化学浆的细纤维化程度对高得率浆性能的影响

张 荣 王高升 陈夫山

(1.天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室,天津,300457;2.青岛科技大学化工学院,山东青岛,266042)

化学浆的细纤维化程度对高得率浆性能的影响

张 荣1王高升1陈夫山2

(1.天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室,天津,300457;2.青岛科技大学化工学院,山东青岛,266042)

研究了漂白硫酸盐浆 (BKP)的细纤维化程度及用量对高得率浆 (HYP)性能的影响。结果表明,在 HYP中添加 20%的经 PFI磨 8万转处理的 BKP使手抄片的抗张指数提高了 103%、z向强度提高了 80%,添加 20%的经 PFI磨 5万转处理的BKP使手抄片撕裂指数提高了 120%,说明高度细纤维化的BKP能明显改善 HYP的机械强度。研究还发现,高度细纤维化的 BKP对 HYP的紧度和光学性能影响很小。探讨了高度细纤维化的BKP影响 HYP性能的机理,发现高度细纤维化的BKP与 HYP纤维形成的特殊桥联网状结构能很好地改善纤维间的结合,提高了 HYP的机械强度。

高得率浆;漂白硫酸盐浆;细纤维化;纸张性能;桥联网状结构

高得率浆 (HYP)具有脱木素量少、得率高、成本较低、环境友好等优点。用 HYP抄造的纸张具有较高的不透明度、光散射系数和松厚度,但 HYP纤维挺硬,长宽比小,细小纤维含量多,纤维表面大部分被木素包埋,不易分丝帚化,纤维的结合性较差,因此用 HYP抄造的纸张机械强度较低[1]。改善HYP性能的方法很多,普遍采用的方法是将 HYP与漂白硫酸盐浆 (BKP)配抄,取长补短,以抄造出综合性能较好的纸张。

PFI磨在打浆过程中能提供比较稳定的作用力而使纤维分丝帚化,产生直径更小的纤维或者纤丝[2]。研究表明,平均直径为 13μm的 BKP纤维在 PFI磨 12.5万的打浆转数下可以得到大量直径为1.3μm的微细纤维[3]。

由于 HYP具有优异的不透明度和松厚度,但其机械强度较差,因此本实验制备高度细纤维化的 BKP纤维,将其与 HYP配抄,使得成纸较好地保留 HYP不透明度和松厚度,同时改善 HYP的物理强度性能,并探讨了 HYP纤维结合机理,为HYP得到更广泛的应用提供参考。

1 实 验

1.1 原料

高得率浆为BCT MP,加拿大水晶牌,使用Valley打浆机疏解 30 min,打浆度为 23°SR,纤维平均长度为 0.74 mm,平均宽度为 27.3μm;针叶木BKP为加拿大进口,浆板用Valley打浆机疏解 30 min,打浆度为 16°SR,纤维平均长度为 2.24 mm,平均宽度为32.2μm。

1.2 实验方法

高度细纤维化 BKP的制备:使用 PFI磨对 BKP进行打浆处理 (参见 QB/T1463—1992),调节 PFI磨的打浆转数 (1万、5万、6.5万、8万、9万和 10万转)制备细纤维化程度不同的 BKP,甩干并平衡水分,置于冰箱中 (4℃)备用。

纤维形态的观察与分析:将细纤维化程度不同的BKP稀释至浆浓 0.5%,疏解制片,通过电脑摄影生物显微镜 (MODEL WVCP4101G,Matsushita Communication Industrial Co.Ltd)观察纤维形态。使用纤维分析仪 (FiberTester 912,L&W)测量纤维的平均长度和宽度。

抄片:使用 Estanit GbmH纸页快速成形器抄造定量 60 g/m2的手抄片,在 -90 kPa、93℃下干燥5 min。

按国家相关标准测定以下性能:打浆度、紧度、抗张强度、撕裂强度、不透明度、光散射系数、z向强度。采用 84-92型 z向强度测定仪 (美国 T M I公司制造)测定 z向强度。

2 结果与讨论

2.1 BKP的细纤维化程度对 HYP性能的影响

2.1.1 BKP的细纤维化程度对手抄片机械强度的影响

研究 BKP的细纤维化程度对手抄片性能的影响时,以 PFI磨的打浆转数表示 BKP的细纤维化程度,手抄片中 BKP占 20%,HYP占 80% (以下同),结果见图1～图4。

图1表明,手抄片的抗张指数随 BKP细纤维化程度的增加而增加,PFI磨的打浆转数为 8万转时,抗张指数几乎达到最大值 (26.3 N·m/g),比空白样的抗张指数 (13.0 N·m/g)提高了 103%,继续增加打浆转数 (增至 10万转),抗张指数增幅大大减缓。

z向强度是垂直于纸面的抗张力,更能反映纸张内部纤维的结合强度。纸张的结合强度通过纤维间的氢键结合产生,因此纤维间的接触点越多,产生的氢键越多,其结合强度就越大。图2表明,手抄片的 z向强度随BKP细纤维化程度的增加而增加,但增幅逐渐趋缓。将 PFI磨 8万转处理的 BKP添加到 HYP中,手抄片的 z向强度 (248 N)比空白样 (138 N)提高了 80%,说明高度细纤维化的 BKP可以较好地改善 HYP纤维的结合。

图3表明,随 BKP细纤维化程度的增加,手抄片的撕裂指数先升高后降低,PFI磨处理 BKP的打浆转数为 5万转时,撕裂指数几乎达到最大 (6.25 mN·m2/g),比空白样 (2.84 mN·m2/g)提 高 了120%,继续增加打浆转数,撕裂指数开始下降。

如图4所示,虽然手抄片的紧度随着 BKP细纤维化程度的增加而有所增加,但是当 PFI磨打浆转数由 0增加到 8万转时,其紧度仅提高了 18% (0.33 g/cm3增到0.39 g/cm3)。这说明 BKP细纤维化程度对纸张紧度的影响较小,HYP的松厚度得到了较好地保留,同时还使 HYP的机械强度得到改善。

2.1.2 BKP的细纤维化程度对手抄片光学性能的影响

图5和图6分别表示手抄片的不透明度和光散射系数与BKP细纤维化程度的关系。图5表明,手抄片的不透明度虽然会随 BKP细纤维化程度的增加而出现一定的波动,但其值均在 85%～87%之间,所以这种波动较小 (2%以内),说明细纤维化的 BKP对 HYP不透明度的影响不大。图6表明,随 BKP细纤维化程度的增加,手抄片的光散射系数是先升高后降低的,其值均在 48～51 m2/kg之间,与不透明度一样,这种变化趋势也比较小 (3%以内),表明细纤维化的BKP对 HYP光散射系数的影响也不明显。这说明,BKP的细纤维化程度对手抄片的不透明度和光散射系数影响很小,HYP的光学性能得到了很好地保留。因此从纸张的光学性能来考虑,高度细纤维化的BKP可以作为 HYP的增强剂。

2.2 高度细纤维化的BKP用量对 HYP性能的影响

2.2.1 高度细纤维化的BKP用量对手抄片机械强度的影响

实验研究了添加量分别为 10%、15%、20%、25%和 30%的经过 PFI磨 8万转处理的 BKP(以下用 BKP-8表示)对手抄片性能的影响 (见图7～图10)。

图7表明,手抄片的抗张指数随 BKP-8用量的增加而增加,但是这种趋势是逐渐减缓的。与空白样(11.6 N·m/g)相比,添加 20%的 BKP-8使手抄片的抗张指数 (26.3 N·m/g)提高了 126%,说明添加一定量高度细纤维化的 BKP可以很好地改善手抄片的抗张指数。

图8表明,手抄片的 z向强度随 BKP-8用量的增加而增加,BKP-8的用量从 0增加到 10%时,z向强度的增幅最大,继续增加用量增幅很小。与空白样 (118 N)相比,添加 20%的 BKP-8使手抄片的 z向强度 (248 N)提高了 110%,说明高度细纤维化的BKP可以大大改善 HYP纤维的结合,提高手抄片的内结合强度。

图9表明,手抄片的撕裂指数随着BKP-8用量的增加而增加,而且增幅很大。与空白样 (1.61 mN·m2/g)相比,BKP-8用量为 20%时手抄片的撕裂指数 (6.03 mN·m2/g)提高了 275%,说明高度纤维化的BKP大大改善了手抄片的撕裂指数。

虽然手抄片的紧度随 BKP-8用量的增加而有所上升,添加10%～30%的BKP-8,手抄片的紧度比空白样 (0.32 g/cm3)增加了12%～35%,但与机械强度相比其增幅并不明显,说明在一定范围内添加高度细纤维化的 BKP可以有效改善纸张的机械强度,并可使纸张的松厚度得到较好地保留。

2.2.2 高度细纤维化的 BKP用量对手抄片光学性能的影响

图11和图12表明高度细纤维化的 BKP用量会对手抄片的不透明度和光散射系数产生一定的影响,但影响不大。从图11和图12中可以看出,添加 10%的 BKP-8手抄片的不透明度和光散射系数均达到最大值,但仅比空白样增加了3%和 4%。尽管 BKP-8的用量变化较大 (10%～30%),但是手抄片的不透明度为 86%～88%,光散射系数为 48～51 m2/kg,波动范围在 2%和 3%以内,说明高度细纤维化的 BKP用量对 HYP光学性能的影响并不明显。

2.3 影响 HYP性能机理的探讨

PFI磨对纤维的作用主要表现在 3方面:纤维的外部细纤维化;纤维的内部细纤维化;纤维的切断以及细小纤维的产生[3]。当打浆转数较低时,纤维的分丝帚化程度较低,主要发生的是 BKP纤维的外部细纤维化而使纤维表面游离出少量纤丝;随打浆转数的增加,BKP纤维开始内部细纤维化,导致纤维内部连接纤丝之间的化学键断裂;继续增加打浆转数,大量纤丝之间的化学键断开,BKP纤维被高度细纤维化而游离出大量细长的纤丝并伴随着纤维和纤丝的切断。图13表示随着PFI磨打浆转数的增加,BKP纤维细纤维化的变化过程。

利用电脑摄影生物显微镜对纤维的结合情况进行观察,分析其影响手抄片性能的因素。研究发现,由于 HYP纤维表面的分丝帚化程度很低,纤维挺硬,当结合成纸时它们仅仅是相互搭建在一起,如图14(HYP的打浆度为 23°SR)所示,而且其表面又被大量木素所包裹,导致成纸时纤维间的氢键结合数量很少,因此单独用 HYP抄造的纸张机械强度较低。虽然BKP在高度细纤维化的过程中平均长度损失很大,甚至低于原纤维 (平均长度为 2.24 mm)的 40%,如图15所示,但是离解出来的纤丝宽度大约只有原纤维的 1/50,因此这些纤丝长宽比很大。当这些长宽比极大的纤丝与 HYP纤维结合时,就会出现如图16所示的现象 (HYP的打浆度为 23°SR,其纤维的平均长度为 0.74 mm,平均宽度为 27.3μm;BKP-8的打浆度为 96°SR,其纤维的平均长度为 0.86 mm,平均宽度约为 1μm,BKP的纤丝与 HYP纤维相互“缠绕”在一起,形成一种特殊的桥联网状结构。这种结构不仅增加了纤维间的键结合面积和数量,还在HYP纤维间增加了纤丝自身的缠绕联结作用。因此,当纸张被拉断或者撕开时,不仅要拉断纤维间的氢键结合,还要拉开或拉断联结在 HYP纤维间大量的纤丝,因此这大大提高了手抄片的机械强度。但如果打浆转数过多将会导致 BKP的纤丝被过度切断而降低手抄片的某些机械强度,如图3所示,在打浆转数超过一定值时撕裂指数开始下降。这可能是因为BKP纤丝被过度切断,导致其与 HYP纤维形成的桥联网状结构过少,或二者之间不足以形成这种结构,这就使大部分 BKP纤丝可能只起到填充 HYP纤维空隙的作用,因此降低了手抄片的撕裂指数。图16表明,纤丝与 HYP纤维形成的桥联网状结构可以有效地增加纤维间的键结合数量,大大提高纤维间的结合强度,最终达到改善纸张机械强度的目的。

离解的纤丝不仅会与 HYP纤维 “缠绕”而形成桥联网状结构,而且还会对 HYP纤维形成的空隙起到填充作用。这种填充作用会随着 BKP细纤维化程度的增加及其用量的增大而加剧,虽然这会在一定程度上影响纸张的紧度,但是这种影响是有限的 (图4与图10)。在本研究中由于未在手抄片中添加任何填料,其不透明度和光散射系数主要受纸张紧度的影响,但由于纸张紧度的变化较小,因此在总体趋势上,高度细纤维化的 BKP对 HYP光学性能的影响并不是很明显,并得到了证明 (图5、图6、图11、图12)。这说明高度细纤维化的BKP不仅能较好地保留HYP的松厚度和光学性能,而且还能大大改善 HYP手抄片的机械强度。

3 结 论

实验研究了漂白硫酸盐浆 (BKP)的细纤维化程度及用量对高得率浆 (HYP)性能的影响。

3.1 高度细纤维化的BKP能明显改善手抄片的机械强度。添加 20%的经 PFI磨 8万转处理的 BKP使手抄片抗张指数提高了 103%、z向强度提高了 80%,添加 20%的经 PFI磨 5万转处理的 BKP使手抄片撕裂指数提高了 120%。

3.2 BKP的细纤维化程度和用量对手抄片的不透明度、光散射系数和紧度的影响较小,较好地保留了HYP的光学性能和松厚度。

3.3 BKP纤丝通过桥联网状结构使 HYP纤维 “缠绕”结合,能大大增加纤维间的键结合数量,改善纤维间的结合,提高手抄片的机械强度。

[1] ZHANG Dongji.Forest and paper integration in China help boost HYP development[C]//Proceeding The 2nd International Symposium on technologies of Pulping,Papermaking and Biotechnology on Fiber plants.NanJing:NanJing ForestryUniversity,2004.

[2] Ayan chakraborty,MohiniM Sain,Mark T Kortschot,et al.Modeling Energy Consumption for the generation of Microfibres from Bleached Kraft Pulp fibres in a PFIMill[J].Bioresources,2006,2(2):210.

[3] Watson A J,Phillips F H.Beating characteristics of the PFImill III.Observations related to the beating mechanism[J].Appita,1964,18(3):84.

I mpact of Fibrillating Degree of BKP on the HYP Performance

ZHANG Rong1WANG Gao-sheng1,＊CHEN Fu-shan2
(1.Tianjin Key Lab of Pulp&Paper,Tianjin University of Science&Technology,Tianjin,300457;2.Chem ical Engineering College,Q ingdao University of Science&Technology,Q ingdao,Shandong Province,266042)

The impact fibrillating degree ofBKP refining by PFImill and the amountof fibrillated BKP on the performance of HYP was studied.The results showed thatwhen 20%ofBKP treated by PFImill for 80 thousand revolutions added into HYP,tensile index of the hand sheet increased by 103%;zdirection strength increased by 80%,and when 20%of BKP treated by PFImill for 50 thousand revolutions added into HYP,tear index of the hand sheet increased by 120%. It indicated that BKP with rich fibrils can obviously improve the mechanical strength of HYP.Also,the density and optical properties of HYP hand sheet are less influenced by highly fibrillated BKP.The influence mechanism of highly fibrillated BKP on HYP perfor mances was discussed.The bonding between the fibers is well improved by a special bridge-link network structure formed byBKP fiberwhiskers and HYP fibers,which greatly raises the strength properties of HYP.

HYP;BKP;fibril;paper perfor mance;bridge-link network structure

TS743+.1

A

0254-508X(2010)01-0018-05

张 荣先生,在读硕士研究生;研究方向:造纸湿部化学。

(＊E-mail:gs wang@tust.edu.cn)

2009-07-03(修改稿)

国家科技支撑项目 “速生材高得率浆抄造性能的研究”(2006BAD32B05)。

(责任编辑:常 青)