不同制样方法对废纸脱墨浆光学性能的影响

雷 龙 冯文英

(1.中国制浆造纸研究院，北京，100102;2.制浆造纸国家工程实验室，北京，100102)

脱墨浆光学性能的检测指标主要包括光散射系数、有效残余油墨浓度 (ERIC)及白度等，其中，光散射系数对ERIC和白度的测定有较大的影响[1-3］。对于成分相对较复杂的脱墨浆，其所含的填料、油墨及细小纤维等都会对光散射系数、ERIC及白度等的准确测量产生一定的影响，进而影响脱墨效果的评价。因此，研究填料、油墨、细小纤维等组分对光学性能的影响十分重要。科研工作者对此展开了大量的研究，包括填料对光散射系数、光吸收系数以及油墨粒子浓度的影响[4］、700 nm和950 nm两种波长对不同颜色油墨粒子ERIC测定的影响[5］、采用光散射系数的修正公式来减小因不透明度大于97%对ERIC测定带来的误差[6］以及采用ID(油墨剥离率)、IE(油墨去除率)评价脱墨效果[7-8］等。而有关不同废纸浆及制样方法对光学性能影响的研究较少，废纸浆及其制样方法对浆料中填料、油墨、细小纤维等组分的影响较大，进而对测试介质的光学性能带来较大的影响。

本实验以两种废纸浆及其经浮选和充分洗涤后的脱墨浆为原料，采用纸页成形器及布氏漏斗的制样方法制备了不同的浆片，研究了废纸脱墨浆不同制样方法对光学性能的影响。

1 实验

1.1 原料

国产旧报纸 (L-ONP)和欧洲旧报纸 (E-ONP)经碎浆、浮选脱墨和充分洗涤后，分别得到碎解浆、浮选脱墨浆 (F浆)和充分洗涤浆 (HW浆)[7］。

1.2 仪器和设备

PTI纸页成形器;布氏漏斗;Bauer McNett筛分仪;ERIC测定仪;马弗炉;L＆W纤维质量分析仪。

1.3 浆片的制备

按照 INGEDE方法 1[9］抄纸。在纸页成形器(150目滤网)上抄造手抄片，定量60 g/m2;在纸页成形器的滤网上采用垫布 (200目)的方式抄造浆片，定量60 g/m2;用布氏漏斗制备浆片，定量225 g/m2。具体步骤:取相当于3.5 g绝干浆的浆料，稀释到875 mL，用330 g/L硫酸铝调节pH值至6左右，搅匀，用直径140 mm布氏漏斗垫两张滤纸 (孔径1～3 μm的滤纸)过滤，之后夹在两张新滤纸中于94℃条件下真空干燥7 min，润湿滤纸后取下，换上两张新滤纸，再于94℃条件下真空干燥3～5 min。测定白度前揭开滤纸。

1.4 性能检测

白度 (GB/T 7974—2013)、ERIC(GB/T 20216—2006)、灰分 (TAPPI标准T211om—02)、细小纤维(GB/T 2678.1—1993)(浆料经 Bauer McNett筛分仪分级，过100目的组分)。

1.5 光学性能测定

根据GB/T 10339—2007，光散射系数与光吸收系数的定义式分别见式 (1)和式 (2);根据GB/T 20216—2006，ERIC的定义式见式 (3)。

式中，S为光散射系数，m2/kg;W为定量，g/m2;R0为单层反射因数;R∞为内反射因数;k为光吸收系数，m2/kg;ERIC为有效残余油墨浓度，m2/kg;kink为油墨的光吸收系数，设为10000 m2/kg。

从式 (1)～式 (3)可以看出，光散射系数、光吸收系数以及ERIC之间存在一定的关系，当浆片因某一因素引起光散射系数变化时，则光吸收系数与ERIC也会随之发生变化，进而影响浆片白度，导致光学性能的变化。

2 结果与讨论

2.1 不同废纸浆的基本性质

不同来源废纸浆中的灰分、细小纤维等含量不同，对纸张的光学性能影响较大。因此，对L-ONP和E-ONP的碎解浆、F浆和HW浆的纤维平均长度和细小纤维含量进行了检测，其结果见表1。

表1 L-ONP和E-ONP浆的基本性质

由表1可知，不同ONP浆的基本性质差异较大。L-ONP浆料的纤维平均长度较E-ONP浆的短，而细小纤维含量则较高。此外，经过浮选脱墨和充分洗涤后，脱墨浆的细小纤维含量差异也较大，F浆中细小纤维含量较碎解浆有所下降，而HW浆中细小纤维含量则下降明显，其中E-ONP的HW浆中细小纤维含量低于1%，因此认为在充分洗涤过程中剥离下来的油墨粒子、填料、细小纤维等基本被全部去除[7］。

2.2 不同制样方法对灰分含量的影响

文献[4］指出，填料对光学性能的影响较明显，尤其对光散射系数和白度的影响较大。而不同的制样方法对浆料中填料的留着率影响较大，因此，对不同制样方法成形的浆片灰分含量进行测定 (见图1)，以此分析不同制样方法对浆料中填料留着率的影响。

图1 不同制样方法对浆片灰分含量的影响

从图1可以看出，纸页成形器 (无垫布)成形的浆片灰分含量低于纸页成形器 (垫布)和布氏漏斗成形的浆片灰分含量。这表明在纸页成形器 (无垫布)成形浆片的过程中，大量的填料通过铜网随白水流失，这与其他学者的研究结果一致[10］。而在纸页成形器 (垫布)和布氏漏斗两种制样方法的制备过程中，由于200目的尼龙布和滤纸的截留作用大大提高了填料的留着率，浆片的灰分含量较高。但纸页成形器 (垫布)成形的浆片灰分含量较布氏漏斗成形的低，这是由于纸页成形器 (垫布)的制样方法对提高细小组分的留着虽有较大的贡献，但其截留作用还是低于布氏漏斗的截留作用。由图1还可以看出，碎解浆和F浆的灰分含量较HW浆的高出很多，而且碎解浆和F浆的不同制样方法制备的浆片灰分含量相差较大;其中，同一浆料的碎解浆和F浆经纸页成形器 (无垫布)成形的浆片灰分含量较布氏漏斗成形的浆片灰分含量低55%以上;而HW浆的不同制样方法制备的浆片灰分含量相差较小，这是因为浆料经过充分洗涤后，大量的细小纤维和填料被除去，从而对浆料制备过程中灰分的流失影响不大。

2.3 不同制样方法对光学性能的影响

2.3.1 不同制样方法成形浆片的光散射系数

由于布氏漏斗成形浆片的不透明度较高，一般接近100%，导致光散射系数无法检测，因此只测定了纸页成形器成形的浆片光散射系数 (见图2)。由图2可知，不论L-ONP浆还是E-ONP浆，纸页成形器(垫布和无垫布)制样得到的F浆与碎解浆浆片的光散射系数相差不大，且明显高于HW浆，光散射系数的变化趋势与浆料中细小纤维和灰分的变化趋势一致，这与Mika等人[10］的研究结果吻合。这是因为在近红外区域，填料对光散射系数有很大的贡献[4］，即相同浆料中细小组分的含量越高，光散射系数越大，同时文献[10］也指出，当细小纤维和填料含量较低时，它们对光散射系数的影响不大。

图2 不同制样方法成形浆片的光散射系数

2.3.2 不同制样方法对ERIC的影响

图3所示为不同浆料采用不同的制样方法成形浆片的ERIC。从图3中可以看出，大量的油墨粒子在纸页成形器 (无垫布)制备浆片过程中会随白水流失，而布氏漏斗制备浆片的过程则能基本截留全部油墨粒子，纸页成形器 (垫布)制样过程的截留油墨粒子能力略高于纸页成形器 (无垫布)制样过程。从图3还可以看出，E-ONP碎解浆中的油墨含量最高，纸页成形器 (无垫布)与布氏漏斗成形的浆片之间的ERIC相差最大，达508.4 mg/kg;L-ONP的HW浆中的油墨含量最低，纸页成形器 (无垫布)与布氏漏斗制备的浆片之间的ERIC值差值为40.8 mg/kg。表明浆料中油墨粒子含量越高，纸页成形器 (无垫布)与布氏漏斗成形的浆片之间的ERIC差值越大，当ONP浆料经过脱墨后，这两种制样方法成形的浆片间的ERIC差异明显减小，尤其是HW浆中的游离油墨粒子基本被全部去除，使两种制样方法制备的浆片之间的ERIC差异最小。

图3 不同制样方法对浆片ERIC的影响

由于HW浆经大量水冲洗，绝大部分填料、油墨和细小纤维等被除去，因此理论认为制样方法不会对HW浆片ERIC的测定产生影响[9］，但从图3结果可以看出，HW浆经过不同制样方法成形的浆片ERIC仍存在一定差值。尤其是E-ONP的HW浆中的油墨粒子含量依然较多，使得布氏漏斗成形的浆片ERIC较纸页成形器 (无垫布)成形的相差较大，因而为了测定浆料的油墨剥离率，HW浆应该采用纸页成形器成形的制样方法，才能更准确地反映油墨的剥离程度;而对于F浆和碎解浆则只有采用布氏漏斗成形的制样方法才能更准确地反映浆料中油墨粒子的真实含量。

2.3.3 不同制样方法对白度的影响

图4所示为不同浆料采用不同的制样方法成形的浆片白度。由图4可知，ONP浆经过浮选和充分洗涤后，脱墨浆的白度较碎解浆明显提高，且两种纸页成形器成形的浆片白度均高于相应布氏漏斗成形的浆片白度，这是因为油墨含量是影响废纸浆白度的一个重要因素。此外还发现L-ONP浆的HW浆不同制样方法成形的浆片白度均低于F浆。这说明浆片白度除了与浆料中油墨粒子含量及色度等有关外，还应与纸张中的灰分含量有关，因为填料含量的增加不仅能够提高浆片的光散射系数，还对白度有贡献[4］。在相同ONP的F浆和HW浆的油墨含量相差不大的情况下，灰分含量对白度的贡献表现得比较明显。

图4 不同制样方法成形的浆片白度

此外，从图4中还发现L-ONP浆的F浆和HW浆以及E-ONP的HW浆的不同制样方法成形的浆片白度相差较小，仅为0.3～0.9个百分点。这可能因为这3组浆料经过浮选脱墨或充分洗涤后，大量的游离油墨被去除，使得浆片之间的ERIC相差不大，尽管同一浆料其布氏漏斗成形的浆片中ERIC仍然高于纸页成形器成形的浆片ERIC，会影响纸张的白度，但是布氏漏斗成形的浆片中灰分含量高，这对提高浆片的白度有一定的帮助。但从图4中还发现E-ONP浆的F浆布氏漏斗成形的浆片白度明显低于HW浆的布氏漏斗成形的浆片白度，这与E-ONP浆的F浆中油墨粒子浓度依然很高有关，导致F浆的ERIC明显高于HW浆的ERIC，从而对浆片的白度有较大的影响，尽管F浆布氏漏斗成形的浆片白度中灰分含量高，但此时填料对白度的贡献不足以抵消高油墨粒子含量对白度产生的影响。

3 结论

3.1 纸页成形器 (垫布)的制样方法较纸页成形器(无垫布)制样方法能够有效地截留细小组分，但效果远不如布氏漏斗制样方法。碎解浆和浮选脱墨浆经纸页成形器 (无垫布)成形的浆片灰分含量较布氏漏斗成形的浆片灰分含量低55%以上。

3.2 纸页成形器 (垫布和无垫布)成形的浆片光散射系数相差不大。

3.3 E-ONP碎解浆中的油墨含量最高，纸页成形器(无垫布)与布氏漏斗成形的浆片之间的ERIC相差最大，达508.4 mg/kg，L-ONP的HW浆中的油墨含量最低，纸页成形器 (无垫布)与布氏漏斗成形的浆片之间的ERIC值差值为40.8 mg/kg，表明浆料中油墨粒子含量越高，纸页成形器与布氏漏斗成形的浆片之间的ERIC差值越大;同一浆料经布氏漏斗、纸页成形器 (垫布)、纸页成形器 (无垫布)成形的浆片白度依次升高。

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