速生材杨木 P-RC AP MP浆和桉木漂白化学浆间的协同效应

杨 波 侯庆喜 温 浩

(天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室,天津,300457)

速生材杨木 P-RC AP MP浆和桉木漂白化学浆间的协同效应

杨 波 侯庆喜 温 浩

(天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室,天津,300457)

两种不同游离度 (CSF)(480 mL和 250 mL CSF)的速生材杨木 P-RC APMP浆分别与桉木漂白硫酸盐浆 (BKP)(CSF 425 mL)混合,通过研究混合浆在物理性能和光学性能方面的变化,探讨了杨木 P-RC APMP浆和桉木 BKP浆之间的协同效应。研究结果表明,低游离度的杨木 P-RC APMP浆与桉木BKP浆混合后,能够在抗张强度、抗张能量吸收、湿抗张强度和撕裂度等方面产生协同效应;混合浆的松厚度和不透明度随杨木 P-RC APMP浆配比量的增加而增加;但是混合浆的白度会受到较低白度的杨木 P-RC APMP浆的影响。

杨木 P-RC APMP浆;桉木BKP浆;协同效应;混合

由于环保要求日益严格和资源充分利用的需要,阔叶木高得率浆的使用越来越受到重视。高得率浆良好的松厚度和不透明度,可以赋予纸张更好的尺寸稳定性以及印刷适性[1]。相对于完全的机械浆 (SG W、T MP),高得率浆具有较好的强度性能,因而已逐步应用于传统不含机械浆纸品的生产,例如部分替代阔叶木硫酸盐浆生产不含机械浆的涂布原纸[2]。

研究表明[3-4],阔叶木高得率浆与阔叶木化学浆混合配抄时会在物理性能方面出现协同效应。Eric Xu等[5-6]研究了桦木化学机械浆和杨木漂白硫酸盐浆间的协同效应,以及加拿大杨木 P-RC APMP浆及其漂白硫酸盐浆之间的协同效应。结果证明,这两组不同的浆料间均存在物理强度方面的协同效应;在阔叶木漂白化学浆中配用部分阔叶木高得率浆,可以改善纸张的松厚度、光散射性和不透明度。目前,我国一些造纸生产企业较多地应用了国产速生材杨木P-RC APMP浆和桉木漂白硫酸盐浆 (BKP),但是二者间是否也存在着协同效应,速生材杨木 P-RC APMP浆的游离度对混合浆料的性能影响是否明显,以及不同游离度的速生材杨木 P-RC AP MP浆配用比例对混合浆料有何影响,目前尚不十分清楚。本实验旨在研究速生材杨木 P-RC APMP浆与桉木 BKP浆的混合浆的物理性能和光学性能,探讨其协同效应的产生规律。

1 实 验

1.1 原料

速生材杨木 P-RC AP MP浆取自山东某厂,原浆游离度 (CSF)为 480 mL (相当于 26°SR);桉木BKP浆取自江苏某厂,原浆 CSF为 700 mL。

1.2 设备与仪器

PFI打浆机,Lorentzen&Wettre Co.Ltd.,瑞典;1107型浆料疏解器,Lorentzen&Wettre Co.Ltd.,瑞典;7407S型标准纸页成形器,Mavis EngineeringLtd.,英国;SE 009型撕裂度测试仪,Lorentzen&Wettre Co.Ltd.,瑞典;SE 062型抗张强度测定仪,Lorentzen&Wettre Co.Ltd.,瑞典;万能拉力机 (配有 Finch装置),Albert-Thwing Co.Ltd.,美国;CO I C电脑摄影生物显微镜,重庆光电有限公司,中国。

1.3 实验方法

将速生材杨木 P-RC APMP原浆板浸泡 4 h,在浆料疏解器疏解 30000转后,用布氏漏斗浓缩 (标记为HYP480),取部分样品测定游离度;在 PFI打浆机中将部分浆样打浆至 CSF 250 mL (标记为 HYP250);桉木 BKP商品浆板浸泡 4 h,疏解 30000转后,用布氏漏斗浓缩,在 PFI打浆机中打浆至 CSF 425 mL。浆料纤维质量分析采用 L&W Fiber Tester 912型,瑞典Lorentzen&Wettre Co.Ltd.。两种游离度的杨木P-RC APMP浆分别与桉木 BKP浆 (CSF 425 mL)在实验室条件下配抄手抄片,其中,杨木P-RC APMP浆配比依次为 0、10%、15%、20%和 100%;抄片在标准纸页成形器上进行,抄出的手抄片在专用的手抄片干燥装置上干燥。手抄片测试前在相对湿度(50±2)%,温度 (23±1)℃下平衡4 h以上。各操作过程均严格参照相关标准。

2 结果与讨论

桉木 BKP浆与杨木 P-RC APMP浆打浆前后的性能指标如表1所示。

2.1 杨木 P-RC APMP浆配比对混合浆松厚度的影响

浆料松厚度的提高对于改善印刷用纸的印刷适印性和纸板的挺度都是有益的。本实验所用速生材杨木P-RC APMP浆在 CSF 480 mL和 250 mL下的松厚度分别为 2.34 cm3/g和 1.91 cm3/g,大大高于 100%桉木 BKP浆的 1.52 cm3/g。由图1可见,杨木 P-RC APMP浆与桉木BKP浆的混合浆张松厚度均比 100%桉木BKP浆的高。随着杨木 P-RC APMP浆配比的增加,混合浆的松厚度呈明显增加的趋势。当杨木 PRC APMP浆配比为 20%时,HYP480和 HYP250分别与桉木BKP浆配比后,混合浆的松厚度分别比 100%桉木 BKP浆的增加了 14.7%和 7.6%。

图1 杨木 P-RC APMP浆配比对混合浆松厚度的影响

2.2 杨木 P-RC APMP浆配比对混合浆白度和不透明度的影响

由于杨木 P-RC APMP浆纤维在很大程度上保留了木材原料中木素,浆料本身白度只有 74.6%,比桉木BKP浆低很多。杨木 P-RC APMP浆配比对混合浆白度和不透明度的影响见图2。由图2可以看出,随着杨木 P-RC APMP浆配比的增加,混合浆的白度呈逐渐下降的趋势。显然,低白度的杨木 P-RC APMP浆与桉木 BKP浆混合后,不能与桉木 BKP浆在白度上产生协同效应。由于杨木 P-RC APMP浆白度是影响混合浆白度的主要因素,因此要提高混合浆的白度,应首先考虑提高杨木 P-RC AP MP浆的白度。

随着杨木 P-RC APMP浆配比的增加,混合浆的不透明度提高很明显,尤其在杨木 P-RC APMP浆配比 15%时,HYP480和 HYP250分别与桉木BKP浆的混合浆的不透明度较 100%桉木BKP浆的不透明度分别提高了 3.9个百分点和 3.2个百分点。高得率浆本身具有较高的不透明度,其较高的细小组分含量,也赋予纸张较高的光散射能力。较高的不透明度可以防止印刷时纸张的透印,这对于新闻纸等印刷纸种非常重要,在纸张定量较低时仍可以保证有较高的不透明度。对于给定白度和游离度范围的浆种,其不透明度与松厚度有关,不透明度随松厚度的提高而提高[7]。

表1 PFI打浆前后浆料的性能指标

图2 杨木 P-RC APMP浆配比对混合浆白度和不透明度的影响

2.3 杨木 P-RC APMP浆配比对混合浆强度性能的影响

2.3.1 杨木 P-RC APMP浆对混合浆抗张强度和抗张能量吸收的影响

将两种不同 CSF(480 mL和 250 mL)的杨木P-RC APMP浆分别与桉木 BKP浆配比后,实验测得的混合浆抗张指数 (HYP480与 HYP250)和根据混合浆两组分各自抗张指数计算的加权值之和(Weighted480和 Weighted250)如图3所示。以HYP480在配比 15%时的实验数据为例,两种浆料混合后两组分各自的抗张指数加权值之和 (Weighted480)为:

式中:41.2为桉木 BKP浆 (30°SR)的抗张指数值;15.9为杨木 P-RC APMP浆在 CSF 480 mL下的抗张指数值;15%为杨木 P-RC APMP浆的配比;(1-15%)为桉木 BKP浆的配比。

从图3可以看出,尽管杨木 P-RC APMP浆的抗张强度比桉木 BKP浆的低,但是混合浆的抗张强度始终高于两种浆各自的抗张指数加权值之和。这一现象表明,杨木 P-RC APMP浆和桉木 BKP浆发生了协同效应,并且杨木 P-RC APMP浆的游离度和配比不同,协同效应发生的程度差异较大。当 HYP480在配比低于 18%和 HYP250在配比不超过 20%时,它们的抗张强度不仅高于两种浆各自的抗张指数加权值之和,而且还超过了 100%桉木 BKP浆的抗张强度,是发生协同效应最显著的区域。图3显示,两种混合浆的最高抗张强度分别出现在杨木 P-RC APMP浆配比为 15% (HYP480)和 10% (HYP250)的条件下,它们分别比 100%桉木 BKP浆的抗张强度高出25.3%和 13.6%。当杨木 P-RC APMP浆的配比超过21%以后,两种混合浆的抗张强度都迅速下降并低于100%桉木BKP浆的抗张强度。

图3 杨木 P-RC APMP浆配比对混合浆抗张强度的影响

此外,图3中 HYP250与桉木 BKP浆混合时的抗张强度始终比 HYP480与桉木 BKP浆混合时的高,说明与桉木 BKP浆配比的杨木 P-RC APMP浆的结合强度越高 (或游离度越低),两者发生协同效应的效果越好。由此可见,用于配抄的高得率浆本身的强度性质是十分重要的,这与 Eric Xu[3-4]之前的研究结果是一致的。

图4 杨木 P-RC APMP浆配比对混合浆抗张能量吸收的影响

速生材杨木 P-RC APMP浆和桉木 BKP浆之间的协同效应也会表现在抗张能量吸收方面。如图4所示,虽然杨木 P-RC APMP浆的抗张能量吸收比桉木BKP浆低很多 (一般在 20 J/m2以下),但是除了HYP480在配比 13%～16%的小范围内与桉木 BKP浆混合后出现了协同效应外,对于HYP250而言,当配比小于 20%时,基本上都有协同效应的发生。当HYP250配比为 10%时,混合浆的抗张能量吸收达到了 88.9 J/m2,大大高出了 100%桉木 BKP浆 (82.3 J/m2)及此时混合浆两组分加权值之和Weighted250(75.6 J/m2)。

值得注意的是,与 HYP250相比,HYP480仅在较小的配比区间(13%～16%)内发生协同效应。这表明,杨木 P-RC AP MP浆的游离度

大小对于其能否与桉木 BKP浆在抗张能量吸收方面发生协同效应有着重要的影响。

此外,从图3和图4中还可以看出,HYP250与桉木BKP浆在抗张强度和抗张能量吸收方面发生协同效应的最佳配比为 10%～15%。HYP250配比低于10%时,不利于生产实际中更多地使用高得率浆和减少阔叶木化学浆的使用量;HYP250配比大于 15%后,由于混合浆中杨木 P-RC APMP浆纤维的结合强度较低,加之浆中细小纤维含量的大幅增加,将会降低混合浆纤维间的结合强度,导致成纸抗张强度和抗张能量吸收的快速下降。

2.3.2 杨木 P-RC APMP浆配比对混合浆撕裂指数的影响

图5 杨木 P-RC APMP浆配比对混合浆撕裂强度的影响

图6 速生材杨木 P-RC APMP浆打浆前后的纤维显微形态 (×100)

浆料的撕裂度主要受纤维平均长度的影响,其次是纤维间的结合强度。从图5可以看出,只有HYP250的混合浆撕裂指数仍然大于混合浆两组分加权值之和Weighted250,并且在配比 10%左右时甚至高出 100%桉木BKP浆的撕裂指数,体现出较好的协同效应。而 HYP480的混合浆其撕裂指数在配抄范围内始终低于两组分加权值之和 Weighted480,即在CSF 480 mL的条件下,杨木 P-RC APMP浆不能够与桉木BKP浆在撕裂强度方面产生协同效应。究其原因,杨木 P-RC APMP浆在 PFI打浆前后,尽管HYP480和 HYP250在纤维长度和宽度上未发生较大的变化 (见表1),但是它们的纤维结合强度却发生了较大改变。这可以从以下两方面得到证实:①从实验测得的浆料抗张强度看,HYP480和 HYP250的抗张强度分别为 15.9 N·m/g和 27.2 N·m/g(表1或图3),HYP250抗张强度较 HYP480提高了 71%,二者相差悬殊;②从显微镜下观测到的两种浆料的纤维表面的显微形态 (见图6)看,经过 PFI打浆后的纤维表面起毛较多,说明纤维的外部细纤维化程度有一定程度的增加,有利于提高纤维间的结合强度。另外,打浆后由于浆料纤维的比表面积比打浆前有所增加,纤维表面的半纤维素含量也相应地有所增加,进一步促进了纤维间结合强度的提高。

2.4 杨木 P-RC APMP浆配比对混合浆湿抗张强度的影响

图7 杨木 P-RC APMP浆配比对混合浆湿抗张强度的影响

杨木 P-RC APMP浆配比对混合浆湿抗张强度的影响见图7。由图7可以看出,只有 HYP250与桉木BKP浆配比时,混合浆的湿抗张强度出现协同效应,并在 HYP250配比为 10%时,混合浆的湿抗张强度达到最高。而 HYP480与桉木 BKP浆配比时,混合浆的湿抗张强度总是低于两种浆的加权值之和,说明HYP480和桉木 BKP浆在湿抗张强度方面没有出现协同效应。浆张的湿抗张强度与其浆张结构有很大的关系。在其他条件不变的情况下,浆张结构越密实,即紧度越大,其抗张强度越能得到较大程度的保留。因此,配比高松厚度 HYP480后的混合浆的湿抗张强度明显不及配比 HYP250后的混合浆。

3 结 论

3.1 两种不同游离度 CSF(480 mL和 250 mL)的速生材杨木 P-RC APMP浆分别与桉木 BKP浆混合,混合浆的松厚度和不透明度均随着杨木 P-RC APMP浆配比的增加而增加,白度较低的杨木 P-RC APMP浆会影响混合浆的白度。

3.2 游离度较低的速生材杨木 P-RC APMP浆与桉木BKP浆混合,混合浆可以在抗张强度、抗张能量吸收、撕裂强度以及湿抗张强度等方面产生较好的协同效应。但是游离度较高的杨木 P-RC APMP(如HYP480)与桉木BKP混合却不能产生或仅能产生较弱的协同效应。

3.3 杨木 P-RC APMP浆游离度的高低是影响其与桉木BKP混合后发生协同效应的重要因素。杨木 P-RC APMP浆的游离度越低,纤维结合强度越大,越有利于混合浆产生较强的协同效应。

[1] 周亚军,袁志润,江智华.高得率浆的特点和应用[J].国际造纸,2007,26(1):1.

[2] 乔 民,黄 驰.杨木 HYP替代 HBKP抄造不含磨木浆的低定量涂布纸[J].造纸化学品,2008,20(2):68.

[3] Xu C,Zhou Y.Synergistic effects between chemicalmechanicalpulps and chemicalpulps from hardwoods[J].TappiJournal,2007,6:4.

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[5] Xu C,Zhou Y.Synergistic effects between P-RC APMP and bleached kraft pulps from Canadian aspen[J].Appita,2005,58(6):481.

[6] Xu C,Zhou Y.Synergistic effects between birch chemicalmechanical pulps and aspenbleached kraft pulp[J].Journal of Tianjin University of Science and Technology,2004,19:7.

[7] 周亚军,张栋基,李甘霖.漂白高得率化学机械浆综述[J].中国造纸,2005,24(5):55.

Synergistic Effects of Fast-grow ing Poplar P-RC APM P and Bleached Eucalyptus Kraft Pulp

YANGBo HOU Qing-xi＊WEN Hao
(Tianjin Key Lab of Pulp and Paper,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin,300457)

The fast-growing poplar P-RC APMP with two different freenesses were mixed respectively with a bleached eucalyptus kraft pulp(BKP).The synergistic effect between the poplar P-RC APMP and eucalyptusBKPwas explored by investigating the changesof the physical and optical properties of the blended pulps.The results showed that after blending the low-strength poplar P-RC APMP and eucalyptusBKP,a synergistic effects of the tensile strength,tensile energy absorption(T.E.A),re-wet tensile strength,tear strength,and so on could be occurred.The bulk and opacity of the blended pulp increased as the blending ratio of the poplar P-RC APMP increased.About 14%～25%increase in tensile strength of the blended pulp could be obtained compared to the eucalyptus BKP alone.However,the brightness of the blended pulp was impacted by that of the poplar P-RC APMP.

poplar P-RC APMP;eucalyptusBKP;synergistic effect;blending

TS749+.1

A

0254-508X(2011)06-0001-05

杨 波先生,在读硕士研究生;主要研究方向:清洁制浆和污染控制。

(＊E-mail:qingxihou@tust.edu.cn)

2011-01-04(修改稿)

本课题得到科技部中加国际科技合作项目 (2008DFA91290)和天津市科技创新体系及条件平台建设计划项目 (10SYSYJC28000)资助。

(责任编辑:陈丽卿)