高低游离度化机浆配抄对成纸性能的影响

张美云 董和滨 王 建

(陕西科技大学,陕西西安,710021)

高低游离度化机浆配抄对成纸性能的影响

张美云 董和滨 王 建

(陕西科技大学,陕西西安,710021)

采用 PFI磨浆机和槽式打浆机对杨木 APMP浆进行打浆,分别研究了不同浓度打浆对纤维形态及质量、成纸性能的影响。利用光学显微镜及纤维质量分析仪 (FAQ)观测了纤维形态变化,分析了纤维的长度、卷曲、扭结等形态参数及细小纤维含量的变化。对两种不同浓度、磨浆方式下的高低游离度浆料进行配抄,与APMP生产线二段磨后浆料即成品浆料的成纸性能进行比较。结果表明,随着磨浆程度的提高,纤维长度下降,纤维卷曲指数与扭结指数先增加后下降,细小纤维含量增加。与槽式打浆成浆性能相比,PFI磨浆后纤维的切断少,纤维压溃变得比较显著,纤维分丝帚化优越,表现出了更好的纤维间结合能力。

PFI磨浆;槽式打浆;APMP浆;纤维质量分析

APMP(Alkaline Peroxide Mechanical Pulp)即碱性过氧化氢机械浆,是 20世纪 80年代推出的一项节能环保型制浆新技术,具有高得率、高白度、高强度和低污染、低水耗、低能耗、低物耗等优点。在白卡纸的生产过程中,APMP主要用于面层和芯层,从而可减少化学木浆在面层的使用量,适当提高纸板挺度,改善纸板表面印刷适性,降低生产成本。国外在白卡纸芯层使用化机浆纤维方面的技术较为成熟,生产的白卡纸产品质量好,得益于有为白卡纸制造企业“量身定做”生产的化机浆产品。在白卡纸制造技术方面,我国具备与发达国家同等水平,若白卡纸芯层全部使用进口原材料 (尤其是使用国外 “量身定做”的化机浆),产品质量与国外产品质量相当,而当芯层全部使用国产速生材化机浆时,则产品质量存在一定的不足。虽然 BCT MP与 APMP制浆方式存在一些差异,但从国外的使用经验来看,两种化机浆应用于白卡纸芯层所得产品的差异并不明显。然而,从我国造纸企业生产实际来看,我国造纸企业对于化机浆引进的时间短、消化吸收不足以及对产品应用特性掌握不足,导致了国产化机浆的使用存在不足,不能同时赋予白卡纸良好的松厚度与强度,具体体现在：赋予白卡纸良好挺度的同时成纸强度较低;而赋予成纸良好强度时,成纸挺度较低。因此,我国白卡纸生产一般在芯层配加不超过 50%的国产速生材化机浆,其余用进口化机浆补充。

本实验通过 PFI磨浆机和槽式打浆机对 AP MP浆进行磨浆,分析讨论了浆料的纤维特性及成纸性能,并对高低游离度的浆料进行配比实验以达到二段磨后浆料游离度,探讨提高化机浆在白卡纸芯层用量的可能性,以期为企业在白卡纸中使用更多的高得率浆提供参考。

1 实 验

1.1 实验原料

浆料取自国内某公司APMP生产线一段磨后杨木APMP浆和二段磨后杨木APMP浆。

1.2 仪器

纤维疏解器,瑞典产;DCS-041PT型 PFI磨浆机,日本产;TAPPI抄片器,陕西科技大学产;纤维筛分仪,日本产;DC-HJ Y03电脑测控厚度紧度仪、SEO64型抗张强度仪、纤维质量分析仪 (FQA),加拿大 Optest仪器公司产;Motic-DMB5型多媒体电子显微镜,奥地利MOTI C公司产;内结合强度仪,日本产。

1.3 实验方法

(1)对一段磨后杨木 APMP浆进行 PFI打浆至 1300、2800、3700转,对二段磨后杨木 APMP浆进行 PFI打浆至 22000、15500、9000、5500、4500、1500 转。将高游离度浆料分别与低游离度浆料进行配比以达到二段磨后杨木APMP浆的游离度,将所配浆料用TAPPI抄片器进行抄片,测定松厚度、抗张强度、内结合强度等性能,抄片时采用白水循环,与二段磨后杨木 AP MP浆的成纸性能进行比较。

(2)对一段磨后杨木 APMP浆、二段磨后杨木APMP浆分别进行槽式打浆,每隔 10 min取一次浆。将高游离度浆料分别与低游离度浆料配比达到二段磨后杨木 APMP浆料的游离度,测定抄片各性能,抄片时采用白水循环,与二段磨后杨木 APMP浆料的成纸性能进行比较。

(3)通过 FQA对磨后浆料进行纤维质量分析,本实验规定长度小于为 0.2 mm的纤维为细小纤维。通过电子显微镜对浆料进行图像分析。

2 结果与讨论

2.1 不同打浆方式对杨木 AP MP浆纤维形态的影响

图 1是杨木 APMP浆纤维形态光学显微镜照片,由图 1(a)、(b)、(c)可见,槽式打浆后纤维以切断为主,纤维分丝帚化主要发生在断头处,纤维表面光滑。由图 1(d)、(e)、(f)可知,PFI磨浆成浆纤维断头较少,表面起毛、分丝帚化现象显著,纤维纵向撕裂,纤维的挠曲性改善。图 1(a)(b)(c)与 (d)(e)(f)比较,说明了 PFI磨浆具有优越的增加游离羟基的能力和纤维间良好的结合面积,从而赋予纸张较强的物理强度。

2.2 不同打浆方式对杨木 AP MP浆纤维质量的影响

为了研究 PFI磨浆和槽式打浆对纤维形态的影响,用纤维质量分析仪分析了纤维长度、卷曲、扭结等形态参数及细小纤维含量的变化。分析结果分别见表 1和表 2。

2.2.1 不同打浆方式对纤维长度的影响

图1 杨木 APMP浆纤维形态光学显微镜照片

一般来说,纤维质均长度对纸张的物理强度影响最大[1],因此本实验仅讨论质均长度。从表 1和表 2可以看出,槽式打浆至游离度 158 mL时纤维质均长度下降至 0.45 mm,PFI磨浆至游离度 155 mL后纤维质均长度下降为 0.349 mm。主要是因为槽式打浆为低浓打浆,依靠磨刀对纤维作用,容易受到切断;PFI磨浆主要是通过纤维之间的剧烈摩擦,纤维的切断作用小,纤维的压溃变得较为显著,纤维长度保留较好。

2.2.2 不同打浆方式对纤维卷曲指数和扭结角度的影响

纤维卷曲是指纤维平直方向的卷曲,定义为：卷曲指数 =L/Lmax-1[2]。扭结是指纤维曲率的急剧变化,现在普遍采用 kibble white定义的方法来表征纤维的扭结指数。扭结指数[2]= [2N(21～45)+3N(46～90)+4N(91～180)]。从表 1可知,槽式打浆后,二段磨后杨木APMP浆的纤维卷曲指数随着打浆时间的延长先增加后减小,但幅度不大,扭结角度基本不变,主要是因为纤维受到的挤压、揉搓和扭曲较少。从表 2可知,PFI磨打浆后纤维的卷曲指数和扭结指数都随着打浆作用的增加而上升,但打浆 9000转后,卷曲指数和扭结指数开始降低,主要是由于纤维被部分切断引起的。

2.2.3 不同打浆方式对细小纤维含量的影响

由表 1和表 2可知,经槽式打浆后,二段磨后浆料的细小纤维 (数均)含量增幅为 27%,经过 PFI磨浆后细小纤维含量增幅为 34%,但槽式打浆后细小纤维含量高。槽式打浆过程中,纤维悬浮于水中,纤维之间接触少,刀齿作用于单层或单根纤维,在纤维纵向长度的某处受到以线压力为主的剪切力,如果磨刀间隙过小,纤维受到剧烈剪切,细小纤维增多,而 PFI磨浆过程中,浆料可以视之为一种拟塑性流体,此时纤维已形成一种较为稳定的纤维网络饱合体[3],浆料纤维之间摩擦剧烈使纤维产生良好的分丝帚化,纤维长度保留较好。随着打浆作用的增强,初生壁 P层和次生壁 S1层部分脱落[4],产生大量细小纤维,故初始细小纤维含量低,但增幅比槽式打浆高些。

2.3 PFI磨浆和槽式打浆对杨木 APMP浆成纸性能的影响

本实验对二段磨后的杨木 APMP浆分别进行槽式打浆和 PFI磨浆至较低游离度,再与一段磨后杨木APMP浆进行配比达到二段磨后的游离度,并与二段磨后浆成纸性能进行比较。考虑到能耗以及成纸性能,低游离度的浆料的添加量不高于 50%,槽式打浆后,对游离度为 683 mL时的浆未进行抄片。

表1 槽式打浆后纤维质量分析

表2 二段磨后杨木 APMP浆 PFI磨浆后纤维质量分析

图 2为槽式打浆后杨木APMP浆成纸性能比较。由图 2可知,高低游离度的浆料进行配比后,抄片的松厚度有所提高,最高增幅可达 15%,抗张指数呈上升趋势,而内结合强度则呈下降趋势。图 3为PFI磨浆后杨木 APMP浆成纸性能的比较。由图 3可知,经过配比后抄片松厚度有所提高;抗张强度有所提高,并且游离度为 550/215,600/100,650/215时达到每组的最大值;内结合强度则是先升高后降低。

高低游离度浆料配抄过程中,高游离度的浆料富含纤维束,为纸页成形提供骨架,而低游离度的浆料含有大量细小纤维填充其中形成 “桥联”作用,为该骨架提供强度,形成三维连续网络,所以松厚度提高的同时强度没有明显降低 (所配的浆料中富含的大量纤维束对成纸性能的影响会通过下一步实验分析解决)。影响抗张强度的主要因素为纤维间的结合力和纤维的平均长度,而前者是主要的影响因素。细小纤维的存在使得纤维之间接触面积增大,形成更多氢键,结合更为紧密,抗张强度增加,故经槽式打浆后浆料配抄抗张强度逐渐增加。而经 PFI磨浆后高低配抄抗张强度先增加后减小,主要是纤维长度占据了主导因素。内结合强度的主要影响因素为纤维强度、长度和细小纤维含量,由于槽式打浆过程中磨浆质量不均匀,并且受到压溃,纤维强度较小,故内结合呈下降趋势;PFI磨浆后,纤维经过充分的分丝帚化,使得纤维结合面积及单位面积上的氢键结合数目大增,内结合强度增加,随着磨浆程度的增大,纤维长度降低并成为主导因素时,内结合强度降低。

3 结 论

3.1 通过光学显微镜观察,PFI磨浆成浆纤维切断较少,表面起毛、分丝帚化现象显著,纤维纵向撕裂,纤维的挠曲性改善。中浓磨浆具有优越的增加游离羟基的能力,能增大纤维间的结合面积,从而赋予纸张较强的物理强度。

3.2 随着磨浆程度的提高,纤维长度下降,纤维卷曲指数与扭结指数先增加后下降,细小纤维含量增加。

3.3 通过高低游离度配比的浆料成纸松厚度与二段磨后浆料相比有所提高,提高幅度最高可达 15%,而成纸的其他物理强度下降不明显,有的反而增加,可以有效地平衡松厚度与强度之间的矛盾,提高化机浆在白卡纸芯层的用量。

3.4 槽式打浆机和 PFI磨浆机磨出浆料进行高低游离度浆料配抄在提高松厚度方面的趋势是一致的,仅对抗张指数和内结合强度方面的影响不太相同。其中,PFI磨浆效果要好些,浆料游离度配比为 650/215(1∶0.56)时,成纸抗张指数与内结合强度都有明显提高。

[1] Lai YM,Xie YM.Average fiber length and its instrumental measurement result analysis[J]. Paper Science&Technology,2003(3)：35.

[2] 洪传真.纤维卷曲指数和 KinK指数对浆强度的影响[J].中国造纸学报,1997,12(增刊)：70.

[3] 刘士亮.中浓打浆过程中的新现象及其意义[J].纸和造纸,2003(4)：9.

[4] 刘士亮,陈中豪.中、低浓打浆的使用效果及打浆机理的差异[J].中国造纸学报,2008,23(4)：70.

(责任编辑：赵旸宇)

Effect of the Ration of High and Low Freeness High Y ield Pulps on the Properties of the PapersMade of theMixed Pulps

ZHANGMei-yun DONG He-bin＊WANG Jian
(Shaanxi University of Science&Technology,Xi'an,Shaanxi Province,710021)
( ＊ E-mail：hebin1020@126.com)

The aspen APMP was beated using PFI mill and trough beater,the effects of beating on fiber morphology and quality,paper making performance were studied.The change of fiber morphology was observed with optical microscope,fiber length,curl,kink and other mophological parameters and change of fines content were analyzed by Fiber Quality Analyzer(FQA).The high/low freeness pulps prepared by refining in the lab were mixed to the same freeness level of the secondary refiner of the mill,then the paper making performance of the pulps was compared.With the continuing refining,fiber length decreased,fiber curl index and kink index increased first and then decreased,and the fines content increased.Compared to the low consistency refining,medium consistency refining had an excellent result：much more fibers were crushed and fibrillated and less fibers were cut off.The bulk property of the paper made of the mixed high and low freeness pulps prepared in the lab was improved compared with the paper made of the pulp from the secondary refiner of the mill.And this feature is more significant when using the medium refining.

PFI mill;trough beating;APMP;fiber quality analysis;high/low freeness mixing

TS75

A

0254-508X(2011)01-0001-04

张美云女士,博士,教授;主要研究方向：高性能加工纸、特种纸原理与技术。

2010-08-26(修改稿)