杨木P-RC APMP细小纤维筛分组分对纸张性能的影响

林 涛， 李 雪， 宋建伟， 殷学风， Mousa M.Nazhad

(1.陕西科技大学 轻工与能源学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室 教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室， 陕西 西安 710021; 2.亚州理工学院 制浆造纸技术中心， 泰国 巴吞他尼 12110)

0 引言

P-RC APMP 制浆工艺是温和的化学预处理加盘磨化学处理碱性过氧化氢漂白机械制浆方法，是上世纪90 年代基于APMP 制浆工艺而发展起来的新工艺[1-3].P-RC APMP由于其本身独特的制浆工艺而含有相当数量的细小纤维，可以预见这些细小纤维在造纸生产中宏观上仍具有不同浆种细小纤维所具有的共性功能，比如，影响造纸湿部的运行、影响纸张的绝大部分物理强度和光学性能等[2].在P-RC APMP浆应用越来广泛的趋势下，有必要对P-RC APMP浆的细小纤维进行探讨以使P-RC APMP浆得到更好利用.

不同网目筛分下的细小纤维因其尺寸、形态、比表面积、表面电化学等方面的差异会导致细小纤维吸水润胀能力和表面吸附能力的不同，从而影响造纸湿部运行和纸张综合性能.

本研究以18 °SR的杨木P-RC APMP为原料，利用SWECO圆形振动筛筛分出三个类别(P200、P300、P400)的细小纤维，观察其形态，测定黏度、比沉降容积、表面电荷等参数，对比研究了不同P-RC APMP细小纤维筛分组分下所得纸张的性能，探讨不同细小纤维筛分组分对纸张性能的影响.

1 实验

1.1 实验原料

18 °SR杨木P-RC APMP风干浆(取自河南濮阳龙丰)、MgSO4(分析纯)、去离子纯净水.

1.2 仪器设备

PFI磨浆机，SWECO圆形振动筛，多媒体光学显微镜，DDJ动态滤水仪，PCD-03型胶体电荷分析仪，LVDV2+型粘度计，纤维质量分析仪(FQA)，BBS-3纸页成型器，YQ-Z-48B白度仪，DC-HJY03电脑测控厚度紧度仪，SEO64抗张强度仪，格尔莱透气度仪等.

1.3 实验方法

1.3.1 浆料准备

用PFI磨浆机进行磨浆，将杨木P-RC APMP原浆(18 °SR)磨浆至68 °SR，测定水分后备用.

1.3.2 筛分

将原浆(18 °SR)充分疏解后利用SWECO圆形振动筛进行筛分(200目筛网)，初始筛分浓度为0.1%，并同时收集P200细小纤维组分和对应筛后纤维组分，将筛出的细小纤维悬浮液静置48 h后，抽出上层清夜，调浓后备用.

将68 °SR浆料充分疏解后利用SWECO圆形振动筛进行多级筛分(200目、300目、400目筛网)，筛分浓度为0.1%，分别得到P200、P300、P400 3个筛分的细小纤维组分和对应筛后纤维组分.将筛出的细小纤维悬浮液静置48 h后，抽出上层清夜，调浓后备用.用DDJ测定打浆后的未筛浆和筛后浆中的细小纤维含量，并计算细小纤维筛分收益率.

1.3.3 标准纤维的制备

将上述去除300、400目细小纤维后的浆料再用SWECO圆形振动筛进行筛分(200目筛网)，筛除其中剩余的细小纤维，然后与前面去除200目细小纤维后的浆料混合脱水，测定水分后备用.

1.3.4 细小纤维和筛除细小纤维后纤维形态观察

对原浆(18 °SR)和68 °SR浆料筛分得到的细小纤维取样制片，利用多媒体显微镜观察细小纤维形态，同时观察68 °SR浆料筛除P200细小纤维后纤维形态的变化.

1.3.5 细小纤维特性指标测定

表面电荷、粘度、比沉降容积.

1.3.6 细小纤维FQA检测

分别对68 °SR浆料筛分得到的细小纤维筛分组分(P200、P300、P400)用FQA进行纤维质量分析.

1.3.7 抄片与物理性能检测

分别向标准纤维组分中添加P200、P300、P400细小纤维，并加入CPAM以助于细小纤维的留着.细小纤维添加比例为20%，CPAM的用量为0.04%.用添加细小纤维的纸浆进行抄纸，同时设置纯标准纤维(筛后未添加细小纤维)抄纸作为对照，按相关标准检测手抄片物理性能.手抄片的定量为(60±3)g/m2.

2 结果与讨论

2.1 细小纤维和筛除细小纤维后纤维形态特征

由图1、图2对比可以看出，原浆中P200细小纤维主要是带状和片状，其他则为一些块状细小纤维，而68 °SR浆中的P200细小纤维可以观察到一些丝状组分和纤维碎片，还存在少量片状组分.这说明，打浆度的提高可以增加丝状细小纤维的含量，这些丝状细小纤维是纤维表面不断细纤维化后的结果.而对比68 °SR浆中的P300、P400细小纤维可以发现，丝状组分和块状细小纤维有进一步增多的趋势，而大尺寸的纤维碎片和片状组分则不断减少.有资料显示，丝状细小纤维对纸张的强度性能的增加有积极的贡献，它具有更高的压缩常数，而片状细小纤维对纸张更偏重于“填充”的作用[3].

图1 原浆中P200细小纤维形态

图2 68 °SR浆中不同筛分下细小纤维形态

图3 筛除P200细小纤维后68 °SR浆纤维形态

由图3可以看出，筛除P200细小纤维后的浆料中，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.

2.2 P-RC APMP细小纤维含量及筛分收益率

由表1可知，三种细小纤维筛分组分的筛分收益率均在80%以上，即可以用所制备收集的细小纤维进行实验，其性能可以表征打浆所得细小纤维的特征.另外，细小纤维筛分收益率随着筛网目数的增加而递减.

表1 细小纤维含量及收益率

注：细小纤维收益率=1-(筛分后的浆料细小纤维含量/未筛分的浆料细小纤维含量)

2.3 P-RC APMP细小纤维特性指标

表2 P-RC APMP各细小纤维筛分组分特性指标

由表2可以看出，表面电荷量：P200细小纤维

2.4 P-RC APMP细小纤维FQA指标

由表3可以看出，P-RC APMP细小纤维的平均长度小于0.2 mm，且筛网目数越高平均长度越小，所配制细小纤维溶液中长度在0～0.2 mm之间的细小纤维含量均大于70%，其中P400细小纤维中的含量大于80%.从表中还可以看出，随着筛网目数的增加，细小纤维卷曲和扭结程度均增大，而卷曲和扭结程度提高的同时，与纤维之间的结合点增多，结合面积增加，有利于成纸强度的提高.

表3 PRC-APMP各细小纤维筛分组分FQA指标

说明：细小纤维溶液浓度为0.5 mg/L，设定检测细小纤维的长度范围为：0～0.2 mm.

2.5 不同P-RC APMP细小纤维筛分组分对成纸性能的影响

2.5.1 松厚度、透气度

由表4可以看出，相对添加细小纤维所抄纸张，去除细小纤维后，纸张的松厚度最高.细小纤维组分在纤维网络中发挥填充和架桥作用，去除细小纤维后，纤维网络结合不再致密，大量的长纤维暴露出来，从而使纸张变得蓬松，所以，细小纤维对纸张的松厚度是不利的.且筛网目数越高的细小纤维越不利纸张松厚度，这是因为筛网目数越高的细小纤维尺寸更小，呈纤丝状，丝状组分比表面积大，与纤维间的交织面积更大，从而更易于充斥在纤维的空隙间，形成了一个紧凑而致密的纤维网络系统，从而更能降低纸张松厚度.细小纤维对纸张透气度的影响与对纸张松厚度的影响趋势基本一致，这是因为去除细小纤维后，增加了纸张纤维间的空隙，从而提高了纸张透气度.添加P400细小纤维所抄纸张透气度最低，P200与P300细小纤维对透气度的影响差不多.这是因为筛网目数越高的细小纤维多数呈纤丝状，尺寸及形态一致性更高，在纸张中它们可紧密地沉积在纤维表面，从而减少了纸张纤维间的空隙[6]，故添加P 400细小纤维的纸张透气度最低.

表4 不同P-RC APMP细小纤维筛分组分对成纸性能的影响

2.5.2 抗张强度、耐破度

由表4看出，相对添加细小纤维所得到纸张的性能而言，筛出细小纤维后纸张的强度性能降低了，这说明细小纤维能增加纸张的强度性能.这是由于细小纤维的存在使得纤维之间接触面积增大，形成了更多氢键，结合更为紧密，使得强度增加[7].另外由表4可以看出，添加不同目数的细小纤维后，所得纸张强度性能的大小顺序是P400>P300>P200，这说明细小纤维越小，对纸张的强度越有利，这是因为筛网目数越高的细小纤维含有更多的丝状组分，更易于充斥在纤维的空隙间，形成了一个致密而紧凑的纤维网络，增加了纤维间的结合强度.因此添加细小纤维的级别越高，对强度影响更大.

2.5.3 不透明度

由表4可以看出，相对添加细小纤维所得到纸张，筛出细小纤维后纸张的不透明度最高，这是因为添加细小纤维后，纸页中的空隙被细小纤维所填充，纤维间结合更加紧密，纤维间隙更少，减少了光线的反射或散射以及吸收的程度[8-10]，从而使得纸张的透明性增加，不透明度降低.另外细小纤维的级别越高，纸张的不透明度更低，这是因为筛网目数越高的细小纤维，其中纤丝状细小纤维含量高，而筛网目数低的细小纤维中片状细小纤维含量高，纤丝状细小纤维含量高的细小组分对纸张的不透明度有消极的影响，而片状细小纤维含量高的细小组分则有积极的影响[11-12]，故添加P400细小纤维的纸张不透明度最低.

3 结束语

(1)在打浆过程中，随着打浆度的升高，丝状细小纤维含量增多了.且筛网目数越高的细小纤维含有更多的丝状组分，而大尺寸的纤维碎片和片状组分则不断减少.筛除细小纤维后的浆料中，纤维之间虽然不存在细小组分，但纤维表面仍有大量的丝状纤维存在.

(2)筛网目数越高，所得细小纤维的表面电荷、粘度和丝状组分含量越高.

(3) P-RC APMP细小纤维的平均长度不超过0.2 mm，且筛网目数越高，平均长度越短，卷曲和扭结程度均随筛网目数的增加而增大.

(4)细小纤维能降低纸张的松厚度、透气度，且细小纤维的级别越高降低程度越大.

(5)细小纤维能提高纸张的强度性能，且细小纤维的级别越高，对纸张的强度越有利.

(6)细小纤维能降低纸张的不透明度，且细小纤维的级别越高，不透明度越低.

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