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a p m p 浆料性能分析及其对纸张性能的影响 摘要 近年来，高得率浆发展迅猛。a p m p 浆因其自身简洁的工艺和成纸的诸 多优点而在国内得到迅速发展，尤其适用于杨木、桦木等短周期材原料，有 助于进一步推动林纸一体化工程的实施。 本论文对杨木a p m p 浆料性能进行了研究，在扫描电镜下观察浆料在 实验室后续磨浆过程中纤维性质的变化，并初步探讨其在不同打浆度下成纸 性能的变化情况。在此基础上重点通过筛分试验测定了浆料在不同打浆度下 各个纤维组分的百分含量，考察了不同纤维筛分组分的纤维形态及其对纸张 强度、紧度和不透明度等性能的影响。 实验中选用h y d r o c o l 体系确保抄纸过程中细小纤维组分的充分留着。 体系中c p a m 的用量为0 0 8 ，膨润土的用量为0 2 。抄纸时先加c p a m ， 后加膨润土。 对杨木a p m p 浆料性能的研究发现，打浆度曲线接近线性，纤维湿重 在磨浆初期下降很快，随后下降得比较平稳。随着打浆度的升高，成纸的紧 度和抗张强度逐渐增加，不透明度逐渐降低，撕裂强度先增后降，打浆度为 6 5 0 s r 时撕裂强度最大。在实验室后续磨浆过程中，长纤维和中长纤维并没 有像传统的化学浆那样发生明显的细纤维化，相比之下，细小纤维的分丝帚 化程度很高。通过1 0 0 目筛网的细小纤维主要由两部分组成，一是碎片化的 纤维表皮层，一是被切断的纤维，后者有助于纸张性能的发展，特别是对强 度性能有很大的贡献。 机械筛分后测得，打浆度为5 0 。s r 的浆料中截流在2 8 目筛网上的纤维 组分含量为2 6 6 、介于2 8 目和4 8 目筛网之间的纤维组分含量为1 6 4 、 介于4 8 目和1 0 0 目筛网之间的纤维组分含量为1 6 7 、介于1 0 0 目和2 0 0 目筛网之间的纤维组分含量为1 6 8 、通过2 0 0 目筛网的纤维组分含量为 2 3 5 。筛出任何一种组分，除部分不透明度略有升高外，纸张的其它性能 均有不同程度的下降。其中，通过2 0 0 目筛网的纤维组分对纸张紧度和不透 明度的影响最大，这主要是由于该纤维组分的尺寸小，可以填充在长纤维交 织的网络空隙中，这一纤维组分含量越多，成纸的紧度越高，不透明度越高； 介于1 0 0 目和2 0 0 目筛网之间的纤维组分对纸张强度的影响最大，特别是抗 张强度。这是由于该纤维组分不仅可以起到填充作用，而且由于高度细纤维 化起到“架桥”作用，可以促进纤维间的结合，这一纤维组分含量越高，成 纸的强度越大。 关键词：a p m p ，筛分，纤维，浆料性能，纸张性能 i i q u a l i t y a n a l y s i so fa p m pa n d i t s 矾f l u e n c eo np a p e rp e r f o r a l 悄c e a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s ，h i g hy i e l dp u l ph a sb e e nd e v e l o p i n gr a p i d l yi nd o m e s t i c a n da b r o a d a p m pi sm o r ea n dm o r ep o p u l a ri nc h i n ad u et oi t sm a n ym e r i t s i t i s e s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rt h es h o r tc y c l i c a lr a wm a t e r i a l s ，s u c ha sp o p l a ra n d w h i t eb i r c h , w h i c hh e l p si m p r o v et h ef o r e s t - p a p e rs y s t e m i nt h i st h e s i s ，t h ep u l pp r o p e r t i e so fp o p l a ra p m pw e r es m d i e & i n c l u d i n g t h ec h a n g eo ff i b e rp r o p e r t i e sd u r i n gf o l l o w i n gr e f i n i n gp r o c e s si nt h el a ba n di t s i n f l u e n c eo nh a n d s h e e tp e r f o r m a n c e o nt h eb a s i so ft h ea b o v er e s e a r c h , t h e c o n t e n t ，t h ef i b e rc o n f i g u r a t i o no fd i f f e r e n ts c r e e n e dc o m p o n e n t sa n dt h e i r e f f e c t so nh a n d s h e e tp e r f o r m a n c e ，s u c ha st e n s i l es t r e n g t h , t e a rs t r e n g t h , d e n s i t y a n d o p a c i t y , w e r es i g n i f i c a n t l ya n a l y z e db y t h ef r a c t i o n a t i o ne x p e r i m e n t t h eh y d r o c o ls y s t e mw a su s e dt om a k es u r et h a ta l lf i n e sw e r er e s e r v e d d u r i n gh a n d s h e c t sm a k i n gp r o c e s s t h ed o s a g eo fc p a mw a so 0 8 a n d b e n t o n i t e0 2 b e n t o n i t ew a sa d d e da f t e rc p a m b a s e do nt h es t u d yo fp r o p e r t i e so fp o p l a ra p m p ，i ti sf o u n dt h a tt h ec l ：u - v e o fb e a t i n gd e g r e ei sc l o s et ol i n e a r i t y f i b e rw e tw e i g h td e c r e a s e dr a p i d l yi nt h e p r i m a r yr e f i n i n gs t a g ea n dt h e nd e c r e a s e dc o m p a r a t i v e l ys t e a d i l y a st h eb e a t i n g d e g r e ei n c r e a s e d , t h ep a p e rd e n s i t ya n d t h et e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s e d , t h ep a p e r o p a c i t yd e c r e a s e d , a n dt h ep a p e rt e a r i n gs t r e n g t hi n c r e a s e df i r s tt h e nd e c r e a s e d a n dt h ez e n i t ho ft h et e a r i n gs t r e n g t hc u l w ea p p e a r e dw h e nt h eb e a t i n gd e g r e e r e a c h e d6 5 0 s r i nt h ef o l l o w i n gr e f m i n gs t a g e ，l o n gf i b e r sd i dn o tf i b r i l l a t e o b v i o u s l yl i k et r a d i t i o n a lc h e m i c a lp u l p c o m p a r a t i v e l y , t h ee x t e r n a lf i b r i l l a t i o n l l i d e g r e eo ff i n e sw a sq u i t eh i g h f i n e sp a s s i n gt h r o u g h1 0 0 - m e s hs i e v ew e l e m a i n l yc o m p o s e do f t w op a r t s ：o n ep a r tw a sf r a g m e n t so ff i b e re p i d e r m i sa n dt h e o t h e ro n ew a sb r o k e nf i b e r s t h el a t t e rp a r tc o n t r i b u t e dt o p a p e rp r o p e r t y i m p r o v e m e n t , e s p e c i a l l y t os t r e n g t hp r o p e r t i e s s c r e e n e dp u l p 、而t h b e a t i n gd e g r e e o f5 0 0 s rc o n t a i n e d2 6 6 f i b e r c o m p o n e n tr e m a i n i n go n2 8 - m e s hs i e v e 1 6 4 f i b e rc o m p o n e n tr e m a i n i n g b e t w e e n2 8 一m e s hs i e v ea n d4 8 一m e s hs i e v e ，1 6 7 f i b e rc o m p o n e n tr e m a i n i n g b e t w e e n4 8 - m e s hs i e v ea n d1 0 0 - m e s hs i e v e ，1 6 8 f i b e rc o m p o n e n tr e m a i n i n g b e t w e e n1 0 0 - m e s hs i e v ea n d2 0 0 一m e s hs i e v ea n d2 3 5 f i b e rc o m p o n e n t p a s s i n gt h r o u g h2 0 0 - m e s hs i e v e p a p e rp r o p e r t i e se x c e p ts o m eo p a c i t ya l l d e c r e a s e dr e s p e c t i v e l yn om a t t e rw h i c hc o m p o n e n tw a ss c r e e n e do u t i tw a s s u g g e s t e dt h a tf i b e r sp a s s i n gt h r o u g h2 0 0 - m e s hs i e v ei n f l u e n c e dp a p e rd e n s i t y a n do p a c i t ym o s t b e c a u s ef i b e r si nt h i sc o m p o n e n tw e r ec o m p a r a t i v e l ys m a l li n s i z e ，w h i c hm a d et h e mb ea b l et of i l li nt h en e ts p a c ei n t e r l a c e db yl o n gf i b e r s t h em o r et h ec o n t e n to ft h i sc o m p o n e n tw a s ，t h eh i g h e rt h ep a p e rd e n s i t ya n d o p a c i t yw e r e f i b e r sb e t w e e n1 0 0 - m e s hs i e v ea n d2 0 0 - m e s hs i e v ea f f e c t e dp a p e r s t r e n g t hm o s t ，e s p e c i a l l yo nt e n s i l es t r e n g t h 。t h i sw a sm a i n l yb e c a u s ef i b e r si n t h a tc o m p o n e n tc a l ln o to n l yf i l li nt h en e ts p a c e ，b u ta l s oc a nf u n c t i o na s a b r i d g e d u et ot h e i rh i g hf i b r i l l a t i o nd e g r e e ，w h i c hc a nf a c i l i t a t et h eb o n d s a m o n gf i b e r s t h eh i g h e rt h ec o n t e n to ft h i sc o m p o n e n tw a s ，t h es t r o n g e rt h e p a p e rs t r e n g t hp r o p e r t i e sw e r e k e yw o r d s ：a p m p ，f r a c t i o n a t i o n s ，f i b e r s ，p u l p p r o p e r t i e s ，h a n d s h e e t p e r f o r m a n c e 陕西科技大学硕士学位论文 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 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，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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标明。本人完全意识到本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名：至亟e l 期：2 q q ! 生笸旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技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，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：垃导师签名：跫日期：2 q q 圭么旦 6 0 a p m p 浆料性能分析及其对纸张性能的影响 1 绪论 1 1 研究背景 制浆造纸技术在中国有近千年的历史。早在公元1 0 0 年，中国人便最先利用竹子和 桑树纤维悬浮液进行了真正意义上的纸张抄造随着造纸工艺、设备和相关领域技术 的不断进步，造纸工业得以蓬勃发展。从手工作坊里一张一张地抄纸到现在流水线每分 钟1 5 0 0 多米的机械化高速造纸，人类在生产纸和使用纸上有了质和量的飞跃。造纸工业 行业排序超过钢铁工业和航空工业位列第三位，被国际公认为。永不衰竭的产业”1 2 1 在各种制浆方法的竞争中，化学法制浆领域中的硫酸盐法已成为制浆工业的主流。 然而近几十年来全球纸张消费量的逐年稳步增长，但森林资源的增长满足不了造纸工业 对原科需求增长的要求，林业资源受到潜在的威胁；另一方面，能源紧张、环境污染也 是世晃范围制浆造纸工业存在的问题，各国政府和造纸工作者都在积极寻求木材原料的 替代品和新的制浆方法，以减轻对森林资源和环境保护的压力。 为了更好地与世界造纸工业接轨，我国造纸工业大力调整原料结构，合理利用非木 材资源，充分利用废纸资源，有效利用木材资源，逐步实现以木材为主，发展原料和商 品纸浆基地，从而带动企业规模和生产技术水平的提高。林纸一体化工程的建设，将解 决我国造纸工业木材原料不足的问题。同时，适合速生材制浆造纸的工艺方法也越来越 受到造纸工业的青睐。高得率浆的兴起和发展，引领造纸工业进入了一个全新的领域。 1 2 高得率浆的研究现状 1 2 1 概述 一般化学法制浆( c p ) 的得率在4 5 5 0 左右，高得率法制浆是指得率比普通化学 浆高的各种制浆方法的总称【，】，包括半化学法( 6 5 - 8 5 ) ，化学机械法( 8 5 - 9 0 ) 和 机械法( 9 0 0 o 9 5 ) 1 4 1 。高得率法制浆能更有效地利用纤维原料，化学药品用量少，生 产过程无恶臭及粉尘等大气污染，吨浆耗水量降低近l o 倍，生产过程排放的废液污染负 荷轻，除半化学浆外，废液的回收处理比较简单，相同规模建厂费用约为硫酸盐浆厂的 一半嘲。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。 1 2 2 高得率浆的发展 广义的高得率浆( h y p ) 既包括高得率化学浆，又包括由各种高得率制浆方法所制 得的浆料。表1 - 1 所示为2 0 世纪高得率浆的发展状况i ，l 。狭义上的高得率浆是指目前世 界上发展较快的漂白化学热磨机械浆( b c n 但) 、碱性过氧化氢机械浆( a p p a p m p ) 和盘磨化学预处理碱性过氧化氢机械浆( p - r ca p m p ) 等化学机械浆 e l 。 陕西科技大学硕士学位论文 表1 1 高得率浆的发展概况 t a b1 - 1d e v e l o p m e n t o f l l i g i ly i e l d p u l p 时间事件 1 9 2 5 年 1 9 世纪5 0 年代前期 1 9 世纪5 0 年代中期 1 9 6 2 矩 1 9 6 8 拒 1 9 7 8 芷 1 9 8 9 焦 第一家用半化学浆( s c p ) 制造瓦楞纸的工厂在美国建立 高得率亚硫酸盐浆( i i y s p ) 和高得率硫酸盐浆( h n 【p ) 投入工业 美国森林产品研究室首先研制出化学机械浆( c m p ) 出现第一家木片磨木浆( r m p ) 工厂 第一个热磨机械浆( t m p ) 生产车问在瑞典建立( 4 5 f f d ) 建立第一条化学热磨机械浆( c t m p ) 生产线 推出碱性过氧化氢机械浆( a p i v f l ) 技术 1 2 3 高得率浆的应用 高得率浆具有某些化学浆所没有的特性，如高松厚度、不透明度、优良的适印性等， 能充分适应日益增长的包装纸板、低定量涂布纸( l w c ) 、超压纸( s c ) 等中、高级印 刷纸在性能上的需要l ，l ，也应用到其它特种纸( 剥离纸、无碳纸、滤纸等) m 的生产中。 表1 2 所示为高得率浆的适应性嘲。 表i - 2 高得率浆的适应性 t a bi - 2a d a p t a b i l i t yo f h i g hy i e l dp l l l p 1 3a p m p 浆的研究现状 1 3 1 概述 碱性过氧化氢机械浆( a p m p ，a 1 1 1 i n ep e r o x i d em e c h a n i c a lp u l p ) 是本世纪9 0 年代 在b c t m p 基础上，由美 a s b ( a n d r i t zs p r o u t - b a u e r ) 安德里茨士宝鲍尔公司研制 的一种高得率、低成本、低能耗的新型制浆技术研。它适用于针叶木和阔叶木，特别适 2 a p m p 浆料性能分析及其对纸张性能的影响 用于杨木、桦木或相似材性的短周期材原料，能生产出与b c t m p 质量相当或更好的纸浆。 与b c t m p 相比较，a p m p i 艺具有流程简洁、能耗低、建设投资省、直接制成漂白浆、 污染负荷低、废水易于处理等优点，因而得到了迅速的发展，被誉为和“二十一世纪 主流制浆技术”【1 l l 。 1 3 2a p m p 制浆工艺简介 图1 - 1 典型a p p a p m p 制浆工艺 f i g1 - 1t y p i c a l a p p a p m p p r o c e s s 2 0 世纪8 0 年代后期，斯科特纸业首次发明这种工艺，并将利用该工艺制得的浆料 称为碱性过氧化氢浆( a p p ) 1 2 1 。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 】强口) 为名申请了专利。两者在本质上是相同的。图1 - 1 所示为典型的 a p p a p m p 制浆工艺嗍。 1 3 3a p m p 制浆的学术研究 目前，国际上对a p m p 的研究颇多，桉木、云杉、杨木、松木、以及非木材纤维原 料如红麻a p m p 制浆技术都己比较成熟。跨国公司安德里茨( a n d r i t z ) 不但销售a p m p 制浆设备，而且对各材种a p m p 制浆的研究也走在世界前列。美国春田科研开发中心在 这方面也做了大量工作，并为购买设备的用户进行中试试验，为引进的生产线提供可靠 的技术依据。另一舡，m p 设备销售公司加拿大的h y m a c 也拥有自己的研发中心， 从事同样的研究工作。杨木a p m p 制浆工艺由s c o t t 纸业集团开发并申请专利1 。自1 9 8 8 年以来，加拿大阿尔培塔省的m i l l a rw e s t e r h 商品浆厂一直使用该工艺进行生产1 切。 美国a s b 采用三段预浸渍，对不同配比杨木、桦木、枫木、香脂冷杉和白杉制a p m p 陕西科技大学硕士学位论文 浆进行了试验研究嗍。另外瑞典c h a l m e r s 工业大学曾研究过蔗渣a p m p v 6 l ，加拿大魁北 克公司的马莱纸厂使用5 0 0 云杉，香脂冷杉和5 0 的杨木经两段浸渍生产a p m p 浆【l 毋。 国内各大专院校、科研院所等多家科研单位都先后对a p m p 制浆展开了广泛深入的 研究。中国制浆造纸研究院承担了桉木( 主要是蓝桉) a p m p 制浆工艺及配抄高附加值 纸种( 如低定量涂布l w c ：原纸、超级压光s c 纸) 的研究【1 7 ，蜥；华南理工大学制浆造纸 工程国家重点实验室对混合阔叶木( 柞木5 5 水曲柳3 0 0 桦木1 5 ) 制a p m p 浆进行了 工艺条件的探讨吼9 1 并对桉木的制浆机理进行了深入探讨1 2 0 。北京林业大学研究尾赤桉、 尾巨桉两种桉木的制浆性能及制浆过程删。南京林业大学采用金合欢原料进行a p m p 制 浆嘲。制得的纸浆白度8 0 ，得率大于8 5 ，质量介于桉木a p m p 和杨木a p m p 之问。 陕西科技大学对非木材麦草和红麻为原料制备a p m p 浆进行了研究嗍，其强度性质和杨 木a p m p 浆相似，但白度较低，尤其是麦草a p m p ，这限制了它的应用。另外，大连轻 土业学院嗍和鸭绿江造纸有限公司嗍对桦木制a p m p 、中国林业科学研究院林产化学工 业研究所对内蒙河套小美旱杨嗍、天津科技大学阱加和山东轻工业学院州对三倍体毛白杨 制a p m p 浆等都进行了较为全面的研究。另外，对部分针叶木，如马尾松，落叶松也进 行了研究蚓。许多非木材原料也纷纷被用于a 肿制浆，如大麻、蔗渣、芦苇、棉杆， 烟杆、绿竹等p 圳。 总的来说，国内外对各种原料的a p m p 制浆的研究，对推动各厂家利用当地木材资 源开发a p m p 制浆起到了积极作用，同时也提供了现实可靠的技术依据，为a p m p 制浆 大生产的到来铺平了道路。 1 3 4a p m p 浆料性能的研究 作为化学处理与机械作用相结合的a p m p 浆，先以化学处理使得胞间层的木素软化 并部分脱除，然后经过机械作用分离纤维，并在分离及后续精磨处理中使其细纤维化。 与传统的化学浆相比，a p m p 浆在提高得率的基础上，保持了纤维长度和柔软性，在松 厚度相同时，成纸具有较好的抗张强度，亦即抗张强度相同时，a p m p 浆具有较高的松 厚度【川，这种性能正是纸和纸板生产中所希望得到的。此外，a p m p 浆的不透明度也比硫 酸盐浆高嗍。 针叶材的a m p 浆与b c t m p 浆比较，在相同白度下，两者在化学药品消耗、能耗、 成浆的得率、强度等方面相差不大嗍。但是阔叶木a p m p 浆与b c t m p 浆比较，a p m p 浆 则表现出明显的优势。如表1 3 所示 2 0 1 ，杨木a p m p 浆的生产，无论是化学药品消耗还是 能耗，都较相应的b c t m p 低；在相同的游离度下，杨木a p m p 浆成纸的耐破指数、撕裂 指数和抗张指数都略高于b c t m p ；在相同的h 2 0 2 用量下，a p m p 浆的白度稍优于 b c t m p ，但a p m p 系统省去了漂白系统的投资，也省去t n a 2 s i 0 3 的消耗成本，因此a p m p 的成本低于b c t m p 。此外，a p m p 的不透明度与光敬射系数也较相应的b c t m p 高一些。 4 a p m p 浆料性能分析及其对纸张性能的影响 1 3 5a p m p 浆的应用 ，在国外，a p m p 浆可替代b c t m p 浆，用于抄造纸板( 工业包装，液体饮料及食品包 装) 、文化用纸( 新闻纸及各种涂布原纸) 、吸收类产品( 卫生纸及绒毛浆产品) 和一些 高附加值纸种。在国内，a p m p 浆主要用于新闻纸( 如齐齐哈尔黑龙股份有限公司、鸭； 绿江纸业集团和宜宾纸业集团) 和少量用于轻量涂布纸( 如岳阳纸业集团) 。 a p m p 的一个重要用途就是配抄。研究发现，一定量的阔叶木化学机械浆加入到阔 叶木化学浆中不仅可以改进纸页的松厚度，而且还可以改进纸页的强度，并且它们的混， 合浆的某些性能比它们各自性能的加权组成的总和具有更高的强度鲫。而当化机浆与化 学浆配抄纸页时，化机浆的强度越高，配抄出的纸张质量越高。另外，成纸白度主要受 化机浆白度的影响，化机浆所占的比例越大影响也越大，提高化机浆白度可大大提高配t 抄纸浆的白度【删。 1 4 纤维性质的研究现状 1 4 1 概述 当纤维原料制成纸浆以后，成纸的各项物理性能主要取决于纤维形态。纤维的长度、 宽度、细胞壁厚度：胞腔直径、杂细胞含量、纤维壁的微细结构等对成纸性能的影响都 至关重要。纤维长度、纤维粗度和纤维强度是造纸纤维的三个基本性质【l i 。 1 4 2 纤维性质对纸张性能的影响 纤维长度和强度的变化主要影响纸页的强度，而纤维粗度的影响几乎遍及纸页的所 有性质。 1 a 2 1 纤维长度和粗度对纸张匀度的影响 纸张的匀度与纤维的长度和粗度有着密切的关系。研究表明，纤维越短，越有利于 陕西科技大学硕士学位论文 成形。对于纤维的粗度，有着类似的结论，即纤维越细，其匀度越好，越有利于成形【q 。 长纤维纸页成形差，主要是由于在抄片过程中长纤维的絮聚程度较大，而短纤维易流动、 滤水好、形成的纸页较均匀。 1 4 2 2 纤维的长度和粗度对纸张紧度的影响 当纤维的长度和粗度都较低时，纤维有形成一个更加紧凑的网络系统的趋势。随着 纤维长度的降低，所形成纸页的紧度提高。对于纤维的粗度，也有类似的结论。即纸张 紧度随纤维粗度的增大而下降，主要影响因素是纤维粗度、细纤维化、干燥时的起皱性 及浆中细小纤维含量。而纤维粗度对纸张紧度的影响可能是由纤维粗度对纤维的湿柔韧 性的影响所致，因为粗度越大的纤维其湿柔韧性相对越小，因而在纸页成形时，纤维问 的交织面积及结合力相对也越小，从而使纸张的紧度也越小。 1 4 2 3 纤维的性质抗张强度的影响 抗张强度随纤维长度的增加而提高，由于长纤维能提供更多的结合点，同时长纤维 本身具有较高的强度，有利于应力均匀分布。在一定的纸页紧度时，抗张强度随纤维长 度的增加而提高，但当长度超过某个值时，抗张强度并不进一步提高，这是因为当纤维 达到一定长度，有相当多的结合点时，拔出纤维比拉断纤维困难，此时抗张强度主要受 纤维强度控制，不再随纤维长度的增加而变化。 在不同的打浆转数下，由不同纤维粗度的浆抄得的纸张，其抗张强度随纤维粗度的 增加逐渐降低，这是因为纸张抗张强度主要取决于纤维问结合力。随着纤维粗度的增加， 比表面积减少，抗张强度下降。由纤维粗度较大的浆料抄得的纸张，其纤维闻结合力相 对要小一些，因而，其纸张的抗张强度也相对要小嗍。 抗张强度还受纤维强度和纤维结合两方面的影响。当纤维结合较弱时，纤维间的结 合指数为主要决定因素，因而抗张强度主要受纤维结合的控制；如果纤维结合程度大， 结合指数的影响较小，此时。纤维强度的影响则更为重要 4 4 j 1 a 2 4 纤维的性质对纸张撕裂强度的影响 纤维的强度、粗度以及纸页紧度保持恒定时，撕裂韧性随着纤维平均长度增加而增 大，近似成直线关系。 对于纸张撕裂强度来说，其主要的影响因素为纸张抵抗局部应力的能力及分散局部 应力的能力大小，纤维粗度越大的浆料，纤维间结合力越小，这一方面造成纸张分散局 部应力能力增加；但另一方面又造成纸张抵抗局部应力能力的降低，至于哪一方面占优 势，则不得而知，还有待于进一步研究。纤维粗度越大的浆料其纤维长度相对也越大， 而纤维长度对撕裂强度的影响较大，可见，纤维长度越大，其纸张撕裂强度相对也越大。 由于上述三方面因素的综合影响，造成浆料的撕裂强度随纤维粗度的增加而增加 4 4 4 5 1 。 纤维的强度对纸张撕裂强度的影响程度与纤维问的结合程度密切相关。有研究表明， 6 a p m p 浆料性能分析及其对纸张性能的影响 当纤维较长，有足够的结合时，撕裂强度与纤维强度的平方成正比，如果纤维较短，结 合较差，撕裂强度对纤维强度的依赖性减弱，因为此时在撕裂部位纤维通常是被拔出而 不是被拉断的。 1 4 3 细小纤维对纸张性能的影响 近年来，国内外高得率浆发展极其迅猛。由于高得率浆生产的固有特点，相当一部 分纤维在磨浆过程中变成细小纤维嗍。e r c t u l a i n e n 等统计出高得率浆细小纤维含量可占 浆重的2 0 0 o - 3 5 明。有人认为细小纤维的主要作用是使水分难以从浆中脱去，但随着对 纸浆深入的研究，许多学者发现细小纤维对提高纸页抗张强度，改善光学性能有着重要 意义，在高得率浆中尤为显著 “- 5 1 1 。 1 4 3 1 细小纤维的概念 一般是以纸浆的筛分组分来区别长纤维和细小纤维，不同的浆种，细小纤维的概念 也不同。草类化学浆在1 0 0 目以下的短纤维、杂细胞等的混合物组分叫细小纤维；通常将 机械浆与化学机械浆2 0 0 目以下的纤维碎片、丝状细小纤维、纤维束等组分称作细小纤维， 也有少数研究者认为1 0 0 1 i 1 以下的纤维组分称为细小纤维；化学木浆在2 0 0 目之下的短纤 维和纤维束组分是细小纤维l s z , i 1 4 3 2 细小纤维的含量 麦草化学浆1 0 0 目以下的细小纤维含量为5 2 5 5 ，蔗渣盘磨机械浆2 0 0 目以下的细 小纤维组分平均为3 1 ，有的高达4 7 6 ，蔗渣c m p 在同一游离度水平下，未经筛选的 纸浆的细小纤维含量高于经过筛选的漂白浆，低游离度时含量都大于高游离度的。云杉 s g w 2 0 0 日以下的细小纤维占3 2 - 3 4 ；云杉c t m p 通过2 0 0 目的细小纤维组分1 7 2 4 ， 山杨为2 0 左右。几种针叶木和阔叶木b c t m p 的细小纤维含量是1 6 2 4 ，游离度低含 量高。化学木浆通过2 0 0 n 的细小纤维约占l o 左右，杨木k p 浆在游离度( c s f ) 4 0 0 m l 时是1 0 ，云杉k p 的细小纤维含量也仅有8 总之，凡木材与非木材的植物纤维原料，同一原料随制浆方法的不同细小纤维的含 量不同，同一浆料打浆度高，细小纤维含量也随之增加。若以细小纤维含量为变量来调 节和控制生产过程，优化长纤维与细小纤维含量的最佳组合，改善产品质量，将会有现 实意义。 1 4 3 3 细小纤维的贡献 细小纤维对纸的强度、平滑度、松厚度和浆的打浆度、保水值、光散射系数等均有 长纤维不可替代的功能作用。 ( 1 ) 促进打浆度上升。 众所周知，增加细小纤维含量可以提高打浆度。打浆提高又能促进细小纤维的形成， 有利于各项物理性能指标的改善。草类原料及阔叶木纤维短，浆中细小纤维多，易于打 7 陕西科技大学硕士学位论文 浆，打浆度上升得快，针叶木浆中绝大部分是长纤维，细小纤维少，相对于草浆和阔叶 木浆，通常情况下打浆时间长些。 ( 2 ) 增加纸的强度 湿纸初始强度的大小决定于纤维长度和纤维表面张力的大小，这种张力能使纤维间 彼此接近，而这种张力正比于纤维的外表面积。化学机械浆中细小纤维含量高，外表面 积大，- i ：达n l o - 5 0 m 2 g ，长纤维的表面积只有l m 2 g ，因此湿纸的初始强度随细小纤维 含量的增加而提高。 过去的研究已经表明，对于机械浆及化学机械浆而言，长纤维组分与细小纤维组分 达到一个适宜的比例，才能得出好的强度效果。阔升木化学机械浆的强度几乎相当于针 叶木s g w 的强度，是因为化学机械浆的细小纤维中有大量的纤丝状的细小纤维，具有很 高的结合能力。 ( 3 ) 提高纸的平滑度 绝大多数纸种在成型过程中细小纤维的功能作用是不可忽视的。浆中长纤维含量很 多，细小纤维含量很少，形成的纸页表面粗糙，平滑度低，如果细小纤维组分完全能填 满长纤维之间形成的空隙，则纸页的表面比较光洁，平滑度显著提高，使印刷的字迹图 像清晰。麦草化学浆含有大量的细小纤维，相对于化学木浆而言，成纸紧度高、匀度好， 比化学木浆纸有较高的平滑度。所以在印刷纸的配浆中，加入一定量的a p m p ，生产的 纸比全化学木浆生产的纸具有更好的匀度和平滑度，因为在纸页的结构中a p m p 的细小 纤维起到了关键的填充孔隙的作用。 ( 4 ) 改善光散射系数和不透明度 云杉s g w 细小纤维组分的光散射系数比原浆高4 7 - 8 0 e ，蔗渣i 哺心细小纤维的光散 射系数也达n 6 0 m 2 , k g ，较原浆约大1 8 。一般情况下，化学浆的光散射系数是机械浆的 1 2 。在纸的定量相同时，白度增加，不透明度下降。因此在生产高白度纸时只有增加细 小纤维含量，才能保持纸的较高不透明度。 1 a 3 4 细小纤维的弊端 细小纤维除上述的功能作用外，在纸的性能和纸的抄造过程中也存在一些弊端，重 要的有如下几个方面。 ( 1 ) 不利于强度的发展 某些浆料的细小纤维，如果含量高会对纸张的强度等性质产生不利影响，例如酸法 蔗渣浆中，由于细小纤维中杂细胞含量很多，影响浆的强度、伸缩率和脆性。若能除去 大部分杂细胞，强度会提高，伸缩率和脆性下降。麦草化浆中过1 0 0 目的细小纤维主要 是杂细胞，约占麦草浆的l 2 ，这些杂细胞存在于纸页的结构中。因它的形态特点起不 到填充长纤维之间孔隙的作用，影响纤维的紧密接触，导致纸的松厚度高、强度低。 a p m p 浆料性能分析及其对纸张性能的影响 ( 2 ) 网部脱水速度慢 细小纤维含量高，保水值大，网部脱水慢。对于木浆而言，目前在高速纸机上进行 抄纸已没有什么问题。然而草浆由于细小纤维组分中杂细胞多，滤水性能差，容易糊网， 但早已有很多办法解决。 ( 3 ) 顶浆 经验证明，生产新闻纸，s g w l o o 目以下细小纤维组分在5 0 e 以上时，成形网发生 严重顶浆现象，当s g w 中细小纤维在4 7 以下，2 0 - 6 0 目的长纤维在3 6 之上，不发生 顶浆。其它纸种的生产也有顶浆现象发生。 ( 4 ) 纸页掉毛 用细小纤维含量多的纸浆生产出的纸，容易掉毛影响印刷性能，还会造成糊版。 毫无疑问，根据不同的浆种及纸的品种，当前已有相当多的方法能解决这个问题。 1 4 4 不同原料纤维特性与a p m p 浆料性能和用途间的内在联系 不同纤维原料的使用必然导致成浆在质量和性能上的差异目前许多树种被用于或 正在中试研究制造a p m p 浆，然而各个纸种对浆料性能的要求各不相同，因此了解木材 纤维的基本特性对充分发挥纤维内在性能非常重要。 ， ( 1 ) 针叶木纤维特性与a p m p 浆料性能和用途间的内在联系 针叶木与阔叶木的纤维长度和直径等方而有很大差异。针叶木纤维长且纤维直径较 大。针叶木a p m p 浆由于大部分木素未被除去，其纤维硬、粗且不易被压溃，为得到较 好的纸张平滑度( 尤其是l w c 纸和新闻纸) ，只能制成低游离度( 通常低于1 5 0 m lc s f ) 浆料；而高游离度( 4 0 0 - 6 0 0 m l c s f ) 的针叶木a p m p 浆只能用来抄造低质量的纸板和卫 生纸类产品。对于配抄全化学木浆的文化纸来说，针叶木a p m p 浆的纤维相对粗糙。此 外，针叶木a p m p 浆的可漂性也是决定其最终用途的一个重要因素。通常，针叶木的木 素含量较高，很难将浆料白度漂到8 0 i s o 以上，进而也制约了其在高白度( 9 0 i s o 或 更高) 全化学木浆纸中的配用。 ( 2 ) 阔叶木纤维特性与a p m p 浆料性能和用途问的内在联系 与针叶木相比，阔叶木纤维短且纤维直径小，对提高纸张匀度和表面性能有利。然 而阔叶木a p m p 浆的强度较低，尤其是撕裂强度较差。在成纸物理性能和光学性能方面， 各种阔叶木之间的差异也很大。商品a p m p 浆常用的3 种阔叶木分别为杨木、桦木、枫木。 在北美和欧洲，杨木是生产a p m p 浆最普遍的树种。杨木木材密度相对较低，易于 预浸和磨浆；原木白度高、木素含量低，很易漂至8 5 i s o 左右的高白度；杨木纤维短而 小，其配抄性能优越，被广泛用于生产涂布和未涂布的全化学木浆的纸和纸板。与枫木 和桦木相比，杨木的松厚度相对较低。 与杨木相比，桦木的纤维壁较厚、纤维较长、木材密度较高，因此要达到给定游离 9 陕西科技大学硕士学位论文 度，桦木所需的磨浆能耗较高。商品桦木a p m p 浆一般制成高游离度( 4 0 0 5 0 0 m lc s f ) 浆料，以降低磨浆成本。与杨木浆相比，桦木浆纤维虽粗糙得多，但其松厚度较高。为 提高杨木a p m p 浆的松厚度，经常在杨木木片中掺入一定比例的桦木进行混磨。 枫木因其木材颜色微红，很难漂白，最高白度在8 0 i s o 差e 右。枫木a p m p 浆很少用 在全化学木浆的纸种中。由于其纤维比杨木的短，因此对匀度和表面性能更为有利。枫 木纤维直径较大，可制成高松厚度的浆科。枫木a p m p 浆的游离度控制在4 0 0 m lc s f 左 右，主要用作多层纸板的芯层浆，芯层浆对白度的要求不高( 不超过8 0 i s o ) 。枫木a p m p 浆具有高松厚度和好的匀度。由此可见，a p m p 浆的最终用途受其成浆白度的影响较大。 尽管木材纤维的特性对浆料性能影响很大，但不能简单地用木材纤维的特征来预测 浆料性能，还应考虑很多因素，如树木生长速度、生长位置等。一般来说，纤维壁较厚、 纤维较长、直径较大的树种制作高得率浆，浆料纤维一般较粗糙，但松厚度较高；高密 度的树种，则难浸渍和磨浆。 1 5 本课题的目的和意义 原料纤维形态及其不同筛分组分的性能特点直接关系到纤维的成纸特性及纸张质 量。在浆料纤维分析方面，芬兰和挪威研究的比较深入。如加拿大p a p d c a n 制浆造纸研究 所的b y r o nj o r d a n 博士、英国曼彻斯特理工大学( u m i s t ) 的i a i 丝g o n 博士和s a p m nb i l l 博士在这方面正在做一系列的研究。其中有的在这一领域的技术己经产品化，如芬兰 m e t s o 公司开发的f i b e r l a b 和f i b 刊b x p e r t 等嘲。 在我国，随着。逐步实现以木材纤维为主”的原料结构方针和“林纸一体化”工程 的逐步实施和全面推广，全国共有7 2 家造纸企业拟建林纸基地，现在开发的面积已达4 7 4 万公顷，规划到2 0 1 0 年开发的面积为5 6 8 4 万公顷删，这将为化机浆的生产提供充足的 原料。适合速生材制浆造纸的工艺方法一a p m p 制浆，也越来越受到造纸工业的青睐。 大力发展a p m p 制浆，对于我国造纸工业的发展具有重大的现实意义。这一工艺在 保留了机械浆高得率这一优点的同时，大大提高了浆料强度，并使阔叶木( 杨木、桦木、 枫木和桉木等) 纤维的广泛应用成为可能，由于阏叶木纤维的长度较短，成形良好，并 可以生产出与化学浆白度相媲美的浆料，使得a p m p 浆的应用范围不断扩大，特别是对 木材纤维资源相对短缺的国家具有重要的利用价值。 目前，当务之急就是更好地推广和应用a p m p 这种浆料，因此必须全面深入地分析 a p m p 浆料本身的性能。浆料的主要成分是不同长度的纤维，这些纤维组分直接影响到 浆料的性能，进而影响纸张的性能和应用。本课题以机械筛分为手段，深入研究a p m p 的浆料特性，探讨其各个筛分组分的作用，并在理论上指导生产，扩大a p m p 的应用范 围。 l o a p m p 浆料性能分析及其对纸张性能的影响 2 实验部分 2 1 实验原料 2 1 1 浆料来源 实验以意大利黑杨a p m p 浆为研究对象，取自湖南泰格林纸集团，打浆度为5 0 0 s r 。 2 1 2 浆料准备 将