（制浆造纸工程专业论文）漂白麦草浆与白杨prc+apmp共磨浆特性的研究.pdf

漂白麦草浆与白杨p r ca p m p 共磨浆特性的研究 摘要 为了节约能耗，充分利用纤维资源，本文详细研究了漂白麦草浆( w s ) 与不同松厚 度p r c a p m p 共磨浆的特性，研究了不同配比在不同打浆度下对纸页光学及物理特性的 影响，同时也初步探讨了共磨浆施胶，助留助滤特性，主要结论如下： 1 h b 与w s 共磨能显著降低磨浆能耗，h b 共磨浆能明显改善纸页的光学性能，并 且h b 添加量在2 0 左右，打浆度在4 0 0 s r 左右时，其共磨浆的物理强度也接近或高于 w s p ，另外，h b 浆与w s p 共磨在改善纸页松厚度，撕裂度，脆性上出现了明显的协同 效应。 2 同一条件下，p r ca p m p 的助留助滤的效果优于w s ；p r ca p m p 与w s 共磨能 够降低浆料溶解阳电荷需求量( c s d ) ；两种共磨浆的滤水性能均优于w s p ，细小纤维留着 率高于对应的高得率浆，p r ca p m p 的添加量越高，助留助滤效果改善越明显，h b 共 磨浆在此方面更具优势。 3 同一条件下，p r ca p m p 的施胶效果优于w s ，两种共磨浆的施胶效果均优于纯 麦草浆，且p r ca p m p 配比量越高，对应共磨浆的施胶度越高，较佳的a k d 用量为0 3 ， c p a m 及膨润土分别为0 0 4 和0 2 ，p h 值在8 左右。 4 在添加湿部助剂后，h b 共磨浆的光学性能依然高于对应的m b 共磨浆，同时p r c a p m p 添加量在2 0 左右，打浆度在4 0 0 s r 左右时能保持与m b 共磨浆接近的物理强度 及填料留着率。 关键词：h b ；m b ；w s ；共磨浆；施胶；助留助滤 s t u d yo n t h ec o r e f i n i n gp r o p e r t i e so fb l e a c h e dw h e a ts t r a wp u l p a n da s p e np - r ca p m p a b s 。i r a c i i no r d e rt or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n dm a k ef u l lu s eo ff i b e rm a t e r i a l ，w h e a ts t r a w p u l p ( w s ) w a sc o r e f i n e dw i t ht w ok i n d so fp r ca p m pp u l p ss e p a r a t e l y , a n dt h e i ri n f u l e n co n o p t i c a la n dp h y s i c a ls t r e n g t hi nd i f f e r e n tf u r n i s ha n db e a t i n gd e g r e ew e r es t u d i e d , a n d m e a n w h i l ee f f e c t so fc o - r e f u t i n go ns i z i n g ，d r a i n a g ea n dr e t e n t i o np r o p e r t i e sw e r ea l s o d i s c u s s e dp r e l i m i n a r i l y , t h em a i nr e s u l t sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 c o - r e f i n i n go fh ba n dw sc a ni m p r o v ee n e r g ye f f i c i e n c y , a n dy i e l dh i g h e rb u l ka n d o p t i c a lp r o p e r t i e s ，a n dp h y s i c a ls t r e n g t hi sa l s oc l o s et oo re v e nh i g h e rt h a nw s a ta b o u t4 0 0 s r a n d2 0 a d d i t i o no fh bp u l p 懒m o r e ，o b v i o u ss y n e r g i s t i ce f f e c t sw e r ef o u n do ni m p r o v i n g b u l k ，t e a ra n db r i t t l e n e s sp r o p e r t i e s 2 p r ca p m ph a sb e t t e rd r a i n a g ea n dr e t e n t i o np r o p e r t yt h a nw si nt h es a n l ec o n d i t i o n ， a n dt h ec s dc o u l db ed e c r e a s e dt h r o u g t hc o - r e f i n i n g ，e s p e c i a l l yh bp u l pb l e n d s ，a n db o t ht h e t w ok i n d so fp r ca p m p p u l pb l e n d sc a ni n c r e a s ed r a i n a g ep r o p e r t y , a n dg a i nh i g e rr e t e n t i o n o ff i n e st h a nt h ec o r r e s p o n d i n gp - - r ca p m p , a n dw i t h i n5 0 a d d i t i o no fp - r ca p m p , t h e h i g h e ro fi t sc o n t e n t ，t h eb e t t e ro ft h ei m p r o v e m e n t ，a n dh bp u l pb l e n d sa r em o r ee f f e c t i v ei n t h i sa s p e c tt h a nt h a to fm b 3 p - r ca p m ph a sh i g h e rs i z i n gd e g r e et h a nw si nt h es a m ec o n d i t i o n ，a n dt h et w ok i n d s o fp u l pb l e n d sa l s os h o wl o w e rc o b bv a l u et h a nw s ，a n dt h ei m p r o v e m e n ti sc o r r e s p o n d i n g w i t ht h ep r ca p m pc o n t e n ti nt h ep u l pb l e n d s ，a n dt h eo p t i m u md o s a g eo fa k df o rt h ep u l p b l e n d si sa r o u n d0 3 ，a n do 0 4 f o rc p a m ，0 2 f o rb e n t o n i t e ，a n dp hv a l u es h o u l d c o n t r o l l e da r o u n d8 4 a f t e rt h ea d d i t i o no fw e te n dc h e m i c a l s ，h bp u l pb l e n d ss t i l ls h o wh i g h e ro p t i c a la n d b u l kp r o p e r t i e st h a nm bp u l pb l e n d s ，a n dm e a n w h i l et h et e n s i l e ，s u r f a c es t r e n g t h ，t e a r , b u r s t a n dr e t e n t i o no ff i l l e ra r ea l s oc l o s et om b p u l pb l e n d sa ta b o u t4 0 0 s ra n d2 0 a d d i t i o no f p r ca p m p k e yw o r d s ：h b ；m b ；w s ；c o r e f i n i n g ；s i z i n g ；d r a i n a g ea n dr e t e n t i o n 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，除文中已经特剐注明引用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( 本人蓉名) ： 徐娜 川年吞月沙日 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彰 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者( 本人签名) ： 指导教师( 本人签名) ： 侉翊1 年 z 月沙目 名咿多月声z ，日 致谢 在这论文完成之际，我要特别感谢导师翟华敏教授。翟教授引领着我走 进了这片领域，他的悉心指导和关怀让我对学习和研究的兴趣越发浓厚。论 文的选题、实验、论文修改等，翟教授都倾注了很多心血，提出了很多有益 意见。同时，翟教授在学术和科研上严谨的态度和勇于探索的精神深深地感 染了我，使我受益匪浅。在此谨向翟教授致以崇高的敬意和衷心的感谢! 另外，我也要特别感谢安德里兹公司许超博士对本次实验的大力支持和 指导。 在论文开题时，尤纪雪教授、童国林教授等给我提出了很多非常宝贵的 意见。在论文的开展过程中，还得到了造纸科学与工程系程金兰、刘学斌、 皮成忠、宜永刚等老师的大力帮助，同时黄军、谌尧、梁喜林、房兆伟、韩 城、王楚、杨光等实验室师兄弟妹们在论文研究和写作过程中给予了有益的 帮助。在此，一并表示感谢! 在攻读硕士学位期间，我要特别感谢父母对我的理解和支持以及他们多 年来的养育和教导之恩! 作者：徐娜 20 0 9 年6 月 1 1 前言 1 1 1 选题背景 1 1 1 1 我国造纸工业的现状 第一章绪论 造纸工业是国民经济的基础产业，对纤维原料的依赖性高，具有资金技术密集和规模 效益显著的特点，其产业关联度大，与林业、农业、机械制造、自动控制、化工、热电、 交通运输、环保、印刷、包装等产业有关，因而，纸业需求不断增长，对上下游产业的经 济发展有较大的拉动作用，成为新的经济增长点。当今，经济发达国家的造纸工业已经成 为其国民经济十大制造业之一，而在发展中国家，近年来造纸工业的迅速崛起对经济发展 起到了重要的促进作用。世界各国己将纸及纸板的生产和消费水平作为衡量一个国家现代 化水平和文明程度的重要标志之一【1 j 。 据中国造纸协会对综合信息资料调查，2 0 0 6 年全国纸浆生产总量5 2 0 4 万吨，较上年 4 4 4 6 万吨增长1 7 0 5 。2 0 0 6 年全国纸浆消耗总量5 9 9 2 万吨，较上年增长1 5 2 3 ，其中 木浆1 3 2 2 万吨，较上年增长1 6 9 9 ，比例占2 2 ，与上年持平；非木浆1 2 9 0 万吨，较 上年增长2 3 8 ，比例约占2 2 ，较上年下降2 个百分点；废纸浆3 3 8 0 万吨，较上年增 长2 0 2 8 ，比例约占5 6 ，较上年增加2 个百分点。木浆中，进口木浆比例下降2 个百 分点；废纸浆中，进口废纸浆比例与上年相同；非木浆中，禾草浆、苇( 荻、芒秆) 及蔗 渣浆消耗量均比上年有所增加，但所占纸浆消耗总量的比例继续呈降低趋势【2 0 】。 未来十几年，中国造纸工业仍将处于发展中的调整生长时期。随着中国经济的发展， 城市化进程的加快，人们生活水平的提高，消费结构的升级，国内纸品市场供需仍将快速 增长，纸业有着巨大的市场发展空间。业内人士预测，2 0 1 0 年纸及纸板消费量可为4 8 0 0 万吨，到2 0 1 5 年纸及纸板消费量将达到8 0 0 0 万吨，年均增长4 8 ，人均消费量将达到 5 6 公斤，高于目前世界平均消费水平1 4 j 。 1 1 1 2 我国造纸工业的发展与瓶颈 纤维原料是造纸工业的物质基础，其种类、数量与质量，不仅关系到造纸工业的发展 速度，而且对造纸企业的规模、采取的工艺技术装备路线、污染的治理和经济效益等都有 着决定性的影响。为加快调整产品结构、优化升级我国造纸产业结构和实现造纸工业现代 化的可持续发展，对造纸工业原料结构实施战略性调整具有重大意义3 。 目前国内造纸纤维原料消耗总量中，木材量太少；芦苇、竹子、蔗渣原料长期处于停 滞不前的状态；国内废纸资源总量大，但质量不高，回收率低；稻、麦草资源丰富，仍有 一定供应市场空间。造纸行业发展受现有纤维资源约束的矛盾十分突出，国内造纸纤维原 料消耗结构及未来发展趋势见表1i s j 。 由表1 可知，2 0 0 5 年国内纸浆消费中，浆料总产量为3 7 0 0 万吨，木浆占2 5 ，非木 材浆占2 9 ，废纸浆占4 6 ，近几年纸浆消费结构有所改善，木浆比例有所提升，2 0 1 0 年浆料总产量预计提高2 2 9 ，其中木浆比例提高了3 1 ，非木材浆提高7 ，废纸浆比 例同样提高了2 6 。非木材纤维中，禾草浆在2 0 1 0 年仍占有一半以上的比例，而苇浆、 竹浆、蔗渣浆等占的比例相对较低。2 0 2 0 年，纸浆结构中，非木浆比例呈下降趋势，但 非木浆的比例仍然很大，即使达到了以木为主的水平，非木材原料的绝对量还是很庞大的， 其中麦草类原科占很大比重，另外，废纸浆增幅有所降低，但仍支撑着纸浆结构的调整， 进口纤维原料量( 包括废纸) 占纸浆总消耗量的3 0 ，比2 0 0 5 年降低2 5 ，主要是由于 国内木浆和国内废纸浆比例增加所致。 为了更好地发展我国造纸工业，必须认识到现阶段我国造纸原料结构的特殊性，要大 力争取木浆，合理利用草浆，才能更好的满足我国纸张产量不断增长和开发新纸种的需要。 表12 0 0 0 - 2 0 2 0 年我国造纸工业纤维原料构成 t a b l e1f i b e rm a t e r i a ls t r u c t u r ei np a p e r m a k i n gi n d u s t r yf r o m2 0 0 0 - 2 0 2 0i nc h i n a 1 1 2 立题依据 l 。l 。2 1 高得率浆的应用开发 我国制浆造纸工业所面临的急需解决的问题是如何有效地利用有限的森林资源转化 成优质浆料，提高木材的利用率。高得率制浆与化学制浆相比，具有得率高，污染轻和投 资少的优点，特别适用于我国的造纸现状。另外，高得率浆可取代部分漂白化学浆用于生 产印刷和书写纸降低成本，赋予纸张较高的松厚度、挺度、不透明度和适印性。 如今传统的高得率浆种逐渐被c t m p t 3 c t m p 及a p m p 等化学机械浆所取代。就制 浆工艺来说，与纯粹化学制浆相比，化学机械法制浆有以下几个优点【9 】： ( 1 ) 化学机械法制浆无需化学回收系统，所以投资成本低； 2 ( 2 ) 与得率为5 0 或者更低的化学法制浆相比，化学机械法制浆有较高的得率，能达 到8 5 i s o 或者更高的白度。 ( 3 ) 化学机械法制浆有很大的灵活性，可以通过调整化学和机械处理之间的结合程度 来得到不同性质的浆料，也就是说，它可以用同一种原料生产出不同的纸浆，用在不同的 生产领域，也可以用不同原料生产出相似的纸浆用在相同的领域。 ( 4 ) 高得率浆能赋予纸张较好的松厚度，不透明度和光散射系数等。 但是高得率浆的应用同样存在一些缺点：其本身的强度较差，而且由于高得率浆纤 维表面有较多的木素，其亲水性比化学浆差，因而碎浆困难，打浆能耗较高，同时高得率 浆含有较多的细小纤维和阴离子垃圾，会增加湿部化学操作的困难。 1 1 2 2 麦草浆的应用开发 麦草浆作为我国造纸工业的传统原料，有其优点，譬如，纤维细、长宽比大、结合力 较好、挺度较高、用草浆抄造的纸页细腻、平滑度高、匀度好、适合于生产抗张强度和耐 破度要求较高、撕裂度要求不高的纸种，如用于生产印刷纸等文化用纸【l0 1 。近年来，纸 和纸板需求量飞速增长，已超过了木浆的供给，加上传统的将稻麦秸杆等农业废弃物露天 烧毁的方法会对环境造成污染，欧美等一些使用木浆比例很高的国家也开始关注利用草类 纤维原料问题，部分纸种开始配用草浆。 但是草类纤维的滤水性能差，纸页表面强度低，脆性高，松厚度低，不透明度低【l 卜1 3 】 等缺点限制了纸机车速的提高，而且高速胶版印刷时易于断头和掉毛，影响印刷质量和效 率。研究发现，麦草浆与化机浆搭配，可以取长补短，在某种程度上弥补草浆的一些缺点， 改善印刷性能1 1 引。 1 1 3 研究的目的 通过麦草化学浆与高得率浆共磨，弥补各自在应用上的缺陷，揭示麦草化学浆分别与 相对高松厚度及中等松厚度p r ca p m p 混合打浆的规律和差异，并初步探讨这两种不同 的共磨浆施胶，助留助滤的特性，以及添加湿部助剂后，共磨浆对纸页物理强度，光学性 能及印刷性能的影响，为高得率浆及麦草浆的高效应用提供指导。 1 1 4 研究的主要内容 ( 1 ) 不同松厚度p r ca p m p 与麦草浆共磨特性的研究； ( 2 ) 不同种类p r ca p m p 共磨浆助留助滤特性的研究； ( 3 ) 不同种类p r ca p m p 共磨浆施胶特性的研究； ( 4 ) 麦草浆与p r ca p m p 协同效应的研究。 1 1 5 论文的主要创新点 ( 1 ) 详细研究了不同松厚度p r ca p m p 与漂白麦草浆混合打浆的规律； ( 2 ) 国内首次探讨p i 配a p m p 与漂白麦草浆共磨浆施胶，助留助滤特性。 3 1 2 文献综述 1 2 1 高得率浆的发展与应用 高得率浆是指用化学、高温和机械结合的方法使纤维分离，制成得率在7 5 以上的 纸浆品种，既包括传统的磨石磨木浆( s g p ) 、压力磨木浆( p g w ) 、木片磨木浆( r m p ) 、 后来发展起来的各种化学机械浆( c m p ) 、热磨机械浆( t m p ) 、化学热磨机械浆( c t m p ) 以及碱性过氧化氢机械浆( a p m p ) 等l l 川。 由于人们对纸浆质量( 强度、白度及适印性) 要求不断提高，传统的高得率浆种逐渐 由c t m p b c t m p 及a p m p 所取代。与硫酸盐浆相比，c t m p 及a p m p 质量虽然差些， 但能更有效地利用纤维原料，吨浆原料消耗量只有硫酸盐浆的1 2 左右，吨浆耗水量仅 1 1 0 ，生产过程无恶臭等大气污染，相同规模新建厂的费用约为硫酸盐浆厂的一半【l 7 。 化学热磨机械浆( c t m p 或b c t m p ) 技术自2 0 世纪7 0 年代首条生产线建成以来发 展迅速，继而在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 。目前，常 用这3 种方法生产化机浆，由于得率高和有关特性，这3 种浆在我国占高得率浆主导地位， 碱性过氧化氢机械磨木浆( a p m p ，a l k a l i n ep e r o x i d em e c h a n i c a lp u l p i n g ) 工艺是在c t m p 工艺的基础上发展起来的，在浸渍条件、使用药品、反应剧烈程度、磨浆方式等方面与 c t m p 有较大的差别【l8 1 。a p m p 在碱进行预处理的同时，加入过氧化氢进行了漂白。这 样，无须另外单独进行漂白，因此简化了整个生产过程。 尽管早期的a p m p 技术很快地被应用于全球化的商业工业生产，但是它在浆料的白 度、化学分解和化学效应方面有一些限制。为了克服这些缺点，在九十年代的后期及近一 时期发展出了一个更有效的生产方法，该方法在保持传统a p m p 浆料优点( 例如低能耗、 高强度等) 的基础上，采用化学盘磨预处理与之结合的方法，提高混合效果和化学反应效 应，也提高了浆料的白度【2 1 2 2 1 ，即盘磨化学预处理碱性过氧化氢机械磨木浆( p r c a p m p ) 1 5 q 6 】，该过程中，木片首先用碱性过氧化氢进行预处理，接着在盘磨中与化学物质一边混 合一边进行磨浆，在磨浆的过程中同时进行了大部分的化学处理( 如漂白等) ，与传统的 a p m p 相比，p r c 的主要优势在于药液加入方式的改变，具体表现在：药液从不同点加 入和药液在不同点的比例分配都会影响浆料的质量，只有1 3 的化学药品用在第二段预浸 中，而且增加该段用碱量可提高成浆的打浆度及裂断长，且可降低磨浆能耗，另外，p r c 利用一段磨喷放管中浆料高压、高浓、高温的条件，有效促进药液均匀吸收和完全反应， 与b c t m p 相比，p r ca p m p 工艺灵活性大，同一原料可通过调整化学药品用量生产出 相对高松厚度或者高强度浆料，而且其洗涤效果好，阴离子垃圾含量相对少些，无需专门 的漂白设备，投资规模小，而最终白度与b c t m p 差不多【2 3 j ，因而国内目前新上的化机 浆生产线多采用p r ca p m p 生产技术 2 4 - 2 5 j 。 1 2 2 麦草浆的发展与应用 造纸工业长远发展历史中，非木材造纸已有近2 0 0 0 年的历史，而木材造纸则是近百 年的事。但由于木材造纸的诸多优点，发展十分迅速，至今不仅占造纸原料的9 0 以上， 而且成为造纸工业持续发展的一个重要条件，但是，在纤维原料缺乏的地区特别是在发展 4 中国家，由于发展造纸工业对原料的巨大需求与木材短缺所形成的矛盾，促使了人们再次 提出开发非木材造纸的问题。中国的山东、江苏、安徽、河南等省的草浆造纸企业都在致 力研究这个问题，并取得诸多进展，国际上芬兰、加拿大的一些开发公司，大学和科研单 位也在研究这个问题。 目前用于造纸的非木材纤维原料主要有麦草、芦苇、竹子、甘蔗渣等几种，其中麦草 占的比例较大，原因在于小麦是我国主要粮食作物之一，2 0 0 0 年全国小麦产量9 9 6 4 万 吨，麦草产量约8 0 0 0 万吨，因而麦草资源在我国极为丰富，主要省区有河南、山东、 河北、江苏、安徽等，小麦产区就是天然的麦草原料基地。我国在应用麦草造纸上已有悠 久的历史和丰富的成功经验，工艺技术与装备水平也处于国际领先地位。近几年，随着农 业机械化收割及小麦品种的变更，可供造纸用的麦秆质量也有所变化，纸厂对麦秆制浆造 纸的工艺、品种也作了适当调整。目前，用于造纸的麦草量占可供资源量2 0 左右，仍 有相当大的潜力。在我国木材纤维资源十分匮乏的情况下，只要科学合理地应用，一定时 期内，麦草仍不失为一种较可靠的非木材纤维造纸原料i m 列。 草类原料与木材原料在化学组成和纤维形态及结构上有很大区别，麦草浆中除含有纤 维组分外，还含有相当多的薄壁细胞，表皮细胞等非纤维组分，这些非纤维组分连同一些 很小的纤维通常称为杂细胞组分，据文献报道，麦秆各种细胞的含量为：纤维6 2 1 ，薄 壁细胞2 9 4 ，导管4 8 ，其他1 4 ，麦草浆的纤维组分与杂细组分的物理、化学性质 有很大差别，研究表明，杂细组分含量越高，纸张各项性能越差，麦草浆的细小组分集中 了草浆中的大量杂细胞，这些杂细胞在打浆过程中易破碎使得打浆度上升很快，大大增加 了麦草浆滤水的困难【2 引，另外，杂细胞在制浆过程中脱木素速率低，脱木素较困难，造 成麦草浆白度难以上升，漂白剂耗量大1 2 乳3 0 】。 1 2 3 高得率浆及麦草浆a k d 施胶研究现状 就机械浆而言，通常大家认为高得率浆( h y p ) 比化学浆难施胶，因前者含有较多的细 小纤维和阴离子垃圾，h y p 的细小组分含量比漂白硫酸盐浆( b k p ) 高得多，所以h y p 的 比表面积大大高于b k p | 3 1 弓3 1 。此外，h y p 的阴离子垃圾含量也显著高于b k p ，因而h y p 常常被认为比b k p 难施胶，在印刷和书写纸的生产中用h y p 代替部分b k p 会增加施 胶难度，但最近的一些研究结果表明，商品h y p 对a k d 施胶的响应优于b k p ，原因 之一在于其纤维化学性质的差异，如前所述，h y p 纤维含有较多的木素等憎水性木材成 分而使其本身具有一定的抗水性能，另外，研究也表明在未施胶的条件下，用h y p 抄造 的纸与水的接触角明显大于用b k p 抄造的纸，约9 0 0 ，再次说明h y p 具有一定的自施 胶性能【3 4 1 。h y p 施胶效率高于b k p 的另一重要原因在于a k d 胶料在h y p 中的留着率 较高，这是因为h y p 含有较多的阴离子基团如羧酸基和磺酸基，纤维的负电荷密度比较 高，有利于吸附带正电荷的聚合物和微粒，因而在a k d 施胶过程中添加了阳离子聚合物 作促进剂【3 引，可以减少h y p 中阴离子垃圾和细小纤维对施胶的影响。 同样，草浆由于半纤维素含量比较高，很容易与水结合，对机械处理响应很快，草浆 在打浆过程中，浆料纤维易受机械处理的影响，并且在水环境下润胀软化，这些润胀纤维 中的碳水化合物和木素从细胞壁中释放出来，进入溶液中，溶解的木素和半纤维素能与添 5 加的阳离子助剂发生反应，而且草浆的细小纤维含量也比较高，造成施胶效率下降【3 1 1 。 对于草浆阴离子垃圾和细小纤维的对施胶的影响，前人也做了大量研究，王风敏等研究比 较了在麦草浆中性施胶中p a e c p a m 和p a e c s 助留助滤系统，实验发现，在相同的a k d 用量下，c o b b 值降低了3 0 1 6 ，证明添加p a e 不仅可以增加a k d 留着，还可以作为 a k d 与纤维素反应的促进剂【3 6 1 ，戴红旗等人对漂白麦草浆及各筛分已有的研究基础上， 探讨了漂白麦草浆比表面积、填料用量、抄造p h 值、a k d 加入方式、浆料承受的剪切 力，助留系统及电解质等原料特性和工艺条件对a k d 中性碱性施胶效能的影响，实验中 比较了c s c p a m 、c p a m 膨润土及c s 胶体a i ( o h ) 3 助留助滤系统的最佳用量和效果， 结果发现微粒系统c p a m 膨润土和c s 胶体a i ( o h ) 3 助留效果要明显好于c s c p a m 双组 分助留系统，因而a k d 中碱性抄纸，微粒助留助滤系统更适合戊糖含量高，比表面积大 的麦草浆3 7 1 。 此外，草浆中碱性施胶有诸多优势，如可采用碳酸钙加填，降低成本、提高纸的耐久 性，改善纸页质量，减轻白水负荷等。 1 2 4 高得率浆及麦草浆助留助滤特性研究现状 助留助滤技术是造纸湿部化学的重要组成部分，已经成为现代造纸工业的技术前沿和 研究热点之一。早期采用是单一助留助滤体系是通过对浆料中的细小纤维产生凝聚，形成 较大的絮团，降低了比表面积，从而增加了滤水性，典型的品种有明矾、聚丙烯酰胺( p a m ) 、 淀粉，随后开发的多组分助留助滤体系，是在单组分的基础上配合一种阳离子供给体，其 主要作用是用来中和系统中的阴离子杂质，以确保助留助滤体系的有效性，但存在成形性 问题，典型的有聚胺、双氰胺、阳离子聚丙烯酰胺( c p a m ) 加磷酸酯淀粉、氧化淀粉、 多元变性淀粉或阴离子聚丙烯酰胺( a p a m ) 加阳离子淀粉p 引。 微粒助留技术出现在二十世纪八十年代初期，应用于造纸湿部后取得了意想不到的效 果，在使纸页细小纤维和填料的留着以及纸页的滤水性能得到大幅提高的同时，纸页的匀 度也得到了较大的改善，胶体二氧化硅与阳离子淀粉，改性膨润土与阳离子聚丙烯酰胺以 及氢氧化铝与阳离子淀粉体系一起组成了三大经典微粒体系。随着二次纤维、高得率浆和 脱墨浆的大量使用，引入了大量的阴离子干扰物和树脂与胶粘物，加之白水封闭循环程度 的提高，各种阴离子可溶性与胶体物在纸料体系中积累，对微粒助留作用产生很大的干扰， 因此微粒助留体系与低分子量、高电荷密度的电荷中和剂联合使用已经成为各微粒体系的 标准使用方法，即在加入助留剂之前先加入聚二甲基二烯丙基氯化铵( p d a d m a c ) 、聚乙 烯亚胺( p e i ) 等凝聚剂，与纸料中的阴离子可溶性与胶体物质反应，降低纸料的阳电荷需 求量，并将纸料中胶体物质凝聚成较小的絮块，提高后续药品的使用效率【39 1 。 高得率浆因为大量细小纤维和阴离子垃圾的存在而使助留助滤系统的选择变得复杂， 目前可采取以下措施降低这些干扰物的影响：( 1 ) 在传统二元的微粒助留助滤系统中配合使 用p e i 、p d a d m a c 等阴离子垃圾捕集剂( a t c ) 。( 2 ) 采用非离子聚电解质避免机械浆中 大量的阴离子垃圾与常规的阳离子聚合电解质类助留剂发生发应而降低助留剂效果。 前文也提到过，麦草浆由于半纤维素含量比较高，纤维高度润胀，导致滤水速度下降， 这也是麦草浆在抄纸过程中干度和湿强较低的缘故，而且容易断纸，影响纸机速度和生产 6 率【4 3 1 。 前人在传统的双元系统上也就应用p e i 等阳离子聚合物做了大量研究，如p e i c p w 和p e i c s 双组分助留助滤系统，同样p e i 也是作为阴离子垃圾捕集剂，这种系统不但能提 高阴离子垃圾定着的作用，还取得较好的助留助滤的效果5 l 。 对于草浆而言，也有研究表明高阳电荷聚电解可以增加草浆滤水性，l a r sw a g b e r g ， x i a o p i n gz h a o 等分别比较了c p a m 膨润土，c s 阴离子胶体s i 0 2 以及c s a i ( o h ) 3 对草浆 助滤的效果，实验表明，增加阳离子助剂和浆料纤维和细小纤维之间桥联，可以降低絮聚 物的大小，即絮聚团的“消润胀”促进了浆料的滤水性 4 6 1 。笔者又继续研究如何进一步提高 麦草浆的滤水性，通过添加阳离子聚电解质可以中和纤维上的电荷，实验中选用了聚胺和 聚二甲基二烯丙基氯化铵两种高阳电荷、高分子量的聚电解质，结果发现，在有消润胀作 用前需添加大量聚合物，经过比较后得知，p d a d m a c 可以降低成本，但只能对具有高 打浆度的浆料进行消润胀，而且p d a d m a c 作为中和剂时，其最大的优点是不受p h 值 的影响，对体系p h 值也无影响，酸、碱体系都可应用，而且用量少。夏新兴，彭毓秀等 人通过研究c p a m 膨润土微粒助留助滤体系发现，c p 伽w 膨润土需要提高c p a m 用量才 能提高滤水性，但是添加高分子聚合物可在降低c p a m 用量的同时提高滤水性h w 引。 因而本实验将主要采用低分子量、高电荷密度的电荷中和剂与微粒助留体系联合使用 的助留助滤技术。 1 2 4 高得率浆与化学浆共磨的研究现状 在很多高级纸的生产中，常常把长纤维的针叶木漂白硫酸盐浆和短纤维的阔叶木漂白 硫酸盐浆配合使用。这样，长纤维可以提供纸的强度性质( 特别是纸的撕裂强度) ；而短 纤维可以帮助提高纸的一些功能性质( 如纸的平滑度和匀度) 。近来，在一些高附加值纸 的生产中引进了高白度和高得率的阔叶木化学机械浆，部分取代阔叶木漂白硫酸盐浆【5 ， 但是纸页的表面平滑度可能会收到影响，之前的研究表明【5 1 1 ，由于高得率浆细胞壁较厚， 纤维粗糙度高，造成纸页表面粗糙，从而导致印刷过程中纸页回湿，为了解决这一问题， 有些工厂对高得率浆进行单独打浆后再配抄，也有些工厂采用高得率浆与化学浆混合打浆 的方式，分别打浆与混合打浆对浆料性能的影响引起了广大造纸研究者们的关注，在此方 面，x u 等研究了漂白麦草浆与机械浆混合打浆的特性，实验采用中等松厚度的p r c a p m p 与漂白麦草浆共磨，结果发现其共磨浆有利于降低浆料的打浆能耗，改善光学性能 及物理强度【5 2 1 。但是，如前所述，p r ca p m p 的生产工艺非常灵活，漂白麦草浆与相对 高强度的p r ca p m p 共磨的特性及不同特性p r ca p m p 与麦草浆共磨的差异至今还未 见报道过，本文旨在进一步研究麦草浆与不同松厚度的p r ca p m p 混合打浆的特性，并 初步探讨共磨对湿部化学的影响，以期改善麦草浆的滤水性能，使其更适合高速纸机运行， 为高得率浆制造及麦草浆合理应用提供依据。 7 第二章混合打浆 2 1 前言 打浆对于纤维的作用除压溃、揉搓、分裂以外，也对纤维的润胀和细纤维化起着主导 作用。一般认为，打浆可主要分为五个方面：纤维细胞壁的位移和变形，初生壁和次生壁 外层的破除，润胀，细纤维化，横向切断，这几个方面的作用往往是分不开的。控制打浆 操作，可给予浆料不同的性质，以适应各种纸张的质量要求，并使其具有良好的组织和匀 度，以及必要的物理性质。 我国印刷纸原料一般以短纤维草浆为主，配以长纤维化学木浆，较少采用阔叶木浆。 实际上阔叶木浆在不透明度、松厚度、透气度、形稳性、吸墨性、平整度与抄造性能方面 均优于草浆。适当配用阔叶木浆，对改进我国目前以草浆为主的印刷纸质量及抄造性能有 重要作用，另一方面，草浆虽有缺点，但有打浆电耗低、抄纸匀度好、粘合力强等优点， 因而草浆与阔叶木浆配抄，可以取长补短，生产出质优价廉的纸张，并可改进抄造性能。 本章详细研究了漂白麦草浆与不同松厚度p r c a p m p 共磨浆的特性，研究了不同配 比在不同打浆度下对纸页光学及物理特性的影响，同时对两种不同的p r c a p m p 共磨浆 进行了比较。 2 2 原料与方法 2 2 1 实验原料一 本实验所用漂白麦草浆( w s ) 由河南白云纸业提供，高松厚度p - r c a p m p ( h b ) 及中等 松厚度的p - r ca p m p ( m b ) 由安德里兹公司提供。 2 2 2 实验仪器 3 2 2 3 实验方法 2 2 3 1 浆料基本特性 表2 原料浆的物理特性 t a b l e2 p h y s i c a lp r o p e r t i e so f t h ep u l p s 浆样 打浆度，。s r 松厚度，c m 3 g 抗张指数，n r n g w s2 6 9 1 7 2 5 3 8 h b1 7 9 2 8 5 1 3 8 m b2 0 82 1 3 2 6 3 漂白麦草浆及两种p r ca p m p 基本的特性测定的结果如表2 ，h b 及m b 浆初始的 打浆度均低于麦草浆，并且h b 浆具有较高的松厚度，但强度最低，相反麦草浆的强度比 较高，但松厚度很低，m b 浆的物理性质正好介于h b 浆与麦草浆之间。 2 2 3 2 浆料的筛分 实验中称取2 4 9 绝干浆，浆浓控制为3 ，分别测定漂白麦草浆和两种p - r ca p m p 的长短纤维的分布，结果如下图1 和表3 ： 表3 浆料筛分结果 t a b l e3c l a s s i f i c a t i o nr e s u l t so f t h ep u l p s 注：r 代表r e n t i o n ；p 代表p a s s 图1 浆料筛分结果 f i g 1 c l a s s i f i c a t i o no f t h ep u l p s 由图1 和表3 可知，漂白麦草浆和p r c a p m p 的r 3 0 目的长纤维都差不多，所占的 9 比例在2 0 左右，其中麦草浆相对较高，其次是m b 浆，但两种p r ca p m p 浆的3 0 5 0 目的纤维比例较麦草浆高，另外，三种原料浆的p 2 0 0 目的细小纤维比例都较高，将近2 5 ， 尤其是麦草浆，约2 6 2 ，其次是h b 浆( 2 3 2 ) ，m b 浆略低，约2 1 。较高含量的细 小纤维将不利于化学助剂的留着，增加湿部操作的困难。 2 2 3 3 纸页的抄造 根据i s o5 2 6 9 2 标准，采用奥地利p t ir k 2 a 快速成型器抄成定量约6 0 9 m 2 的纸页。 2 2 3 4 纸张性能的测定 纸页的松厚度，不透明度，抗张指数，撕裂指数，耐破指数，耐折度的测定方法分别 参见g b 爪5 1 3 1 9 8 9 ，g b t 1 5 4 3 1 9 8 8 ，g b t 4 5 3 1 9 8 9 ，g b t 4 5 5 1 1 9 8 9 ，g b t4 5 4 1 9 8 9 ， g b t2 6 7 9 5 19 9 5 5 3 1 。 2 2 3 5 脆裂度的测定 将纸片切成1 5 m m 宽的纸条，然后将纸条分成两组，一组直接测抗张力，另一组经 压折后测其抗张力，然后把备好要压折的纸条逐条对折，用5 公斤的压辊来回压一次，将 纸条反过面来，再在原折痕上对折，用压辊往返再压一次，将一组样品逐条对折后立即进 行抗张力测定，然后再对未压折过的一组样品进行抗张力测定，脆裂度按照下式计算垮4 】： 脆裂度= 未压折纸样抗张力平均值一压折后抗张力平均值( n ) 】未压折抗张力的平均值 2 2 3 6 共磨浆方案 漂白麦草浆分别与两种不同松厚度p r c a p m p 在磨浆之前以一系列配比混合均匀， 如表4 ，配比中以麦草浆为主，h b 和m b 浆则在o 5 0 之间变化，根据t a p p it 2 4 8c m 8 5 采用p f i 磨进行打浆。 表4 浆料配比 t a b l e4f u r n i s ho ft h ep u l p s w s ， h b ， m b ， 1 0 0 o o 9 0 1 0 1 0 8 0 2 0 2 0 7 06 0 3 04 0 3 0。40 5 0 5 0 5 0 0 1 0 0 1 0 0 2 3 结果与讨论 2 3 1 打浆性能分析 2 3 1 1 打浆曲线 打浆对浆料的性能影响很大，为了较好的评价共磨浆的性能，实验中首先测定了纯麦 1 0 草浆和另外两种高得率浆的打浆曲线，结果如图2 ，由图中可以看出，随着p f i 磨转数的 提高，麦草浆打浆速度最快，1 0 0 0 0 转速内已经达到6 5 0 s r 左右的打浆度，而另外两种高 得率浆非常难打浆，纯h b 浆在p f i 磨转数升至9 0 0 0 0 转时才达到5 0 0 s r 左右的打浆度， 相比之下，m b 浆容易些，同打浆度下，m b 浆的能耗量约为h b 浆的一半，这是由于 m b 浆在生产过程中经历较长的化学预处理，因而纤维柔软，易润胀水化。本实验就是利 用麦草浆打浆能耗低这一优势以期提高p r ca p m p 的打浆效率。 图2 原料浆的打浆曲线 f i g 2r e f u t i n go ft h ep u l p s 2 312 打浆对纤维微观结构的影响 图3 、图4 和图5 分别为麦草浆与两种p r ca p m p 的在不同打浆度下的扫描电镜图， 由图中可知，未打浆之前，麦草、h b 及m b 纤维的表面都比较光滑，经过一定的打浆过 程，麦草浆在4 9o s r 时，纤维表面开始出现轻微的起毛，打浆度升至6 2 6o s r 时，有部 分纤维开始剥落，相比之下，h b 浆在4 9 0 s r 时可观察到明显的分丝帚化，m b 浆的细胞 壁在类似打浆度下也出现纵裂分丝现象，主要是因为麦草浆的初生壁很容易破碎脱落，而 且麦草半纤维素含量高，纤维容易吸水润涨，使得打浆初期打浆度飞快上井，但是继续磨 浆纤维形态变化不大，那是由于草类原料的胞腔小，s l 层较厚，s 1 层与s 2 层之间粘结紧 密，s 。层的细纤维呈交叉螺旋形沿纤维的横向排列，像一个套筒把s 2 层紧紧地包扎住， 限制了s 2 层的润胀，打浆时s l 层不易破除，使得草浆纵向分丝帚化困难，而且草类原料 的细胞壁是多层结构的微纤维薄层，各层微纤维的排列方向往往不一样，而且微纤维的缠 绕角过大，约4 5 0 ，同样限制了纤维的润涨水化【5 5 1 ，相比之下，p r ca p m p 的s 1 层相对 较易脱除，且微纤维的缠绕角也相对较小，因而p r ca p m p 虽然打浆能耗相对较高，但 分丝帚化相对比较容易【5 6 1 。 2 39 0 s r 3 0 4 5 。s r 8 0 0 图5m b 浆的扫描电镀图 f i g5 s e m i m a g eo f m bp u l p 2 3 2h b 系列共磨浆 高松厚度p r ca p m p 与麦草浆以一定比例混合，改变转数，控制打浆度在2 0 6 5 0 s r 左右，不同配比h b 共磨浆的物理和光学特性如表5 。 表5 不同配比l i b 共磨浆的物理和光学特性 t a b l e