但是除了纯蕉麻非均质纸的耐折度和纯
蕉麻均质纸的一样外，其他非均质纸的几何平均耐折
度要比均质纸低。
3 结论
本研究表明，向针叶木硫酸盐浆中加入蕉麻能提
高均质纸页的撕裂度、裂断韧性、耐折度和透气度。
抗张挺度基本不变， 但是抗张强度稍微有些下降。
在能形成一定纤维取向的动态纸页成形器上抄造出
来的非均质纸页，其强度特性的提高情况与均质纸页
类似。同样，随着蕉麻的加入，纸页的撕裂指数和裂断
长增大。 值得注意的是，纯蕉麻纸页比纯针叶木纸页
的几何平均抗张指数和抗张挺度指数要高。 蕉麻对
纸页强度性能的积极影响可归咎于蕉麻纤维的强度
和长度。 均质纸页强度性能的显著降低可以认为是
因为含蕉麻纸页的键合面积减少所引起的。
（丁文慧，王 亮 编译）
造 纸 化 学 品 第 21 卷
图 12 蕉麻浆和针叶木浆混抄纸页撕裂指数的蕉
麻含量函数
m
w
的活性炭为不溶性阴极，因而这二者在运行消耗成本
中可以忽略不计[8]。
在实际运行中，可以使用工业废酸调节进水 pH，
用石灰中和沉淀，二者的消耗成本不超过 0.20 元／m3；
另外， 可以通过延长反应时间、强化废水与铁屑接触
来提高进水的 pH，减少酸的投加量，以减缓设备的酸
蚀程度。
3 结论
（1） 利用铁炭法联合曝气生物滤池深度处理中
段废水方法可行，效果较为明显。 CODCr去除率达到
85%，色度去除率达到 90%以上。
（2） 铁炭法和混凝沉淀作为曝气生物滤池的预
处理系统， 发挥了较好的降低毒性和脱除色度的作
用，提高了废水的可生化性，减轻了后续处理的负荷，
满足了曝气生物滤池对处理水质的要求。
参考文献：
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2001，8(4)：56.
作者简介：吴香波（1981-），男，2006 级制浆造纸专业
在读研究生；研究方向：造纸废水生物处理；E-mail：
wuxiangbo82@163.com。
本文文献格式：吴香波，谢益民.铁炭法联合曝气生物
滤池深度处理中段废水[J].造纸化学品，2009，21（1）：
35-37，62.
（上接第 37页）
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