（制浆造纸工程专业论文）薄片prc+apmp制浆节能技术研究.pdf

摘要 本论文针对传统机械法制浆存在磨浆能耗较高这一问题，研究了一种新的 节能降耗的制浆方法一薄片p r ca p m p 制浆工艺：通过木材薄片顺纹切削工艺， 获得厚度在4 0 5 0 0 微米的薄木片，然后通过p r ca p m p 制浆工艺将薄木片制 成机械浆。通过对两种不同原料一白松及杨木( 取自江苏泗洪) ，分别采用薄 片( 本论文选用平均厚度0 3 m m ) 及传统木片( 本论文选用平均厚度2 m m ) 进 行p r ca p m p 制浆，然后比较其纸浆性能及制浆能耗，研究结果如下： 1 薄片切削对纤维有一定的切断作用。 2 在相同游离度及用碱量的情况下，白松刨花制得的浆料中3 0 目以上组 分含量比白松木片低10 左右，3 0 目至5 0 目、5 0 目至10 0 目、10 0 目至2 0 0 目组分含量均高于白松木片，2 0 0 目以下组分含量二者相差不大。杨木刨花制 得的浆料中3 0 目以上、3 0 目至5 0 目组分含量比杨木木片制得的浆料要低。5 0 目至10 0 目、10 0 目至2 0 0 目、2 0 0 目以下组分含量则高于杨木木片制得的浆 料。 3 在相同游离度及用碱量的条件下，由白松木片、杨木木片p r ca p m p 纸浆抄得的纸页的松厚度相应高于白松刨花、杨木刨花p r ca p m p 纸浆抄得的 纸页。白松木片、杨木木片p r ca p m p 纸浆抄得的纸页的裂断长、耐破指数相 应略高于白松刨花、杨木刨花p r ca p m p 纸浆，撕裂指数则均相差较多。随着 加拿大游离度的减小，纸浆的不透明度、光散色系数呈上升的趋势，磨浆后期 趋于平稳并有下降趋势。随着用碱量的提高，浆料的裂断长、耐破指数、撕裂 指数提高，松厚度、不透明度、光散色系数下降。 4 在相同游离度及用碱量的条件下，白松刨花磨浆能耗较白松木片低 2 8 7 3 ，杨木刨花磨浆能耗较杨木木片低1 6 3 6 。此外，提高用碱量能降低磨 浆能耗。在消耗相同能耗的情况下，用刨花制得的纸浆的裂断长、耐破指数达 到甚至超过用木片制得的纸浆，但撕裂指数前者低于后者。 关键词：刨花木片顺纹切削 p r ca p m p 节能 a bs t r a c t i na 1l u s i o nt oa n x i o u sd i f f i c u l tp r o b l e mt ob es o l v e da b o u th i g h e n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h e r m a lr e f i n i n gw a y ， w ea d v a n c ean e wr e f i n i n g w a y ， i nw h i c hw ef i r s tc u tw o o dc h i pi n t ot h i np a r i n g ，w i t ht h et h i c k n e s s r a n g ef r o m4 0 一5 0 0um ， t h e nt h r o u g ht h ep r c a p m pt om a k ep u m p i nt h is w o r k ，t h r o u g ht ot w ok i n d so fd if f e r e n tr a wm a t e r i a ls s p r u c ea n d p o p u l u s ( f r o ms i h o n go fj i a n g s u ) ，a d o p tt h et h i np a r i n g ( w i t ht h ea v e r a g e t h i c k n e s so 3 m m )a n d t h et r a d i t i o n a lw o o dc h i p( w i t ht h ea v e r a g e t h i c k n e s s2 m m ) t om a k ep u m pu s i n gp r ca p m pp r o c e s s ， t h e nc o m p a r ei t s p u l pp r o p e r t i e sa n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fp u m p i n g ， t h er e s u l to f t h iss t u d vi sa sf o l l o w s ： 1 t h ec h i ps l i c i n gh a sc e r t a i nf u n c t i o no fc u t t i n go f fo nt h ef i b e r 2 i nt h es a m ec a n a d i a ns t a n d a r df r e e n e s sa n dt h ec h a r g eo fn a o h， t h ec o n t e n to f 3 0m e s hc o m p o n e n ti nt h es p r u c ep a r i n g s t o c ki s1 0 1 e s s t h a ni nt h es p r u c ec h i p s t o c k ，b u tc o m p a r et h ec o m p o n e n to f 5 0m e s ht ol o o m e s h ，1 0 0m e s ht o2 0 0m e s h ，t h ef o r m e rish i g h e rt h a nt h e1 a t t e r ，w h i l et h e c o m p o n e n t1 0 w e rt h a n2 0 0m e s hi sm o r e1 e s st h es a m e t h ec o n t e n to f3 0m e s h 、 3 0m e s ht o5 0m e s hc o m p o n e n ti nt h ep o p u l u sp a r i n g s t o c ki sl o w e rt h a nw h i c h i nt h ep o p u l u sc h i p s t o c k ，b u tt ot h ec o n t e n to f 5 0m e s ht o1 0 0m e s h、 1 0 0m e s ht o2 0 0m e s ha n dh e r e i n a f t e r ，t h ef o r m e ri sh i g h e rt h a nt h el a t t e r 3 i nt h es a m ec a n a d i a ns t a n d a r df r e e n e s sa n dt h ec h a r g eo fn a 0 h， c o m p a r i n gt os p r u c ec h i p s t o c ku s i n gp r ca p m pp r o c e s s ，s p r u c ep a r i n g s t o c k h a st h eh i g h e rb u l kb u tl o w e rt e n s i l ei n d e x 、b u r s ti n d e xa n dt e a ri n d e x ， p o p u l u sp a r i n g s t o c k a n d p o p u l u sc h i p s t o c k s h o wt h es i m i l a r d is c i p l i n a r i a n a st h ed e c r e a s eo fc a n a d i a ns t a n d a r df r e e n e s s ，t h eo p a c i t y a n ds c a t t e r i n gc o e f f i c i e n to ft h es t o c kp r e s e n tat r e n do fr i s i n ga n db e c a m e s t e a d yo n1 a t e rs t a g e w i t ha ni n c r e a s ei nc h a r g eo fn a 0 h ，p u l pp r o p e r t i e s s u c ha st e n s i l ei n d e x 、b u r s ti n d e xa n dt e a ri n d e xs h o war i s i n gt r e n d ，b u t b u l k 、 o p a c i t ya n ds c a t t e r i n gc o e f f i c i e n tw i t had e c r e a s i n gt r e n d 4 i nt h es a m ec a n a d i a ns t a n d a r df r e e n e s sa n dt h ec h a r g eo fn a 0 h， t h e e n e r g yc o n s u m p t i o no fr e f i n i n g d e c r e a s e b y 2 8 7 3 a n d1 6 3 6 s e p a r a t e l y ，c o m p a r i n gs p r u c ea n dp o p u l u sp a r i n gt ot r a d i t i o n a lc h i p o n c o n d i t i o nt h a tc o n s u m et h es a m ee n e r g y，s t o c ku s i n gp a r i n gg e th i g h e r t e n s i l ea n db u r s ti n d e x 。b u tl o w e rt e a ri n d e x k e y w o r d s ：p a r i n gc h i pc u t t i n ga l o n gd i r e c t i o np r ca p m pe n e r g yc o n s e r v i n g 3 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引周的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者( 本人签名) ：氏呜 错艿月l 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书本学位论文属于不保密影 ( 请在以上方框内打“ ” ) 学位论文作者( 本人签名) ：瓜吟年6 月【7 日 指导籼( 本人圳：圉妒凡艚月7 日 致谢 本论文是在导师周小凡教授的精心指导下完成的。三年来导师严谨的治学 态度、踏实的工作作风、渊博宽广的知识面、严历而宽厚的师德，对学术动态 的准确把握，使学生受益匪浅。为此，谨向导师周小凡教授表示最真挚的谢意。 在论文开题时，翟华敏教授、尤纪雪教授、戴红旗教授、金永灿副教授、 龚木荣副教授给学生提出了许多建设性的意见。在论文开展过程中，中国林科 院林产化学工业研究所房桂干研究员、邓拥军高级工程师、李萍高级工程师、 盘爱享工程师、庄国俊老师及焦建、韩善明、胡建平、马文静同学给予了指导 和大力支持帮助。制浆造纸学科组刘学兵高级工程师、宜勇刚工程师为实验的 进行提供了良好的实验条件和建议。这里要感谢三年来无论是实验还是学习生 活中给予我关怀和帮助的皮成忠工程师、陈朝霞老师。同时我还要感谢我的师 兄顾典荣、马玉芹、罗崇来、师姐袁美芹对我实验上的指导和帮助，感谢我的 师弟王宏志、李建、房兆伟、师妹王旭青在实验和生活上对我的帮助和关心。 最后，我还要特别感谢家人对我的理解和支持，使我能顺利完成学业和论 文。 作者：代鹏 2 0 0 8 年6 月 第一章绪论 1 1 造纸工业的现状及发展 1 1 1 现代造纸工业的属性特点n 引 造纸这一传统产业，在上世纪科技进步、文化及商品经济对纸张需求不断增 长形势的推动下，已逐步实现了高度机械化、连续化生产，实行2 4 小时不问断 的连续流水作业，生产技术装备与生产线也日趋大型化与高速化，以提高规模效 益。因此，其生产过程的监控与组织协调、产品质量的在线控制、设备维护等方 面，都需要不断采用新技术和较高的资金投入。更为值得关注的是：制浆造纸过 程使用多种纤维及化工原料，消耗大量的能源与水资源，生产过程也涉及到化学、 物理与生物等多方面的反应变化，投入生产过程的原物料，仅有一部分能成为浆 纸产品，因而在液、固、气相都有大量废弃物产生，不进行经济有效的处理，不 但浪费资源，还将对环境产生严重污染。如何化害为利，成为现代造纸产业技术 发展必须解决的重大问题。现代造纸工业发展历程表明，企业为提高自身生存竞 争能力，都必须有针对性地不断采用新技术，以实现高效率、高效益、高质量、 低消耗、低污染的发展目标，除依靠各企业自身的技术研究开发创新外，更普遍 的是，充分利用社会的技术资源，如借鉴同类企业的创新成果、引用有关科研单 位和设备制造厂商开发的单件或成套新技术与装备等等，一般都会使原有技术更 精细可靠，包含循环经济的生产流程也趋于更完善与复杂，相应投入的资金也更 多。这使现代造纸工业通过技术进步，不断提高其经济与环境效益的同时，也使 其资金、技术密集和规模效益型的产业特点日益突出。 1 1 2 我国造纸工业的生产及消费状况 新中国成立后的几十年内，我国纸业市场供需基本稳定发展。但从2 0 世 纪9 0 年代中期以后，国内纸业市场供求关系发生了很大变化，国内纸张生产量 的增长大大低于消费量的增长。由于消费结构的调整，那些以木浆为原料的高档 产品严重短缺，每年不得不靠从国外大量进口来解决。2 0 0 5 年10 月8 日，中 国纸业环保高层论坛在北京举行，国家环保总局污控司副司长李新民披露了这样 一组数字：仅2 0 0 4 年，我国纸和纸板的产量就已经达到了4 9 5 0 万吨，而消费 量却达到了5 4 3 9 万吨，人均消费量为4 2 公斤，造纸量和消费量分别占世界总 量的10 和1 4 ，仅次于美国居世界第二位。随着经济的增长，目前规模相对较 小的国内纸张和纸板市场应有进一步增长的空间。2 0 0 4 年中国纸浆消耗总量 为4 4 5 5 万吨，纸及纸板年消费量为5 4 3 9 万吨，成为世界第二大纸张消费国。 但我国年人均消费纸张和板纸仅4 2 公斤，远远低于美国和日本等发达国 家3 0 0 公斤的人均消费量。随着中国原材料结构的调整，木浆进口也增长迅速， 进口量居世界第一。仅2 0 0 4 年，中国纸业9 7 0 万吨的木浆原料中，进口7 3 2 万 吨，自己生产的只有2 3 8 万吨，这说明中国木浆依赖进口的情况越来越严重。 专家预测，五年以后，中国对木浆的进口需求将达到全世界木浆进出口的总和。 根据轻工业协会统计，2 0 0 5 年1 6 月，造纸及纸制品业完成产值18 6 6 9 3 亿 元，同比增长2 2 7 8 ，产销率9 7 4 2 ，增长态势与前几年相当，总体表现为产 销两旺，各行业平均增长速度在2 0 以上。我国造纸行业正处于一个高速成长期。 历年的统计数据表明，我国纸和纸板的总产量一直大幅低于总消费量，年人均纸 张消费量远低于世界发达国家水平。在加工制造业生产能力普遍过剩的现阶段， 造纸业是为数不多的需求量不断增长且供不应求的行业之一，属典型的需求拉动 型行业。预计2 0 1o 年国内纸张消费量将达到7 6 0 0 万吨8 0 0 0 万吨，2 0 2 0 年 将达到或超过1 亿吨，我国纸张及纸板消费量还有很大的上升空间。 1 1 3 存在的问题及挑战 近1 0 年来，中国的造纸工业有了迅速的发展，但仍存在着以下问题：造纸 原料结构缺陷、小型草浆厂污染严重、效率低、产品质量差、长期依赖进口木浆 生产中高档纸张，扩建工程资金短缺。另一方面，由于消费水平不断提高和消费 类型的迅速转变，中国市场对高级纸与纸板的需求不断增加。中国自然成熟林蓄 积量不断下降，优质材日益缺乏，价格昂贵。而在另一方面，由于大规模的人工 造林，速生人工林、次生林、小径材、阔叶材及林产加工的剩余物等劣质材及其 工业木片日益增加，需要加以利用。在造纸资源日益匮乏，环境保护要求愈来愈 严格的今天，节省资源，节约能源，消除污染已成为造纸工业发展的目标。高得 率制浆由于得率高，能充分利用造纸原料；不用或很少使用化学药品，生产过程 排放的废液污染负荷低，废液的回收和处理比较简单；设备和建厂投资不高；生 产成本较低；具有高的松厚度，不透明度和良好的印刷性能，可广泛用于绒毛浆、 卫生用纸、纸板、新闻纸、低定量涂布纸及印刷纸的生产。因此，在中国采用高 得率制浆技术，使用价格低廉、来源广泛的速生材及林产工业剩余物生产高得率 浆，将改变中国木浆短缺的局面，减少及根除草浆的污染，为振兴造纸工业，展 现良好前景。 1 2 高得率制浆及其发展简况 1 2 1 高得率制浆的特点 高得率制浆是指得率比普通化学浆为高的各种制浆方法的总称。它与“高得 率纸浆”一词不是同一概念。后者既包括高得率化学浆，也包括半化学浆( s c p ) 、 磨石磨木浆( s g w ) 、化学机械浆( c m p ) 、木片磨木浆( r m p ) 、热磨机械浆( t m p ) 、化 学热磨机械浆( c t m p ) 、碱性过氧化氢机械浆( a p m p ) 等。高得率制浆使用化学 2 药品少，生产过程排放的废液污染负荷比化学法制浆过程小得多，当前，高得率 制浆废液和废水可以得到有效的处理。在环境保护要求日趋严格的今天，发展高 得率制浆，更有其现实意义。高得率制浆由于得率高，原材料和化学药品消耗少， 因而高得率制浆成本较低。高得率纸浆具有某些化学浆所没有的特性，如高的 松厚度( b u l k n e s s ) 、不透明度( o p a c it y ) 、优良的印刷性能等。能充分适应日益 增长的包装纸板、低定量涂布纸、超压纸( s c 纸) 等中、高档印刷纸性能要求上 的需要1 。 1 2 2高得率制浆发展简况 高得率制浆最早出现在欧洲和加拿大，首家高得率制浆厂于1 9 7 8 年在瑞典 建成，采用b c t m p 工艺。此后高得率制浆技术得到迅速发展，8 0 年代后期、9 0 年代又相继开发了a p p a p m p 、p r ca p m p 等技术。在b c t m p 、a p m p ( a p p a p m p 、 p r ca p m p ) 两种典型的高得率制浆方法中，根据原料材性特点，具有各自的优势。 高得率制浆在中国起步较晚，然而，中国高得率商品浆消费量较高，所需高得率 浆主要从加拿大和北欧进口。自19 9 5 年首条a p m p 生产线在湖南岳阳建成以来， 高得率制浆发展迅速。中国高得率制浆的发展可分为2 个阶段：第一阶段，1 9 9 5 至2 0 0 2 年。在此阶段前期，中国造纸业处于起飞发展阶段。此时高得率制浆有 如下特点：( 1 ) 生产规模小，产量低；( 2 ) a p m p 为主导工艺；( 3 ) 自产自用， 主要用于新闻纸生产。目前，许多早期规模较小的a p m p 制浆线已经关停。此阶 段后期，中国造纸业进入高速发展期，建成了多条大型现代化纸机生产线，这对 浆的生产产生了极大影响。第二阶段，2 0 0 3 年以后。此阶段已建成、正在建或进 行可行性研究的高得率制浆生产线呈如下特征：( 1 ) 企业规模大、接近或与世界 标准( 2 0 万一3 0 万t 年) 接轨：( 2 ) 林纸一体化；( 3 ) b c t m p 与p r ca p m p 工艺 技术并存。 目前，b c t m p 工艺在国外占主导地位，它是一种成熟、可靠和灵活的工艺。 然而p r ca p m p 工艺具有建设投资相对较低，原料适应性广的特点，因而从2 0 0 3 年后，中国所有新上大型化学机械法制浆生产线，根据各自的原料特点和浆产品 的应用方向，在p r ca p m p 或b c t m p 工艺之间进行选择u 引。 1 2 3三种典型的高得率制浆工艺流程 1 2 3 1漂白化学热磨机械浆( b c t m p ) 典型的b c i m p 工艺流程为：木片经筛选和洗涤后，用常压蒸汽预处理，木片 进入化学预浸渍段，随后在12 0 13 0 温度下停留5 1o 分钟，然后采用压力 磨浆和后续磨浆( 压力或常压) 。磨后浆料经过消潜、筛选、除渣，然后进入浓 缩和漂白段。筛选出来的渣浆经过浓缩之后进入渣浆磨或回送至二段磨前( 不同 企业采用的流程有所不同) 。根据产品的白度要求不同，采取单段或多段碱性过 氧化氢漂白，有特殊要求的纸浆，另外还需增设一段还原法漂白。b c t m p 工艺 适用于针叶木和阔叶木，根据浆料游离度，有多种不同b c t m p 流程组合，高游离 度浆料可以只采用一段磨浆，而极低游离度浆料可能采用三段磨浆。同样，对较 低白度浆料，一段漂就已足够。 1 2 3 2碱性过氧化氢浆( a p p ) 碱性过氧化氢机械浆( a p m p ) 典型的a p p a p m p 工艺为：木片经过筛选和洗涤之后，进行预汽蒸，气蒸后 后采用高压缩比螺旋进行挤压，挤压后木片进入一段预浸，预浸后木片进入第二 段螺旋挤压；随后二段预浸，接下来木片在反应仓内以7 0 8 0 的温度停留6 0 m i n 左右直至漂白完成。漂白在磨浆之前完成，主要漂白木片。从一段磨出来的浆料 经过稀释之后在压榨机内脱水，再进入二段磨。 2 0 世纪8 0 年代后期，s c o t 纸业n 3 1 首次发明这种工艺，并将利用该工艺制得 的浆料称为碱性过氧化氢浆( a p p ) 。后来安德里兹开发了自己的流程，并以碱性 过氧化氢机械浆( a p m p ) 为名申请了专利4 1 。两者在本质上是相同的。 a p p a p m p 流程简单、投资较少。 1 2 3 3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浆( p r c a p m p ) p r ca p m p 工艺由安德里兹开发并正在申请专利。两段预浸和两段压力磨的 p r ca p m p 工艺流程为：木片经过筛选和洗涤后，分两步进行预浸处理。第一步 用螯合剂除去金属杂质，第二步进行过碱性过氧化氢处理。处理过的木片在4 0 5 0 的温度下在反应仓中停留6 0 m in 左右。大部分碱性过氧化氢从一段磨的稀释 孔和或喷放管加入。一段磨出来的浆料被收集到高浓反应塔中贮存3 0 12 0 m in ，进行进一步漂白。漂白后的浆料经过二段磨、消潜、筛选、洗涤、浓缩 后可用于抄纸。安德里兹认为p r ca p m p 工艺有2 个重要特征使其区别于 a p p a p m p 工艺：木片在预浸时只经过温和的化学处理，温度较低( 4 0 5 0 ) ， 降低了前期木片漂白反应；主要的漂白反应在一段磨和反应塔中进行，浆漂白 代替了木片漂白。因此，p r ca p m p 工艺可以克服a p p a p m p 漂白效率低的缺点。 1 2 4 高得率浆的应用 高得率浆发展初期，纤维原料主要采用针叶木，浆料应用于传统含机械浆纸 种、卫生纸、纸巾类产品的抄造中。在过去2 0 年里，高得率浆的纤维原料已由针 叶木为主要原料发展到阔叶木占主导地位。市场对各种阔叶木浆的认可得到不断 发展。如今阔叶木高得率浆已广泛用于含机械浆纸种、多层纸板、卫生纸，或作 为漂白硬木硫酸盐浆的部分替代物用于很多涂布和未涂布印刷、书写纸种中及其 他特种纸( 剥离纸、无碳纸、滤纸等) 。阔叶木高得率浆的发展拓宽了高得 率浆在很多纸种中的应用。 1 2 4 1 用于生产新闻纸和l w c 纸 由g w 、p g w 和t m p 工艺生产的阔叶木机械浆的强度很低，不能抄造新闻纸、 4 s c 纸和l w c 纸。化学机械制浆工艺大大提高了浆料强度，使阔叶木纤维在这些 纸种中的应用成为可能。化学机械制浆技术对木材纤维资源相对短缺的国家，特 别有利用价值。阔叶木树种的种植和轮伐期一般为5 8 年。商品高得率浆用于 生产新闻纸和s c 纸时，其游离度一般在1 0 0 1 5 0 m l c s f ；生产l w c 纸时，其游 离度在5 0 1 0 0 m l c s f 之间。商品高得率浆的游离度较生产l w c 纸所需的游离度要 高，因此上纸机前需要进一步低浓打浆至低游离度。新闻纸可用1o o 针叶木t m p 抄造。针叶木高得率浆用于生产此纸种是为了提高纸的强度或降低长纤维化学浆 的用量。尽管化学机械制浆工艺使阔叶木纤维在新闻纸中的应用成为可能，但 阔叶木高得率浆因其纤维较短，撕裂强度仍然较低。由于对新闻纸来说撕裂强度 非常重要，因此抄纸时需要配加化学浆以获得所需的撕裂强度。新闻纸的白度一 般低于6 0 i s 0 。传统的t m p 采用连二亚硫酸钠漂白，其白度不可能高于6 0 i s 0 ， 但高得率浆可用于生产高白度的新闻纸。 在欧洲和北美，l w c 纸为低定量的含机械浆涂布纸，浆料配比通常为6 0 针 叶木g w 浆和4 0 针叶木化学浆。目前在中国这类l w c 纸正处于发展阶段。10 0 的阔叶木高得率浆很适宜抄造这种l w c 纸。在欧洲和北美的浆纸一体的综合纸厂， 通常在阔叶木木片中掺入15 5 0 的针叶木木片混磨以提高浆料强度。适用于这 种用途的低游离度的商品浆通常为阔叶木浆和针叶木浆各占5 0 ，被称为混合高 得率浆。游离度在3 0 5 0m l c s f 的针叶木g w 是生产这类纸种最好的浆料，因其 含有大量的细小纤维从而使纸张表面非常平滑。g w 机械浆的细小纤维含量比高得 率浆高得多。在获得与g w 机械浆相似的纸张表面平整性方面，白杨或白杨针叶 木混合磨浆比纯针叶木高得率浆要好。 1 2 4 2 用于多层纸板的芯层浆n 6 1 高得率浆最大的用途是用作多层纸板的芯层浆。芯层是纸板的主体部分，其 主要功能是为纸板提供松厚度和承受力，故多采用高松厚度高得率浆。用于纸板 芯层的高得率浆的游离度一般在4 0 0 m l c s f 左右，白度在7 0 8 0 i s 0 之间。高 得率浆可被直接使用，也可在纸板机之前进行低浓打浆。 高游离度针叶木浆有很好的松厚度和抗张强度，但其作为芯层，纸板表面会 比较粗糙，因此其仅限于在一些低档纸板中使用。在高档纸板中，通常是枫木和 白杨高得率浆配合使用，以使纸板获得更好的表面平整性。但是，与枫木相比， 白杨高得率浆的松厚度较低，因此使用白杨高得率浆，若要达到某个特定厚度 则需要较高的定量。对松厚度的要求是推动纸板芯层高得率浆开发和发展的动 力。枫木高得率浆以高松厚度著称，当前被视为纸板生产中的超值纤维。 在中国，优质涂布纸板芯层的典型浆料是枫木、白杨和损纸的混合浆，也可以 使用少量的针叶木高得率浆。加拿大t e m b e c 公司芯层浆的典型配浆是枫木高得率 浆和损纸。在欧洲纸板厂( 通常是综合纸板厂) ，芯层浆要么是杨木或针叶木浆 与损纸浆的配浆，要么是它们的混合浆与损纸浆的配浆。 1 2 4 3 部分替代化学浆 习惯上，不含机械浆的印刷书写纸几乎全都采用针叶木和阔叶木化学浆 生产。然而，随着高得率浆在上述品种中的不断运用，所谓“不含机械浆”和“含 机械浆”纸种之间的界线正逐渐消失。高白度阔叶木高得率浆已被很多不含机械 浆纸种广泛接受。用于不含机械浆纸的典型商品高得率浆，其游离度2 5 0 4 0 0 m l c s f 、白度8 3 8 6 i s 0 ，通常用来替代部分阔叶木硫酸盐浆。不含机械浆 涂布纸中高得率浆的典型配用量为5 15 ，未涂布纸中其用量常为10 2 5 。 过去使用阔叶木高得率浆主要目的是为了降低浆料成本，但近年来，却转移到如 何利用高得率浆的松厚度和不透明度的特性，这是因为高得率浆能提高纸张松厚 度和不透明度q 引。 考虑到涂布纸对表面性能的要求比未涂布纸高，一般高强度的高得率浆相对 柔软、表面性能较好，有利于涂布后光泽度的发展，因此，在生产涂布纸时，一般 选用高抗张强度、低游离度的高得率浆。在未涂布纸中，一般选用松厚度及游离 度相对较高的高得率浆，以便充分利用高得率浆高松厚度及不透明度的优势。 过去人们一直对高得率浆在不含机械浆印刷书写纸种中的应用有很大争 议，主要在于机械浆所生产的纸( 在酸性条件下) 易返黄、时间长了易脆裂，且 木素被认为是导致耐久性降低的原因。然而最近的研究结果n 表明，纸张老化 降解的真正原因是酸度，而非木素。就机械性能而言，在碱性条件下抄造的含木 素纸张与不含木素纸张的稳定性一样好。但光诱导的返黄仍是一个问题，光诱导 返黄与浆料中木素的含量有关，因此几乎完全保留木素的高得率浆通常比化学浆 更易返黄就不足为奇了。但是，如果高得率浆的配比仅为10 2 5 时，多数情 况下返黄不是很明显，是可以接受的。在实验室进行的返黄实验夸大了高得率浆 的返黄效应，由于多数纸张通常仅暴露在柔和的光线下，不经受像实验测试那样 恶劣的环境。在含有高得率浆的涂布纸中，原纸经涂布后还可屏蔽一些光线。根 据涂料配方，光诱导返黄可降低到很小比引。 1 2 4 4 用于吸收类纸种 2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代初，高游离度的针叶木高得率浆因其低成本和高松 厚度深受青睐，被广泛应用于卫生纸和纸巾类产品中。然而，在过去几年里尽管 卫生纸和纸巾的总消费量不断增长，但高得率浆的应用却呈下降趋势。用于卫生 纸种的针叶木高得率浆的游离度一般为5 0 0 6 5 0 m l c s f ，阔叶木的为3 0 0 5 0 0 m l c s f 。对卫生纸和纸巾来讲，吸水性和柔软性是最重要的使用性能。高松厚 度预示高的吸水能力，同时也给予一定的松厚柔软的感觉。与化学浆相比，高得 率浆因其独特的高松厚度优势十分明显。但是，对于卫生纸品种来说，高得率浆 一直存在下列问题：细小纤维含量高易导致纸张掉粉、粘附烘缸以及返黄。然而， 高得率浆在吸收类纸种中的应用潜力却较大。 1 2 4 5 其他 高得率浆也用于某些特种纸，其中以有机硅剥离纸居多。对有机硅剥离纸的 主要质量要求是高透明度和致密的纸张结构，使硅停留在纸的表面。高得率浆还 用于无碳复写纸及空气过滤纸等。 6 1 3 高得率制浆的节能 众所周知，机械浆比化学浆的电耗要高些，磨浆能耗常占高得率浆生产总能 耗的1 2 左右，因此，磨浆机能耗直接影响制浆造纸企业的经济效益。磨浆机是 制浆造纸厂的核心设备之一。它不仅直接影响产品质量，而且关系到产品的生产 能耗和成本。 如何降低机械制浆的磨浆能耗一直是造纸行业感兴趣的课题。降低磨浆能耗 的途径有多种，磨浆前或磨浆过程中的化学处理。磨浆机的改进，磨浆过程工艺 参数如磨浆浓度的改变等等。研究表明，得率提高1 0 ，能耗可能提高2 3 。磨 浆能耗是制约高得率浆发展的重要因素之一心。 1 3 1 国内外关于降低高得率浆能耗的研究现状 国内外的学者对于如何减少高得率浆的能耗进行了大量的研究，从最近的研 究来看，主要集中在以下几个方面： 1 3 1 1 高强度的磨浆 近年来采用高强度磨浆成为一个高得率浆的研究热点，主要是通过提高磨浆 机的转速来提高磨浆质量，降低磨浆能耗。h s i e h ，j e f f e iys 则系统的研究了 热磨机的转速与能耗之间的关系乜幻，他发现随着磨浆机的转速韵增加，磨浆的能 耗也不断的下降，二者大体呈线性的关系，如果磨浆机的盘磨的直径越大，该曲 线的斜率越高。c h a g a e v0 研究发现心3 1 ：采用高强度磨浆可以降低麻浆能耗的 2 0 ，同时可以降低纤维的粗度和纤维的长度，纸张有较好的撕裂度。安德里兹 公司心们研究了一种新的高温、高强度的t m p 磨浆技术，在相同的游离度和纸张强 度的条件下比传统的t m p 磨浆技术在相对的磨浆质量下降低能15 17 。 1 3 1 2 对木材原料进行软化处理 在对木材原料进行机械处理之前进行软化处理可以降低高得率制浆的能量 消耗。软化处理主要是化学处理( 制化学机械浆的方法) 和加热处理( 制预热机 械浆的方法) 。化学处理使用的化学药品一般是氢氧化钠、碳酸钠、各种不同p h 值的亚硫酸钠及碱性过氧化氢等。预热木片磨木浆的加热处理是在预热器中进行 的。被给料器压缩了的木片进入预热器后立即膨胀，吸收热量而软化心引。 j o h a n s s o n ，l a r s 瞳6 3 通过中试研究发现采用压缩预处理可降低6 8 的磨浆能耗， 如果采用预处理再加上高强度的磨浆技术可减少第一段磨浆能耗2 0 2 5 。有研 究表明心7 1 ，在同一游离度下，所需磨浆的电能依次是木片磨木浆( r m p ) 化学机械 浆( c m p ) 热磨机械浆( t m p ) 化学热磨机械浆( c t m p ) 碱性过氧化氢机械浆 ( a p m p ) 。 1 3 1 3 生物机械浆 生物机械制浆法是用能分解木素的酶或者菌种将木片中的木素分解( 即进行 生物预处理) ，再进行机械磨浆的方法。目前选出的较为优良的分解木素的菌种 是孢子丝菌。这个菌种的纤维素酶少，对纤维素基本不分解。在处理桦木时，经 过8 10 周的培养，木素有3 0 被分解，同时聚木糖有等量的损失。这个菌种 在分解初期，脱木素的选择性最强，不易引起半纤维素的大量降解，因而可能在 短时间内的生物处理之后，进行机械处理，从而实现能源的节约和强度的改善。 比如，用桦木木片制预热木片磨木浆时，当用这种孢子菌丝处理1 2 天的木片( 质 量损失约2 ) ，用直径3 0 0 m m 的盘磨在1 2 7 下磨解3 m i n ，在游离度6 5 0 m l 下 比较时，生物处理木片的磨浆能耗时8 5 0 k w h t ，而未处理木片的磨浆能耗是 13 0 0k w h t ，两者强度无明显差别，表明经过生物处理的木片，磨解能耗节约 3 0 乜耵左右。p e r e ，j a a k k o 阻们研究了用碳水化合物降解酶进行机械浆的预处理， 可明显减少磨浆的能耗，提高纸浆的质量。a k h t a r ，m a s o o d 口0 。3 2 1 研究发现采用在 磨浆前真菌对木片进行为期二周的生物预处理，可降低3 3 左右的磨浆能耗，同 时经真菌处理的浆料的纸张的强度明显高于未经处理的浆料，在生产轻量涂布纸 时可减少5 的漂白硫酸浆配比。王飞口等用漆酶预处理辐射松木片后能使机械浆 的磨浆能耗降低5 8 ，而且不改变其光学特性，其手抄片的强度也有所增加。 生物机械浆因得率较高，能耗低，对环境污染小，已引起人们得关注。但是 筛选出对生物处理的环境因素( 如湿度、温度、空气量等) 变化适应性较强的菌 种、进一步缩短生物处理时间等问题还需进一步研究解决，因此这种方法距大规 模的工业化生产还存有距离。 1 3 1 4 挤压机械制浆 以往的机械制浆方法的基本原理都是采用反复压缩和减压使纤维壁疲劳而 分离的方法制浆。刘长恩4 1 等采用挤压机械制浆方法，依据木材轴向受压时产生 的皱曲作用能使纤维分离，即利用木材轴向受压磨浆时，在电能消耗低的基础上 生产出纤维长而结合力好的浆的理论而产生的。他采用无刀式磨浆元件双螺旋辊 式磨浆机，利用动态挤压原理，通过纤维物料间相互揉搓，完成纤维分离；细胞 腔内压力骤然变化使纤维变形，产生念珠状润胀球；浆料纤维内部细纤维化，纤 维变得柔软，并暴露出富含纤维层，为打浆后增加纸页强度创造了条件。挤压机 样机的试验表明，挤压机械制浆的方法能节约磨浆能耗6 0 7 0 。据研究报道 落叶松磺化化机浆在高得率( 得率8 1 ) 条件下，仍能获得较高的强度( 裂断长 在4 k m 以上) ，可以满足箱纸板底层用浆和瓦楞原纸用浆的强度要求，也可用作 高强度纸和板纸的配浆。在双螺旋辊式磨浆机磨浆过程中可进行浆料洗涤，洗浆 用水减少，磨浆能耗一般低于2 0 0 0 k w 吨浆。 除此之外，房桂干、沈葵忠扣3 7 3 等分别对杨木化机浆的高浓磨浆工艺、磨浆 过程段间加药工艺及两段a p m p 工艺的磨浆性能进行了研究。研究结果表明：高 浓磨浆工艺可以大大改善纸浆质量，增加撕裂强度，改善滤水性能。磨浆过程段 间加药工艺，可以在改善纸浆质量的同时大幅度降低磨浆能耗，加药位置越靠前 节能增强效果越好。 1 3 。2 传统磨浆方式存在的问题 磨浆机理至今仍然没有被完全研究清楚，但是普遍被接受的解释是木片磨浆 被分成两阶段：即纤维分离阶段( 又称为粗磨) 和纤维发展阶段( 又称为精磨) 。 在纤维分离阶段木片被磨成小木粒和纤维束，在纤维继续分离时，纤维发生外层 剥离和外部微纤丝化，纤维在磨浆齿间通过反复压缩解缩循环被不断变化成造纸 纤维，这两阶段没有明显分界，实际上是相互交替的过程。a t a c ke ta 1 认为 磨浆过程是一个高度特殊的摩擦过程，在这过程中物质被磨成某种物理特殊的碎 片。他们认为某种疲劳破坏机理涉及到纤维分离过程。磨浆也可被认为是一个协 力过程，这过程中大部分能耗用于混合( 即新构造的建立) 。有两因素涉及磨浆 工艺：木材和磨浆机，它们都影响能耗和浆的性能口8 4 引。 纤维分离是整个制浆生产的核心环节，也是确保产品质量最重要的工序之 一，同时又是能耗较多的一道工序，接近生产线总能耗的5 0 左右。目前，广 泛采用的是热磨机械法的纤维分离，它是将预热后的木片送入热磨机的磨盘中， 使其受压缩、拉伸、剪切、扭转、冲击、摩擦和水解等多次重复的外力作用， 最终实现纤维解离。这些工序需要消耗很大的能量。植物纤维以化学键、氢键、 范德华力及表面交织力等结合成统一体。传统热磨方法进行纤维的分离是一种 多维复杂的空间运动，纤维所受诸力是多维动载荷或冲击载荷，绝大多数作用力 做的是无用功，有些反而做负功。热磨法减短了纤维的长度，并且绝大多数切削 力加载在纤维切断破坏所需消耗极大功率的方向上，因此浪费了大量的能源。力 的作用频率还影响纤维的分离产量与质量。有研究表明h 朝，采用现有的机械浆 的磨浆技术实际用于纤维分离的能耗仅占总的磨浆能耗的1 0 左右。因此如何 改进现有的磨浆技术，降低磨浆能耗依然存在很大的潜力。也是现代高得率浆 生产中急待解决的问题。 1 4 研究设想、内容及意义 1 4 1 研究设想 针对传统磨浆方式能耗高的问题，本论文提出以切削代替部分磨浆的概念， 即先将木材经薄片切削工艺，再进行p r ca p m p 新的磨浆工艺技术。从理论上讲 将木材切削成薄片，再将薄片切削成木丝制浆更能节约能耗，但用现有技术做到 切削成木丝很困难，故而本课题研究重点在薄片切削再磨浆技术。即将木材通过 薄片切削工艺切削成厚度4 0 5 0 0 微米的薄木片，然后通过进一步磨浆将薄木片 制成机械浆。采用薄片切削工艺是通过纯物理的最佳切削方向进行纯机械的切削 方法，用于顺纹切削方向的切削力在理论上相当于端面切削力的十几分之一，仅 切削方向的合理排布就可以使功率大幅度减小4 。47 1 。由于薄木片的厚度已经接近 纤维直径，在后续的磨浆工艺中，只需较少的能量就可将薄片分丝及纤维分离： 此外可以降低后续的磨浆强度，减少摩擦生热造成的热量损失，从而降低磨浆能 9 耗。 1 4 2 研究内容 本论文的研究内容主要包括：传统木片( 厚度2 5 m m ) 与本论文所提出的长 薄片( 刨花，厚度0 3 m m 左右) 纤维形态、物理及力学性质的比较；木片与刨花 p r ca p m p 制浆性能的比较和分析、制浆能耗的比较和分析；长薄片磨浆机理初 步探讨。 1 4 3 研究的意义及创新点 本论文的研究意义在于： 为开发低能耗的高得率制浆技术提供一定的理论指导和依据。 为开发利用木材加工行业加工剩余物如刨花、边角料探索路径。 切削的薄木片更有利于化学药品的渗透，从而缩短渗透时间，减少化学药 品的消耗，降低磨浆废水污染负荷。 本论文的创新点： 提出一种全新的机械制浆的磨浆方式：薄木片磨浆工艺，该制浆方法能大幅 度降低磨浆能耗，加入的化学药品种类及数量更少，是一种能耗低、环保型的新 型制浆方法。 1 0 第二章实验材料和方法 2 1 原料的准备 本实验所选原料为白松刨花( 云杉，江苏泗洪蓝林木材加工厂，平均厚度 0 3 m m ) ，白松木片( 云杉，江苏泗洪蓝林木材加工厂，平均厚度2 m m ) ，杨木刨 花( 南林9 5 杨，江苏泗洪蓝林木材加工厂，平均厚度o 3 咖) ，杨木木片( 南林 9 5 杨，江苏泗洪蓝林木材加工厂，平均厚度2 m m ) 2 2 木材纤维形态的分析 纤维形态是决定一种原料制浆性能的重要因素之一。对制浆造纸特性影响较 大的纤维特征主要有纤维长度、长宽比、壁腔比等。 2 2 1 纤维形态观察心胡 将木片和刨花沿纵向切成火柴棍大小( 约为1 m m 2 m m 3 0 m m ) ，放在沸水中多次 煮沸，并换水数次，以排除式样中的空气，使试样条下沉。然后将l ：l 的冰醋 酸：过氧化氢( 3 0 3 5 ) 溶液及试样放入带螺口盖的耐热塑料瓶中，并在保 温箱中，在6 0 的温度下，浸泡试样约3 0 4 8 h ，以使试样变白、纤维分散。分 散好的试