化机浆性能的优化——添加同种低游离度化机浆对成纸性能的影响

陈 菊 张美云 王 建

（陕西科技大学，陕西西安，710021）

化学机械浆（以下简称“化机浆”）自20世纪问世以来，以高得率、高松厚度、低成本、低污染等特点迅速发展［1］。目前，国外化机浆主要为BCTMP（Bleached Chemi-thermo Mechanical Pulp，漂白化学热磨机械浆），我国化机浆是以P-RC APMP（Preconditioning Refiner Chemical-alkaline peroxide mechanical pulping，盘磨化学预处理碱性过氧化氢机械浆）为主［2］。

松厚度与强度是纸张的重要质量指标，然而纸张的松厚度与强度之间存在难以协调的对立，提高松厚度则强度降低；而提高强度，松厚度就会下降。一般通过合理打浆、添加优质纤维等方式获得平衡［3］。对于化机浆来说，由于其具有与常规化学浆不同的特性，即细小纤维是强度性能的保障［4-5］，因此，采用一定工艺处理化机浆，在保证较高强度的前提下，实现高松厚度。本实验将低游离度浆添加至高游离度浆中，研究了低游离度浆对纸张性能的影响，并通过优化适宜的添加量实现一定强度的纸张同时具有较高的松厚度。

1 实验

1.1 原料

取自国内某厂加拿大标准游离度（CSF）为500mL的杨木P-RC APMP，浆料性质见表1。

表1 杨木P-RC APMP的基本参数

1.2 主要设备和仪器

纤维疏解器、槽式打浆机、PFI磨浆机、TAPPI标准抄片器、BBS-3纸张成形器、加拿大游离度仪、内结合强度仪、抗张强度测试仪、鲍尔筛分仪、SEM（扫描电镜）和PMI（毛管流动孔隙仪）。

1.3 实验内容与方法

（1）采用PFI磨浆机进行打浆，磨盘间隙0.2mm，打浆浓度10％，获得游离度为60mL的浆料（称为低游离度浆），浆料性质见表1。

（2）将CSF为60mL的浆料分别以10％、15％、20％、25％、30％的质量分数添加到CSF为500mL的原浆中，所获浆料称之为混合浆1#、混合浆2#、混合浆3#、混合浆4#、混合浆5#，游离度分别为470、440、410、390、370mL。

（3）按如上方法对CSF为500mL的P-RC APMP进行打浆，获得CSF分别为470、440、410、390、370mL的浆料，分别记为对比浆1#、对比浆2#、对比浆3#、对比浆4#、对比浆5#。

（4）采用Tappi标准抄片器进行白水循环方式抄纸（即第一张手抄片采用清水抄造，收集其白水用于抄造下一张手抄片，不再添加清水；收集第二张手抄片的白水用于抄造第三张手抄片，不再添加清水；以此类推），共抄造10张手抄片，前5张只用于制白水，不作为纸样进行检测，而后5张作为纸样进行检测；手抄片采用自然风干干燥，纸张性能按照国家相关标准进行测试。

（5）利用鲍尔筛分仪对混合浆2#、混合浆3#、混合浆4#、对比浆2#、对比浆3#、对比浆4#分别进行筛分实验。

（6）利用SEM观察混合浆和对比浆手抄片的内部结构网络。

（7）利用PMI测定混合浆和对比浆手抄片的孔径。

2 结果与讨论

2.1 添加低游离度浆对混合浆成纸性能的影响

（1）低游离度浆添加量的影响

图1 低游离度浆添加量对混合浆成纸性能的影响

由图1可知，随低游离度浆添加量的增加，混合浆成纸的松厚度变化率（变化率是指混合浆对对比浆的变化率）不断下降，抗张指数变化率和内结合强度变化率持续升高，但是在低游离度浆添加量大于25％之后，抗张指数变化率出现下降趋势。这说明，添加一定量低游离度浆有助于提高混合浆成纸的强度性能，但不利于松厚度的改善。由表1可知，低游离度浆的CSF为60mL，又含有45.39％的细小纤维（P200）。因此，当增加低游离度浆添加量时，混合浆中细小纤维含量增加，有利于纤维之间结合力的增强，进而提高纸张强度，但松厚度下降。当低游离度浆添加量超过25％之后，混合浆中细小纤维含量过多，反而会导致纸张强度下降。另外，粗大纤维含量相对减少，导致纤维平均长度变短，这也是纸张松厚度降低的一个原因。

（2）纸张松厚度与强度性能的关系

从图2可以看出，随松厚度的增加，对比浆和混合浆的强度性能均降低；当松厚度低于3.6cm3/g时，混合浆成纸强度高于对比浆成纸强度，否则相反。这说明若松厚度低于3.6cm3/g时，添加低游离度浆至高游离度浆中可获得相同松厚度下高强度的纸张，因此，可以利用在高游离度浆中添加低游离度浆的方法来提高化机浆成纸的强度而不降低松厚度或提高松厚度而不降低强度。

图2 混合浆与对比浆成纸松厚度与强度性能的关系

由图2可判断出松厚度3.6cm3/g是关键点，其浆料性能如表2所示。由表2可知，当低游离度浆的添加量为15％时，混合浆相对于对比浆的松厚度提高幅度低于强度下降幅度，这说明添加低游离度浆对混合浆强度的负影响较对松厚度的正影响强；当其添加量为20％时，松厚度提高3.4％，抗张指数提高4.2％，这说明在抗张指数基本相同的前提下，可实现松厚度的提高；当其添加量为25％时，松厚度下降约5.5％，抗张指数提高31.9％，表明此条件下添加低游离度浆对强度的正影响较强。因此，随低游离度浆添加量从15％增至25％，实现了混合浆中低游离度浆对强度的负影响到正影响的转变，对松厚度的正影响到负影响的转变。进而认为，在纸张强度相近的条件下为使成纸具有较高的松厚度，低游离度浆添加量以20％为宜。

表2 混合浆与对比浆成纸性能的差异

表3 混合浆与对比浆的筛分结果 ％

2.2 添加低游离度浆对混合浆纤维不同级分含量的影响

表3列出了混合浆和对比浆的筛分结果。由表3可知，随低游离度浆添加量从15％（混合浆2#）增加到25％（混合浆4#），与对比浆相比，混合浆R30纤维含量的变化最大，但是由于其含量少，不作为考虑的重点。R50、R100、R200、P200的纤维中，混合浆P200纤维含量较对比浆高出约25％，且基本稳定；R50纤维含量变化范围最大，且越变越小；R100、R200也不断增大。结合纸张性能，对松厚度的影响主要是由R50、R100、R200纤维造成的。

低游离度浆添加量为20％（混合浆3#）时，实现了相同强度下的高松厚度，R50、R100、R200之间存在着一个平衡点，而R50的降低和R100、R200的增加都对强度有利，那么松厚度为什么会升高呢?推测认为，在松厚度增加率不为负的范围内，强度有了较大提高，因此，实现了相同强度的高松厚度，即在R50降低到一定程度时，R100、R200有较大幅度的提升，可能为一个临界点。可能是化机浆中的长纤维形成纤维网络骨架结构，细小纤维填充或桥联在骨架网络中，当低游离度浆添加量增加，则相对粗大的纤维网络变小，且过多的细小纤维易覆盖在粗大纤维上，使松厚度下降，但纤维维网络之间的连接却增加，纤维结合面积增加，进而纸张强度得到提高。

2.3 光学显微镜、SEM及PMI分析

从图3发现，高游离度浆中的纤维比较粗壮和硬挺，纤维表面比较光滑，有少量的纤维碎片存在，单根纤维末端有一定的分丝帚化现象。低游离度浆中，纤维被严重压溃和切断，表面细纤维化程度高，并有大量丝状细小纤维存在，这是由于PFI打浆时对纤维的切断作用小，而对纤维的分丝帚化及表面细纤维化作用显著所致［6］。

高游离度浆中P200细小纤维主要是呈带状、片状和丝状形态，其他则为一些纤维粒子；而低游离度浆中P200细小纤维已基本看不到细小纤维碎片和粒子，丝状纤维和单根纤维表面的细纤维化均可以明显观察到。

随着细小纤维含量增加，细小纤维组分对纸张强度性能可能有更大的贡献，由于丝状细小纤维对纸张强度性能的增加有利，但对纸张松厚度却有不利影响。

由图4可知，对比浆3#成纸中的粗大孔洞较混合浆3#成纸中的多，而混合浆3#成纸中的纤维碎片较对比浆3#成纸中的多。这说明添加低游离度浆后，细小纤维能有效留在纸张中，填充粗纤维孔隙，进而提高纸张强度。

图3 高游离度浆与低游离度浆的纤维形态

对比图4（b）和图4（c）可知，随低游离度浆添加量增加，混合浆中粗大纤维变少，但由于纤维是随机分布的，因此纸张中大孔洞还会存在，但是数量减少，表现为平均孔径降低（见表4）；但是细小纤维填充在有限的孔洞中，细小纤维的相互作用表现明显，因此松厚度降低而强度增加。

图4 混合浆与对比浆成纸的SEM图

表4 混合浆与对比浆成纸孔径的比较 μm

3 结论

用PFI磨制备低游离度的杨木P-RC APMP，并将其添加到高游离度杨木P-RC APMP中获得混合浆，然后对混合浆成纸性能进行研究。

3.1 在高游离度浆中添加适量的低游离度浆能改善混合浆成纸的强度性能。

3.2 在风干干燥方式下，低游离度浆添加量为20％时，混合浆在与对比浆基本相同的强度下可获得较高的松厚度。

3.3 随低游离度浆添加量的增加，丝状细小纤维增加，且细小纤维能有效留在纸张中，填充粗纤维孔隙，进而提高纸张强度。

［1］Zhou Yajun.High Yield Pulps（HYP）in Paper and Board［C］//90th Annual Meeting.Pulp and Paper Technical Association of Canada，2004（B）：143.

［2］Xu Eric C，Zhou Yajun.Synergistic Effects between P-RC APMP and Bleached Kraft Pulps from Canadian Aspen［J］.Appita，2005，58（6）：481.

［3］Zhou Yajun，Garth Collins.Research and product development in high yield pulp（HYP）at Tembec［C］//ISETPP.Guang Zhou，2002：210.

［4］Haives John M.The Contribution of Different Types of Fines to the Properties of Handsheets Made from Recycled Paper［J］.Progress in Paper Recycling，1993（11）：96.

［5］MossP A，Retulainen E.The effect of fines on fiber bonding：crosssectional dimensions of TMP fibers at potential bonding sites［J］.Pulp Pap Sci，1997，23（8）：382.

［6］张 荣，王高升，陈夫山.化学浆的细纤维化对高得率浆性能的影响［J］.中国造纸，2010，29（1）：18.