低温等离子体技术在造纸工业中的应用前景

第

卷　第

期

成聚合物与浆料纤维的相容性取决于这两种组分的面
间表面自由能。表面强度是胶版纸最重要的印刷运行
性能 , 主要取决于纸面纤维与纤维间及纤维与胶料间
的黏结强度。在实验室利用低温等离子体对纸张进行

表面处理后再表面施胶 , 结果发现 , 纸张经等离子体
处理后 , 纸面极性基团的含量增加 , 纸张表面自由能
增加 , 纸面纤维间及纤维与胶料间的黏接强度提高 ,
因此表面施胶效果得到改善 , 纸张表面强度显著提
高

[ 7 ]

。图 2为纸张单位面积接收到的等离子体处理的

能量与纸张表面强度的关系图。两条曲线分别是以不
同放电频率处理的结果 , 这两种频率处理的纸张都比
未处理样品 (图 2 中处理能量为零时 ) 的表面强度
有显著提高。另有研究用 SiCl

、O

等离子体处理未

打印、未施胶和施胶的证券纸 , 结果表明 , 在提高其
油墨黏结力的同时 , 还能够保持纸张的适印性及耐
久性

[ 8 ]

。

图

　表面强度随处理能量的变化

Sakata等人早期利用电晕放电将烯烃接枝到纤维

材料上 , 证实了电晕放电等离子体能够引发乙基丙烯
酸酯接枝到玻璃纸上以及苯乙烯接枝到高级绘图纸和

滤纸表面。早期的研究通常通过两个阶段来完成接
枝 , 即首先将纤维经过等离子体放电氧化 , 这样活化
后带有自由基的纤维再浸没在乙基丙烯酸酯和苯乙烯

溶液中进行表面接枝聚合。将漂白硫酸盐浆 (BKP)
和热磨机械浆 ( TMP ) 表面接枝丙烯酰胺 , 由于

TM P中木素的存在 , 其酚型基团活性低 , 导致丙烯

酰胺接枝率降低。因此 , TMP结合的聚丙烯酰胺不
如 BKP多。从微观上看 , 丙烯酰胺在单个纤维上形
成补丁 , 而宏观上纸张表面的聚丙烯酰胺分布相当
均匀

[ 9 ]

。

Carlsson等人研究表明 , 用 O、N、A r以及空气

等离子体处理 , 能够提高化学浆和机械浆的吸水作
用。VanderW ielen等人研究了利用空气介质阻挡放
电处理漂白硫酸盐浆 , 发现该方法能够提高化学浆成
品纸的湿强度和挺度。他们还指出 , 等离子体处理使

纤维表面发生共价键交联 , 表面能降低 , 从而湿抗张
强度和挺度提高。近期的研究发现 , 用低温等离子体
处理漂白硫酸盐浆 , 纸张的湿强度和挺度可提高

50% ～70%

[ 10 ]

。

1112　对化学纤维的处理

由于等离子体对材料的改性只发生在材料表面

100 nm 厚度范围内 , 不会影响纤维的本体 , 这样就

能使化学纤维在维持自身优良整体性能的前提下充分
改善其表面性能

[ 11 ]

。在造纸工业中 , 化学纤维是生

产特殊纸制品的重要原料。与植物纤维比较 , 具有纤
维长度可调控 , 资源丰富和强度高等独特优势 , 但在
实际生产中的一个突出问题就是纤维不易分散 , 絮聚
严重 , 给纸页成形带来困难

[ 12 ]

。另外 , 与植物纤维

配抄时纤维间的结合也是一个重要问题。目前改善其

分散性的方法有 , 采用碱处理技术对纤维进行亲水化
改性或添加表面活性剂降低浆料悬浮液的表面张力 ,
提高纤维表面润湿性等

[ 13

15 ]

。但碱处理过程会造成

涤纶纤维大分子的断链和剥离 , 从而造成纤维的质量
损失。

等离子体处理改善纤维润湿性的主要方式就是通

过发生氧化分解反应将纤维表面刻蚀

[ 16 ]

, 清除和减

少纤维表面的抗水性物质 , 同时引入极性基团来提高
纤维基体的润湿性

[ 17

18 ]

。化学纤维中 , PBO (聚对

苯撑苯并双

唑 ) 纤维是性能优异的有机纤维 , 制

造的纸张具有良好的电热性能和环境适应性 , 但关键
问题是需要将其惰性表面极性提高 , 以增强纤维间的
结合力。研究表明 , 经过氧等离子体处理后 , PBO
浆粕的活性基团增加 , 因此改善了分散性能 , 纸张匀
度提高 ; 同时 , PBO 纸张的裂断长、撕裂指数、耐
破指数等强度指标也有大幅度提高

[ 19 ]

。聚烯烃纤维

以其良好的耐磨性、弹性、优异的耐酸碱、耐氧化
性、耐高温性及质量轻等成为电池隔膜纸的首选材
料。但聚烯烃纤维的亲水性极差 , 必须对其进行改性
处理才可用。通过氩气等离子体对纸张进行处理 , 然
后进行丙烯酸接枝 (见图 3、图 4) , 氩气等离子体
处理后 , 纤维表面已被刻蚀并接枝上丙烯酸基团 , 纸
张的亲水性能极大提高 , 适于用作电池隔膜生产

[ 20 ]

。

用化学纤维和织造用天然纤维填充聚合物基体的

研究证实 , 等离子体处理还对纤维毛糙度等其他性能
有显著改善。一般化学纤维的表面均较光滑 , 经等离
子体处理后 , 纤维表面发生刻蚀作用产生刻蚀条
纹

[ 21 ]

。这大大提高了纤维的表面毛糙度 , 在提高润

湿性的同时提高了纤维与聚合物等其他材料基体间的
接触和结合

[ 22

24 ]

。利用等离子体处理纤维表面 , 还