化機(jī)漿性能的優(yōu)化——添加同種低游離度化機(jī)漿對(duì)成紙性能的影響

陳 菊 張美云 王 建

（陜西科技大學(xué)，陜西西安，710021）

化學(xué)機(jī)械漿（以下簡(jiǎn)稱“化機(jī)漿”）自20世紀(jì)問世以來，以高得率、高松厚度、低成本、低污染等特點(diǎn)迅速發(fā)展［1］。目前，國(guó)外化機(jī)漿主要為BCTMP（Bleached Chemi-thermo Mechanical Pulp，漂白化學(xué)熱磨機(jī)械漿），我國(guó)化機(jī)漿是以P-RC APMP（Preconditioning Refiner Chemical-alkaline peroxide mechanical pulping，盤磨化學(xué)預(yù)處理堿性過氧化氫機(jī)械漿）為主［2］。

松厚度與強(qiáng)度是紙張的重要質(zhì)量指標(biāo)，然而紙張的松厚度與強(qiáng)度之間存在難以協(xié)調(diào)的對(duì)立，提高松厚度則強(qiáng)度降低；而提高強(qiáng)度，松厚度就會(huì)下降。一般通過合理打漿、添加優(yōu)質(zhì)纖維等方式獲得平衡［3］。對(duì)于化機(jī)漿來說，由于其具有與常規(guī)化學(xué)漿不同的特性，即細(xì)小纖維是強(qiáng)度性能的保障［4-5］，因此，采用一定工藝處理化機(jī)漿，在保證較高強(qiáng)度的前提下，實(shí)現(xiàn)高松厚度。本實(shí)驗(yàn)將低游離度漿添加至高游離度漿中，研究了低游離度漿對(duì)紙張性能的影響，并通過優(yōu)化適宜的添加量實(shí)現(xiàn)一定強(qiáng)度的紙張同時(shí)具有較高的松厚度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

取自國(guó)內(nèi)某廠加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度（CSF）為500mL的楊木P-RC APMP，漿料性質(zhì)見表1。

表1 楊木P-RC APMP的基本參數(shù)

1.2 主要設(shè)備和儀器

纖維疏解器、槽式打漿機(jī)、PFI磨漿機(jī)、TAPPI標(biāo)準(zhǔn)抄片器、BBS-3紙張成形器、加拿大游離度儀、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度儀、抗張強(qiáng)度測(cè)試儀、鮑爾篩分儀、SEM（掃描電鏡）和PMI（毛管流動(dòng)孔隙儀）。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法

（1）采用PFI磨漿機(jī)進(jìn)行打漿，磨盤間隙0.2mm，打漿濃度10％，獲得游離度為60mL的漿料（稱為低游離度漿），漿料性質(zhì)見表1。

（2）將CSF為60mL的漿料分別以10％、15％、20％、25％、30％的質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加到CSF為500mL的原漿中，所獲漿料稱之為混合漿1#、混合漿2#、混合漿3#、混合漿4#、混合漿5#，游離度分別為470、440、410、390、370mL。

（3）按如上方法對(duì)CSF為500mL的P-RC APMP進(jìn)行打漿，獲得CSF分別為470、440、410、390、370mL的漿料，分別記為對(duì)比漿1#、對(duì)比漿2#、對(duì)比漿3#、對(duì)比漿4#、對(duì)比漿5#。

（4）采用Tappi標(biāo)準(zhǔn)抄片器進(jìn)行白水循環(huán)方式抄紙（即第一張手抄片采用清水抄造，收集其白水用于抄造下一張手抄片，不再添加清水；收集第二張手抄片的白水用于抄造第三張手抄片，不再添加清水；以此類推），共抄造10張手抄片，前5張只用于制白水，不作為紙樣進(jìn)行檢測(cè)，而后5張作為紙樣進(jìn)行檢測(cè)；手抄片采用自然風(fēng)干干燥，紙張性能按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

（5）利用鮑爾篩分儀對(duì)混合漿2#、混合漿3#、混合漿4#、對(duì)比漿2#、對(duì)比漿3#、對(duì)比漿4#分別進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn)。

（6）利用SEM觀察混合漿和對(duì)比漿手抄片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

（7）利用PMI測(cè)定混合漿和對(duì)比漿手抄片的孔徑。

2 結(jié)果與討論

2.1 添加低游離度漿對(duì)混合漿成紙性能的影響

（1）低游離度漿添加量的影響

圖1 低游離度漿添加量對(duì)混合漿成紙性能的影響

由圖1可知，隨低游離度漿添加量的增加，混合漿成紙的松厚度變化率（變化率是指混合漿對(duì)對(duì)比漿的變化率）不斷下降，抗張指數(shù)變化率和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度變化率持續(xù)升高，但是在低游離度漿添加量大于25％之后，抗張指數(shù)變化率出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這說明，添加一定量低游離度漿有助于提高混合漿成紙的強(qiáng)度性能，但不利于松厚度的改善。由表1可知，低游離度漿的CSF為60mL，又含有45.39％的細(xì)小纖維（P200）。因此，當(dāng)增加低游離度漿添加量時(shí)，混合漿中細(xì)小纖維含量增加，有利于纖維之間結(jié)合力的增強(qiáng)，進(jìn)而提高紙張強(qiáng)度，但松厚度下降。當(dāng)?shù)陀坞x度漿添加量超過25％之后，混合漿中細(xì)小纖維含量過多，反而會(huì)導(dǎo)致紙張強(qiáng)度下降。另外，粗大纖維含量相對(duì)減少，導(dǎo)致纖維平均長(zhǎng)度變短，這也是紙張松厚度降低的一個(gè)原因。

（2）紙張松厚度與強(qiáng)度性能的關(guān)系

從圖2可以看出，隨松厚度的增加，對(duì)比漿和混合漿的強(qiáng)度性能均降低；當(dāng)松厚度低于3.6cm3/g時(shí)，混合漿成紙強(qiáng)度高于對(duì)比漿成紙強(qiáng)度，否則相反。這說明若松厚度低于3.6cm3/g時(shí)，添加低游離度漿至高游離度漿中可獲得相同松厚度下高強(qiáng)度的紙張，因此，可以利用在高游離度漿中添加低游離度漿的方法來提高化機(jī)漿成紙的強(qiáng)度而不降低松厚度或提高松厚度而不降低強(qiáng)度。

圖2 混合漿與對(duì)比漿成紙松厚度與強(qiáng)度性能的關(guān)系

由圖2可判斷出松厚度3.6cm3/g是關(guān)鍵點(diǎn)，其漿料性能如表2所示。由表2可知，當(dāng)?shù)陀坞x度漿的添加量為15％時(shí)，混合漿相對(duì)于對(duì)比漿的松厚度提高幅度低于強(qiáng)度下降幅度，這說明添加低游離度漿對(duì)混合漿強(qiáng)度的負(fù)影響較對(duì)松厚度的正影響強(qiáng)；當(dāng)其添加量為20％時(shí)，松厚度提高3.4％，抗張指數(shù)提高4.2％，這說明在抗張指數(shù)基本相同的前提下，可實(shí)現(xiàn)松厚度的提高；當(dāng)其添加量為25％時(shí)，松厚度下降約5.5％，抗張指數(shù)提高31.9％，表明此條件下添加低游離度漿對(duì)強(qiáng)度的正影響較強(qiáng)。因此，隨低游離度漿添加量從15％增至25％，實(shí)現(xiàn)了混合漿中低游離度漿對(duì)強(qiáng)度的負(fù)影響到正影響的轉(zhuǎn)變，對(duì)松厚度的正影響到負(fù)影響的轉(zhuǎn)變。進(jìn)而認(rèn)為，在紙張強(qiáng)度相近的條件下為使成紙具有較高的松厚度，低游離度漿添加量以20％為宜。

表2 混合漿與對(duì)比漿成紙性能的差異

表3 混合漿與對(duì)比漿的篩分結(jié)果 ％

2.2 添加低游離度漿對(duì)混合漿纖維不同級(jí)分含量的影響

表3列出了混合漿和對(duì)比漿的篩分結(jié)果。由表3可知，隨低游離度漿添加量從15％（混合漿2#）增加到25％（混合漿4#），與對(duì)比漿相比，混合漿R30纖維含量的變化最大，但是由于其含量少，不作為考慮的重點(diǎn)。R50、R100、R200、P200的纖維中，混合漿P200纖維含量較對(duì)比漿高出約25％，且基本穩(wěn)定；R50纖維含量變化范圍最大，且越變?cè)叫?；R100、R200也不斷增大。結(jié)合紙張性能，對(duì)松厚度的影響主要是由R50、R100、R200纖維造成的。

低游離度漿添加量為20％（混合漿3#）時(shí)，實(shí)現(xiàn)了相同強(qiáng)度下的高松厚度，R50、R100、R200之間存在著一個(gè)平衡點(diǎn)，而R50的降低和R100、R200的增加都對(duì)強(qiáng)度有利，那么松厚度為什么會(huì)升高呢?推測(cè)認(rèn)為，在松厚度增加率不為負(fù)的范圍內(nèi)，強(qiáng)度有了較大提高，因此，實(shí)現(xiàn)了相同強(qiáng)度的高松厚度，即在R50降低到一定程度時(shí)，R100、R200有較大幅度的提升，可能為一個(gè)臨界點(diǎn)?？赡苁腔瘷C(jī)漿中的長(zhǎng)纖維形成纖維網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，細(xì)小纖維填充或橋聯(lián)在骨架網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)?shù)陀坞x度漿添加量增加，則相對(duì)粗大的纖維網(wǎng)絡(luò)變小，且過多的細(xì)小纖維易覆蓋在粗大纖維上，使松厚度下降，但纖維維網(wǎng)絡(luò)之間的連接卻增加，纖維結(jié)合面積增加，進(jìn)而紙張強(qiáng)度得到提高。

2.3 光學(xué)顯微鏡、SEM及PMI分析

從圖3發(fā)現(xiàn)，高游離度漿中的纖維比較粗壯和硬挺，纖維表面比較光滑，有少量的纖維碎片存在，單根纖維末端有一定的分絲帚化現(xiàn)象。低游離度漿中，纖維被嚴(yán)重壓潰和切斷，表面細(xì)纖維化程度高，并有大量絲狀細(xì)小纖維存在，這是由于PFI打漿時(shí)對(duì)纖維的切斷作用小，而對(duì)纖維的分絲帚化及表面細(xì)纖維化作用顯著所致［6］。

高游離度漿中P200細(xì)小纖維主要是呈帶狀、片狀和絲狀形態(tài)，其他則為一些纖維粒子；而低游離度漿中P200細(xì)小纖維已基本看不到細(xì)小纖維碎片和粒子，絲狀纖維和單根纖維表面的細(xì)纖維化均可以明顯觀察到。

隨著細(xì)小纖維含量增加，細(xì)小纖維組分對(duì)紙張強(qiáng)度性能可能有更大的貢獻(xiàn)，由于絲狀細(xì)小纖維對(duì)紙張強(qiáng)度性能的增加有利，但對(duì)紙張松厚度卻有不利影響。

由圖4可知，對(duì)比漿3#成紙中的粗大孔洞較混合漿3#成紙中的多，而混合漿3#成紙中的纖維碎片較對(duì)比漿3#成紙中的多。這說明添加低游離度漿后，細(xì)小纖維能有效留在紙張中，填充粗纖維孔隙，進(jìn)而提高紙張強(qiáng)度。

圖3 高游離度漿與低游離度漿的纖維形態(tài)

對(duì)比圖4（b）和圖4（c）可知，隨低游離度漿添加量增加，混合漿中粗大纖維變少，但由于纖維是隨機(jī)分布的，因此紙張中大孔洞還會(huì)存在，但是數(shù)量減少，表現(xiàn)為平均孔徑降低（見表4）；但是細(xì)小纖維填充在有限的孔洞中，細(xì)小纖維的相互作用表現(xiàn)明顯，因此松厚度降低而強(qiáng)度增加。

圖4 混合漿與對(duì)比漿成紙的SEM圖

表4 混合漿與對(duì)比漿成紙孔徑的比較 μm

3 結(jié)論

用PFI磨制備低游離度的楊木P-RC APMP，并將其添加到高游離度楊木P-RC APMP中獲得混合漿，然后對(duì)混合漿成紙性能進(jìn)行研究。

3.1 在高游離度漿中添加適量的低游離度漿能改善混合漿成紙的強(qiáng)度性能。

3.2 在風(fēng)干干燥方式下，低游離度漿添加量為20％時(shí)，混合漿在與對(duì)比漿基本相同的強(qiáng)度下可獲得較高的松厚度。

3.3 隨低游離度漿添加量的增加，絲狀細(xì)小纖維增加，且細(xì)小纖維能有效留在紙張中，填充粗纖維孔隙，進(jìn)而提高紙張強(qiáng)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］張 榮，王高升，陳夫山.化學(xué)漿的細(xì)纖維化對(duì)高得率漿性能的影響［J］.中國(guó)造紙，2010，29（1）：18.