（制浆造纸工程专业论文）配用杨木bctmp和杨木apmp对纸张性能的影响.pdf

山东轻工业学院硕士学位论文 摘要 高得率法制浆的技术进步使高得率浆质量得到了显著改进，日趋拓展着在浆 纸产品中应用。高得率法制浆的原料利用率高、对环境影响小，生产成本低，所 得纸浆的纤维具有特有的性能，能够赋予纸张以高的松厚度和挺度、高的不透明 度、良好的油墨吸收性能等。高得率纸浆的性能也有着相应的不足，例如成纸的 强度性能和表面平滑度不如化学法纸浆。因此，如何充分利用高得率浆的良好特 性，满足纸张生产的需要，提高纸张的品质，同时降低其对纸张质量带来的负面 影响，是造纸科学工作者关注的研究课题。 本文以两种典型的高得率浆一杨木化学热磨机械浆( b c t m p ) 和杨木碱性过 氧化氢机械浆( a p m p ) 为研究对象，以不同比例与常用其它浆种配合抄制纸页， 研究对纸页松厚度、表面平滑度和主要物理性能的影响。包括：研究了在废新闻 纸脱墨浆和漂白麦草浆中分别配用杨木b c t m p 或杨木a p m p 对于纸页松厚度和 其它物理性能的影响；研究了在杨木硫酸盐浆中配用杨木a p m p 对纸页松厚度和 其它物理性能的影响；在此基础上以杨木a p m p 替代部分漂白阔叶木硫酸盐浆 ( h b k p ) 在实验室条件下配抄了低定量涂布原纸；并探讨了磨浆方式对高得率浆 纤维性能的影响。 为了从纤维特性和纤维形态方面阐述配用高得率浆后对纸页主要物理性能的 影响，采用b a u e r - m c n e t t 纤维筛分仪结合纤维质量分析仪( f q a ) 研究了不同纸 浆的纤维柔顺性。与废新闻纸脱墨浆和麦草化学浆相比，杨木b c t m p 和杨木 a p m p 具有较大的纤维柔顺性系数，表现为纤维更为挺硬，因此随着杨木b c t m p 配用比例的增加，纸页的松厚度和透气度显著增加。在废新闻纸脱墨浆中配加 b c t m p 或a p m p 后，纸页匀度得到改善，不透明度则略有降低。在麦草化学浆中 配加b c t m p 或a p m p 后，纸页不透明度得到了改善，但对纸页的匀度有所影响。 配加杨木b c t m p 或杨木a p m p 后，在一定程度上会影响纸页的抗张强度和表面 平滑度，影响程度取决于配用b c t m p 或a p m p 的比例。 在阔叶木硫酸盐浆h w k p 中配加杨木a p m p 的研究中发现，杨木a p m p 配用 比例为5 0 时，纸张松厚度和不透明度可以分别增加3 9 和9 。与此同时，纸张 表面平滑度和强度性能则有所降低。杨木a p m p 具有的较高含量的细小纤维，可 以在一定程度上减轻对纸页表面平滑度和强度性能的负面影响。 与阔叶木漂白硫酸盐浆纤维相比，杨木a p m p 的纤维较为粗硬，但两者的纤 维平均长度相近，以a p m p 替代部分h w k p 可以显著增加纸页的松厚度，同时 也略微增加了纸页的表面粗糙度。配抄低定量涂布纸原纸时，抗张指数在a p m p 摘要 配用量为3 0 时达到最大，之后开始下降。耐折度和撕裂指数在3 0 a p m p 之前 没有显著变化，超过3 0 开始下降。增加a p m p 配用量，耐破指数没有显著变化。 综合分析配用a p m p 对纸页主要性能的影响，以3 0 a p m p 用量为佳。 采用p f i 磨浆机对高得率浆在不同浓度和比压条件下进行磨浆，研究了纤维 形态的变化及其对纸页物理性能和光学性能的影响。由纸浆纤维的s e m 观察可 知：在1 0 浆浓条件下磨浆，长纤维组分和中等纤维组分的分丝帚化和细纤维化效 果明显，细小纤维组分以丝状形态为主；在3 0 浆浓条件下磨浆，增加磨浆间隙并 减小磨浆比压，可以更多的剥离纸浆纤维的外层结构，分丝帚化和细纤维化效果 则不明显，细小纤维组分中更多的成分以片状形态为主。 关键词：杨木高得率浆( b c t m p 和a p m p ) ；化学浆；废新闻纸脱墨浆；配抄；纤 维柔顺性；纸页松厚度：纸页表面平滑度：不透明度 山东轻工业学院硕士学位论文 a b s t r a c t h i g h y i e l dp u l p i n gi sb e i n gr a p i d l yd e v e l o p e di ni t st e c h n o l o g i e s a n de x t e n d i n g m o r ea n dm o r ei t sa p p l i c a t i o nt op a p e r m a k i n gi n d u s t r y h i g h - y i e l dp u l p ( h y p ) d e m o n s t r a t e ss o m es u p e r i o rc h a r a c t e r i s t i c sf o rm a n u f a c t u r i n gp a p e r s ，s u c ha sh i g h e r p a p e rb u l kp r o p e r t y , h i g h e rs t i f f n e s s ，h i g h e ro p a c i t ya n db e t t e ri n k - a b s o r p t i o na b i l i t y , m e a n w h i l e w i t hl o w e rp r o d u c t i o nc o s t s i ts h o u l db en o t i c e dt h a th y ph a ss o m e i n t r i n s i cd i s a d v a n t a g e ，f o re x a m p l e ，w i t hl o w e rs t r e n g t hp r o p e r t i e sa n dr o u g h e rp a p e r s u r f a c es m o o t h n e s s t h e r e f o r e ，h o wt of u l l ye x t e n da d v a n t a g e so fh y pf i b e r st o i m p r o v ep a p e rp r o p e r t i e sa n dm i n i m i z ei t sn e g a t i v ee f f e c to np a p e rs u r f a c es m o o t h n e s s s h o u l db ep a i da t t e n t i o nf o rt h ep a p e rs c i e n t i s t e f f e c to fa d d i t i o no ft w ot y p i c a la s p e nh y p s b l e a c h e dc h e m i t h e r m a lm e c h a n i c a l p u l p ( b c t m p ) a n da l k a l i n ep e r o x i d em e c h n i c a lp u l p ( a p m p ) t ot h ed e i n k e dp u l p ( d i p ) ，w h e a ts t r a wp u l p ( w s p ) a n db l e a c h e dh a r d w o o dk r a f tp u l p ( b k p ) o nt h ep a p e r b u l ka n do t h e rp r o p e r t i e so fp a p e r sw e r es t u d i e di nt h i st h e s i s f i r s t l y ，e f f e c to f b l e n d i n ga s p e nb c t m po ra p m pw i t hw s pa n dd i p ，r e s p e c t i v e l y ，o np a p e rb u l ka n d s o m em a j o rp r o p e r t i e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h e nt h ee f f e c to fa d d i t i o no fa s p e na p m p t oa s p e nk r a f tp u l po np a p e rb u l ka n do t h e rp r o p e r t i e sw e r ed i s c u s s e d p r i l i m i n a r y s t u d yo fa p p l y i n ga s p e na p m p t ow o o d f r e el i g h tw e i g h tc o a t e db a s ep a p e r ( l w c ) w a s a l s oe x a m i n e d f u r t h e m o r e ，f i b e rm o r p h o l o g yo fr e f i n i n gh y pu n d e rd i f f e r e n tp f i c o n d i t i o n sw a si n v e s t i g a t e d a s p e nb c t m p o ra p m pw a sa d d e dt od i pa n dw s p , r e s p e c t i v e l y , a n di n f l u e n c e s o np a p e rp r o p e r t i e sw e r es t u d i e d t of u r t h e ru n d e r s t a n dt h ec o n t r i b u t i o no fd i f f e r e n t p u l pf i b e r st ot h ep a p e rb u l k ，f i b e rf l e x i b i l i t yw a sm e a s u r e db yu s i n gc o m b i n a t i o no fa b a u e r - m c n e t tc l a s s i f i e ra n daf i b e rq u a l i t ya n a l y z e r c o m p a r i n gw i t hd i pa n dw s p f i b e r s ，a s p e nb c t m pa n da p m p h a sag r e a t e rc o e f f i c i e n to ff i b e rf l e x i b i l i t y , i e t h e p u l p sw i t hs t i f f e rf i b e r s b yb l e n d i n gb c t m p o ra p m pw i t hb o t hd i pa n dw s p , t h e p a p e rb u l ka n dp o r o s i t yc a nb es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d a d d i n gb c t m pi m p r o v e dt h e p a p e rf o r m a t i o n ( p p f ) b u td e c r e a s e dt h ep a p e ro p a c i t yf o rt h eb l e n do fd i p b c t m p a n dd i p a p m p , w h i l ei n c r e a s e dt h ep a p e ro p a c i t yf o rt h eb l e n d so fw s p b c t m pa n d w s p a p m r i n c r e a s i n gr a t i oo fb c t m po ra p m pd e t e r i o r a t e dt os o m ee x t e n tt h e p a p e rs u r f a c es m o o t h n e s sa n dt e n s i l es t r e n g t hf o rb o t hp u l pb l e n d s ，b u tt h en e g a t i v e e f f e c td e p e n d so nt h ea d d i t i o nl e v e lo fb c t m po ra p m e a b s t r a c t w h e na p p l y i n ga s p e na p m pt oa s p e nk r a f tp u l p ，t h ep a p e rb u l ka n dp a p e ro p a c i t y c a nb ei n c r e a s e db y3 9 a n d9 r e s p e c t i v e l ya tt h ea p m pr a t i oo f5 0 t h ep a p e r s m o o t h n e s sa n ds o m es t r e n g t hp r o p e r t i e sm a yd e c r e a s e s ，b u tt h en e g a t i v ee f f e c tc a l lb e c o m p e n s a t e dt oc e r t a i ne x t e n tb e c a u s eo ft h eh i g hf i n e sc o n t e n to fa s p e na p m p u n d e rl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s ，t os u b s t i t u t eh a r d w o o dk pw i t ha s p e na p m pa n d m a k eb a s ep a p e ro fl w ci m p r o v e dp a p e rb u l k ，b u ts l i g h t l yi n c r e a s e dp a p e rs u r f a c e r o u g h n e s s i tc a nb ee x p l a i n e db yt h ec o a r s e ra n ds t i f f e rf i b e r so fa p m p , a l t h o u g hi t s f i b e rl e n g t hi sa l m o s ts i m i l a rt oh a r d w o o dk pf i b e r s t e n s i l ei n d e xo ft h eb a s ep a p e r r e a c h e dt h eh i g h e s tv a l u ea st h es u b s t i t u t i o nr a t ea r o u n d3 0 t h e r ei sn os i g n i f i c a n t c h a n g ef o r t h ef o l d i n ga n dt e a ri n d e x sb e f o r et h es u b s t i t u t i o nr a t i oo f3 0 t h eb u r s t i n d e xc h a n g e dal i t t l ew i t hi n c r e a s i n gr a t i oo fa p m p i tm a y s u g g e s tt h a tb e t t e rp a p e r p r o p e r t i e sc a nb eo b t a i n e da ts u b s t i t u t i o n1 e v e la r o u n d3 0 p a p e rs u r f a c es m o o t h n e s s w i l lb en e g a t i v e l ya f f e c t e da ta h i g h e rl e v e lo fs u b s t i t u t i o n e f f e c to ff i b e rm o r p h o l o g yo np a p e rs t r e n g t ha n d o p t i c a lp r o p e r t i e s w e r e i n v e s t i g a t e db yr e f i n i n gh y pw i t hb o t ht h es t a n d a r dc o n d i t i o na n dr e f i n e dp u l pa ta h i g h e rc o n s i s t e n c ya n dal o w e rr e f i n i n gp r e s s u r e r e s u l t ss h o w e dt h a ts o m e d i f f e r e n c e se x s i t e di nf i b e rm o r p h o l o g i e s f i b r i l l a t i o nd e v e l o p e df o rt h el o n gf i b e ra n d m e d i u mf i b e rf r a c t i o n st r e a t e du n d e rt h es t a n d a r dp f ir e f i n i n gc o n d i t i o n ，m o r ef l a k e c o m p o n e n t sw e r eo b s e r v e di nt h ef i n e sf r a c t i o nf o rt h ep u l pr e f i n e da tah i g h e r c o n s i s t e n c ya n dal o w e rr e f i n i n gp r e s s u r e k e yw o r d s ：h i g hy i e l dp u l p s ( b c t m pa n da p m p ) ，d e i n k e dn e w s p a p e rp u l p ，s t r a w p u l p ，b l e a c h k e r a f i p u l p ，f i b e rf l e x i b i l i t y , p a p e rb u l k ，p a p e rs u r f a c e r o u g h n e s s ，p a p e ro p a c i t y 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文中 引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已 属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 论文作者签名：赵书卜 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工业 学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专 利等权利，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， 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名 单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名：壑鉴 导师签名： 日期：兰垒鲣年丘月l 日 日期：二! 芏年l 月! 日 山东轻工业学院硕士学位论文 第1 章绪论 传统概念上的化学机械法制浆，是采用碱性亚硫酸盐处理木片后，在一定的 温度和压力下通过机械作用磨解分离纤维，既可以生产本色浆，也可以经过漂白 处理，得到漂白化学机械浆。2 0 世纪8 0 年代后期，开发了采用碱性过氧化氢预 处理的a p m p ，9 0 年代之后又发展了p r c a p m p 。目前，这三种制浆方法都被用 来生产商品化学机械浆，得率一般在8 0 9 0 之间。通常，化学机械浆统称为高得 率浆( h i g hy i e l dp u l p h y p ) 【l 】。高得率浆的纸浆品质和生产成本介于化学浆和 机械浆之间 2 1 。依据制浆和漂白条件的不同，高得率浆的强度性能和光学性能可以 在较大的范围变化，以适应生产不同品种的纸张和纸板的具体要求，因而为原料 选用、降低生产成本和提高产品性能提供了更多的选择。 我国己成为世界上浆纸产品的主要生产国和消费国，2 0 0 7 年我国纸和纸板总 产量为7 3 5 0 万吨，仅次于美国，居世界第2 位。然而，我国制浆造纸工业的发 展一直面对着纤维原料短缺的问题，成为制约我国造纸工业发展的主要问题之一。 废纸和非木材纤维是两种重要的造纸纤维原料，被广泛地用以生产各种e p 届, j 用纸 和书写用纸。因此，提高废纸回收利用率和科学合理地利用非木材纤维，解决相 应的技术问题，是我国造纸工业可持续发展面临的迫切任务。此外，高得率法制 浆的生产成本低、对环境影响小，纸浆具有特殊的良好性能，如较高的松厚度、 不透明度和细小组分含量，日趋拓展着在各种纸和纸板生产中的应用1 3 训。为了获 得所需要的纸张的某些特性，采用纤维性质不同的纸浆配合使用，生产纸张或纸 板，是更为经济实用的利用不同性质的纸浆纤维的途径。 1 1 高得率浆的特性 1 1 1 高得率浆与化学浆特性的比较 高得率制浆过程包括化学处理和机械磨浆，由于纸浆中保留了大部分木素， 故得率较高( 8 0 9 0 ) 。化学法制浆则是在较高温度下用化学药品如n a o h 和n a 2 s 除去原料中的大部分木素，纸浆得率较低，通常只有4 0 5 0 。因此，高得率浆生 产过程中产生的污染负荷低，制浆废液相对易于处理【5 】。此外，化学浆的漂白以进 一步脱除木素为主，条件比较剧烈；高得率浆则采用缓和的过氧化氢漂白。由于 制浆工艺和漂白工艺的差异，高得率浆和化学法纸浆有着显著不同的特性。表1 1 列举了高得率浆与化学浆的主要差别。 h y p 的长纤维组分含量和结合性能不及化学法纸浆，含有更多的细小纤维【6 】， 纤维具有更好的挺度和尺寸稳定性。杨木h y p 与杨木硫酸盐浆相比，不但细小纤 第1 章绪论 维含量高，而且纤维表面剥离的碎片也较多。高得率浆纤维的尺寸分布和特性， 在很大程度上取决于其化学处理条件以及成浆的游离度。细小纤维含量高是h y p 的重要特征之一，其特性对于纸张结构和物理性能有着十分重要的影响。对于h y p 来说，其细小纤维组分与长纤维组分在性质上有着明显的差别。h y p 细小纤维的 比表面积达到7 8m 2 g ，而其纤维组分的平均比表面积仅为1m 2 g 左右1 7 j ，细小纤 维的润胀程度约为纤维组分的2 倍1 8 j 。 表1 1高得率浆与化学浆特性的比较 高得率浆和化学浆在纤维性质上的差异，对成纸性能有着显著的影响。h y p 抄造的纸张通常具有较高的松厚度、挺度、尺寸稳定性、不透明度以及印刷适应 性。造纸厂商可以利用高得率法纸浆纤维的这些特点，在生产纸张时通过调整纸 浆的配比来控制产品的性能，满足用户的特定要求。例如，可以通过配用h y p ， 2 山东轻工业学院硕士学位论文 在满足纸张松厚度和挺度要求的前提下，降低纸张的定量，或者在纸张定量不变 时获得更高的纸张挺度。高得率浆的使用，可能会影响到纸张的表面平滑度，这 取决于h y p 纤维的挺度、磨浆程度及在纸张中的配用量【9 】。当部分阔叶木硫酸盐 浆被高得率浆替代时，对于纸张的强度性能，h y p 和k p 之间存在着的协同效应 | o - 1 1 】。由于这种协同作用，虽然h y p 的强度不如阔叶木硫酸盐浆，但是增加h y p 的配用，并不一定会显著影响纸张的强度性能。在生产书写和打印用纸张中，使 用高得率浆( h y p ) 替代部分阔叶木漂白硫酸盐浆( h b k p ) ，可以显著地提高纸 张的松厚度i l 引，并且在一定的高得率浆配比范围内对纸张的平滑度和透气度无显 著的负面影响。 1 1 2 高得率浆与传统机械浆( g w 和t m p ) 的比较 高得率浆与传统的机械浆如g w 和t m p 有着共性，例如都涉及机械作用而成 浆，都有着较高的木素含量和光散射系数。然而，由于高得率法制浆有着化学预 处理，其纤维特性与机械浆之间也存在着显著的差别。机械浆的纤维分离点一般 在纤维细胞壁或细胞壁与胞问层之间，而化学机械浆则由于化学预处理对木素的 软化作用，纤维分离点在更多程度上发生在纤维的复合胞间层或初生壁1 7 】，制浆过 程中纤维受到的损伤较少，长纤维组分含量较高。通常，c t m p 纤维长度分布介 于硫酸盐浆和传统机械浆之间。 在机械法制浆过程中，t m p 和g w 纤维分离点位于细胞壁内，常常造成多根 纤维同时从木片上分离成为纤维束。一般来说，t m p 和g w 的制浆中为了降低纤 维束含量，将游离度控制地相对较低。由于高得率浆的纤维分离较多地发生在纤 维之间，成浆游离度可以比g w 和t m p 高得多，纤维束含量仍维持在较低的水平。 概括而言，与机械法制浆相比，c t m p 的化学预处理在三个方面改变了纤维尺寸 及其分布：长纤维组分的含量增加；细小组分含量的降低；纤维束含量 的降低。 这些特点对于利用阔叶木原料尤其有利，因为阔叶木的纤维较短，采用高得 率法制浆可以获得高游离度、低纤维束含量的纸浆，同时尽量保留木材纤维原有 的长度。c t m p 的化学预处理对纤维的表面性质也有明显的影响，增加了纤维的 柔顺性和结合力。在相同游离度下，t m p 的强度高于g w ，c t m p 的强度高于t m p 。 化学预处理的作用还可抑制高温磨浆过程中的木素中一些结构的发色反应，提高 磨后纸浆的白度及其可漂性。 1 2 杨木高得率浆 1 2 1 杨木的纤维特性与化学成分 杨树广泛地分布于欧亚大陆、北美及北非的许多国家和地区，是我国的乡土 第1 章绪论 树种和北方地区的主要树种。据不完全统计，我国杨树人工林的总面积约有2 4 5 万 多公顷。其生长迅速，材色较浅，密度和针叶材相似，孔隙多，对药液的吸收和 机械磨浆极为有利，被广泛地用作化学机械法制浆的原料。 杨木的平均纤维长度一般为1 0m m ，远短于针叶木的纤维长度( 3 5m m ) 。 与针叶木相比，杨木的薄壁细胞比例较大，约占木材体积的1 0 2 0 ( 针叶材约为 6 1 0 ) ，其中导管所占比例甚高。磨浆时在机械作用下，导管通常未被压溃，以 导管片段的形态留在纸浆中。 杨木的纤维素和半纤维素含量较高( 分别达到5 0 和2 0 ) ，木素含量相 对较低( 约为1 5 ) 。杨木的色泽较浅，用杨木生产的高得率浆具有较高的白度。 当用亚硫酸钠预处理生产杨木化学热磨机械浆( c t m p ) 时，未漂浆即可达到较高 的初始白度( 6 0 7 0 ，i s o ) 。生产漂白化学热磨机械浆，预处理使用的化学药品 是氢氧化钠和亚硫酸钠，生产碱性过氧化氢化学机械浆则使用氢氧化钠和过氧化 氢。亚硫酸钠或过氧化氢同时用以改善纸浆的白度，并且防止氢氧化钠与木素的 进一步反应而导致纸浆变黄。此外，杨木纤维在氢氧化钠的作用下，木片结构和 纤维能够明显润胀，使之易于在机械作用下解离，并明显地提高纤维的柔韧性。 杨木木片经碱性化学预处理能提高木素的磺化程度和羧酸盐的含量，促进后续磨 浆时纤维的分离。 1 2 2 杨木高得率浆的发展 从木材结构和纤维特性来看，阔叶材中的杨木适合于制造高得率浆。以杨木 为原料的高得率浆生产技术发展很快，2 0 世纪8 0 年代发展了杨木漂白化学法热 磨机械浆( b c t m p ) ，9 0 年代又_ 丌发了碱性过氧化氢机械械法( a p m p ) 制浆技 术。其中，以杨木为原料的b c t m p 制浆工艺取得很大的发展，占据了商品高得 率浆市场的主导份额i l 孓1 5 】。 1 2 2 1 杨木化学热磨机械浆 t m p 是用预热处理的方法软化木素，使原料的磨解过程变得容易，长纤维组 分含量增多，但纸浆冷却后附着在纤维表面的木素会重新固结，致使纤维变得挺 硬。采用阔叶木为原料，以6 1 0 的n a 2 s 0 3 或n a h s 0 3 进行预处理，可以使 热磨后的纸浆白度得到显著改善【1 6 】。化学机械浆( c m p ) 和化学热磨机械浆 ( c t m p ) 用化学药剂( n a o h 和n a 2 s 0 3 ) 进行温和的预处理，使纤维润胀和磺 酸化吸水变软，处理后纤维仍长时间地保持柔软状态，因此化学预处理是种持 久性的软化处理。c t m p 的良好性能被认为是这种软化作用的结果。 c t m p 具有的优点包括：长纤维组分含量高，即使在高游离度下纤维碎片 含量也较低；筛选技术的发展特别是楔型细筛的应用，显著降低了成浆中的纤 维束含量1 1 7 】，而且纤维柔软，成纸强度明显增加；在较大游离度范围都有较高 4 山东轻工业学院硕：王二学位论文 的撕裂度【1 8 】；树脂含量低；漂白后可达到较高的白度( b c t m p ) ；不 仅适用于针叶材，更适用于阔叶材特别杨木等材种。 1 2 2 2 杨木碱性过氧化氢机械浆 1 9 8 6 年6 月在芬兰赫尔辛基举行的国际制浆会议上，美国s p r o u t b a u e r 公 司推出了a p m p 。2 0 世纪9 0 年代加拿大s c o t t 纸业集团开发了碱性过氧化氢机 械浆( a p p ) 并申请了专利。该法使用n a o h 和h 2 0 2 进行化学预处理，然后采 用两段常压磨浆，段间设有洗涤，磨浆后再用n a o h 和h 2 0 2 进行两段漂白，纸 浆白度可达8 6 1 憎j 。 作为在c t m p 基础上发展起来的新制浆工艺，a p m p 和c t m p 生产方法的不 同在于：用n a o h 和h 2 0 2 替代n a o h 和n a 2 s 0 3 进行化学预处理；纸 浆在磨浆的同时，也是碱性条件下的过氧化氢漂白过程，不需要另设漂白工段； 为了防止高温条件下的过氧化氢分解，采用了两段常压磨浆，不需要设置热回 收系统。因此与c t m p 工艺流程相比，a p m p 的工艺流程相对比较简单，生产 操作比较容易，建设占地面积小，设备投资费用低。 1 3 纤维的基本性质对纸张性能的影晌 纤维特性对纸张的影响主要表现在两方面：一是在造纸过程中影响纸页的成 形，二是决定纸张的强度性能和光学性能。机械浆、化学浆以及化学机械浆的纤 维性质存在着差别，对于纸张性能的影响也各自不同。纸张结构与物理性能取决 于所用原料的纤维形态与纸浆特性，以及纸浆纤维在湿状态的抄造性能。此外， 成纸的物理性能也与抄纸过程中的条件例如干燥时的压力等密切相关1 2 训。 纤维的特性包括纤维的形态、纤维长度以及制浆过程中赋予纤维的特性，例 如纤维之间的结合能力等1 2 u 。对于造纸来说，纤维长度、粗度和纤维自身强度是 影响到纸张性能的重要因素。前两者反映了纤维形态的基本特征，影响着纸张的 物理性能例如纸页的吸收性和孔隙度，影响着纸张的印刷性能【2 2 1 。而纤维自身的 强度即纤维内在强度，则在更大程度上影响着纸页的强度性能。 1 3 1 纤维长度对纸张性能的影响 纤维长度是纤维的最重要的基本性质之一，直接影响着纸张的性能，涉及几 乎所有的强度性能以及纸页的成形1 2 3 1 。在彼此交织构成纸页时，较长的纤维相邻 之间可以形成更多的结合点，使得湿纸页的强度随纤维长度的增加而增加。较长 的纤维能提供更大的结合面积与更好的作用应力分布，从而获得更好的成纸强度。 因此，抗张强度、撕裂度、耐破度也随纤维长度提高而改善【2 4 1 。降低纤维长度可 以增加纤维的光散射能力，同时改善纸页的表面平滑度，这是因为较短的纤维降 低了纸页成形时的纤维絮聚，改进了纤维的结合状况，有利于表面平滑度的改善 5 第1 章绪论 1 2 s 】。d s e t h 研究未漂硫酸盐浆的磨浆试验表明，随着纤维长度的降低，纸页的匀 度可以得到改剖2 6 】。 1 3 2 纤维粗度对纸张性能的影响 纤维粗度是指单位长度的纤维质量，以m g m 表示。造纸用纤维的粗度较大 者可以达到0 3 0m g m ，而细小纤维则小于0 1 0m g m 2 。7 1 。粗度对纸张的强度性能、 空气和液体渗透性以及纸页的表面平滑度均有重要的影响。纤维粗度和纸浆中的 细小组分对于纸页的平滑度以及纤维之间的结合状况有着明显的影响。较低的纤 维粗度和较高的细小组分含量，可以赋予成纸较好的光学性能、抗张强度和纸张 挺度。 1 3 3 纤维强度对纸张性能的影响 纤维之间的结合状况除了影响纸页的强度之外，纤维自身强度也在很大程度 上影响着纸页的强度。对与结合状况较差的纸页，纤维自身强度的影响较小，因 为纸页的破坏主要出现在纤维结合的薄弱部位，并不是纤维自身的断裂；对于纤 维之间结合良好的纸页，纤维的自身强度则影响着纸张的许多强度性能，会导致 抗张强度、耐破度、耐折度和撕裂度的明显下降，尤其是耐折度下降地更多。通 常，纸张中的纤维结合状况良好，因而纤维自身强度浆直接影响着纸张的强度， 因此在制浆漂白的工艺过程中，应将纤维强度的损失降低到最小限度。 1 3 4 纤维壁厚度对纸张性能的影响 不同材种的纤维细胞壁厚度有所不同，一般来说，细胞壁较厚的纤维在磨浆 时能够经受压溃的作用。受到磨浆的作用，纤维的分丝帚化和细纤维化使得纤维 壁厚度降低，纤维粗度减小，而粗度较小的纤维宜于生产强度、挺度、平滑度以 及不透明度较高的纸种【2 9 , 3 0 】。 1 3 5 细小组分对纸张性能的影响 通过纸浆的筛分，可以将纸浆分为不同的筛分级分，包括不同的纤维组分 ( f i b r e sf r a c t i o n s ) 和细小组分( f i n e sf r a c t i o n ) 。纸浆中通过直径为7 5l a m 的圆孔 或纤维筛分仪2 0 0 目筛的成分被定义为细小组分【3 。细而分之，机械浆与化学机械 浆通过2 0 0 目的细小组分可以分为细小纤维、杂细胞、纤维碎片等。有的情况下， 也将通过1 0 0 目的组分称为细小组分。化学木浆通过2 0 0 目的组分主要是细小纤维、 少量杂细胞和纤维碎屑等【3 2 , 3 3 】。关于细小组分有很多研究：施英乔研究了高得率 浆的细小组分【3 4 】；文飙利用动态滤水性测定仪( d d j ) 分离纸浆的细小纤维并将 之定量f 3 5 】；b j 仑mk r o g e m s 等【3 6 】采用湿筛分法获取细小纤维组分并用于图像分析。 纸浆的细小组分的比表面积大，使得其表面电荷明显高于长纤维组分和未分级的 浆料。相对于长纤维组分来说，细小纤维的比表面积和电荷特性使其对化学品的 6 山东轻- t 业学院硕上学位论文 吸附性能更强【j7 。 1 3 5 1纸浆细小组分对纸张结构的影晌 纸浆中的细小纤维具有增加纸张结构中长纤维之间结合的能力，使得纸页的 厚度趋于减小。相应地，如果纸张定量保持恒定而细小组分含量不同，就会看到 较高细小组分含量的纸张定量与长纤维抄造的纸张相当时，其厚度较低。s i r v i o 等 【3 8 】研究发现，在机械浆长纤维级分中加入即使少量的细小组分，所得纸张厚度也 会比期望值低( 纸张厚度期望值是根据纸张中纤维的质量比例和长纤维级分制备 的纸张紧度计算得来) ，硫酸盐浆细小组分中的细小纤维含量最高，这种效应最 大。纸张中纤维的结合状况影响着其空隙度，也影响着纸张的透气度，因此纸浆 的细小组分含量将会影响着成纸的透气性能。在t m p 浆中加入少量的硫酸盐浆 细小组分，可以明显降低纸张的透气度。研究还发现，纸页中数量适中的可以填 充长纤维之间空隙的细小组分，能够改善纸页的匀度和纸张的表面平滑度。 t e a c h m a n 等1 3 9 j 研究了回用t m p 浆对纸张表面性能的影响，发现纸张表面平滑度 和接触角随着t m p 纤维回用次数的增多而降低，并证实其与细小组分的流失相关。 1 3 5 2 纸浆细小组分对纸张物理强度的影响 纸浆细小组分含量、来源、形态等的不同，对所抄造纸张的物理强度影响也 不同。纸浆中的细小组分含量，对纸张强度有着影响。r e t h 的研究表明，在未磨 浆的原浆中加入8 2 的细小组分时，弹性模量增加了4 8 ，耐折度增加了近3 5 倍。造成这种结果的主要原因是细小组分的加入增加了纸张结构中纤维之间的相 互结合。m o s s 等【4 0 】的研究表明，表面张力和湿压榨不能使t m p 的长纤维组分抄 造的纸张增加结合能力。细小组分的加入可以使长纤维组分之问产生更多的结合 部位。 不同制浆方法和不同原料获得的细小组分，对纸张强度的影响各不相同。在 纸浆长纤维组分中加入化学浆细小组分或者机械浆细小组分后，抄造纸张的抗张 强度可以获得明显增加。对于某些浆料，如果细小组分含量高，会对纸张的强度 性能产生不利影响。例如，麦草化学浆中的细小组分( p 1 0 0 目) 主要是杂细胞， 约占细小组分含量的1 2 ，在形成纸页结构时，这些杂细胞虽然分布于纤维组分之 间，但因它的形态特点，起不到增加纤维之间结合的作用，而且其本身缺乏结合 能力，因此导致纸张的强度较低1 4 。纸浆细小组分的留着对于纤维之间结合性能 的改善虽有一定作用，但根据许桂红1 4 2 j 的研究，这种改善作用与阳离子干强剂相 比，仍处于次要地位。 1 3 5 3 纸浆细小组分对纸张光学性能的影响 纸浆细小组分对纸张光学性能的影响，也因细小组分的构成不同而异。纸浆 7 第1 章绪论 细小组分的组成、吸附性能以及留着状况，会对纸张的白度和色度造成影响。朱 勇强1 4 3 1 的研究表明，脱墨浆中的细小组分木素含量高、过渡金属离子含量高而且 油墨微粒的存在，致使脱墨浆漂白困难，难以达到高白度。纸浆细小组分的吸附 能力对染料的吸附和留着也会造成影响，影响纸张的明度指数( l 幸) 和色度指数 ( a 幸和b 幸) 。 1 4 纸浆纤维柔顺性的测定及表征 纤维柔顺性是指纤维在挠曲力作用下的产生变形和卷曲情况，是纤维的一项 重要基本性质1 4 4 1 。它决定于纤维原料种类，更决定于制浆工艺、磨浆和漂白处理 条件。纤维的柔顺性直接影响着纸张抄造过程中的诸多环节，包括筛选效率、纸 浆滤水状况、细小成分留着以及纸页成形性能，也影响着纸浆纤维的性质检测。 对于纸页结构来说，纤维柔顺性影响着纤维之间的结合状况，进而关系着成纸的 强度性能、光学性能和表面性能【4 5 1 。 1 4 1 纸浆纤维柔顺性的测量方法 s t e a d m a n 掣4 6 】通过纤维悬挂于格栅的表现研究纤维的柔顺状况，纤维愈柔顺， 则愈贴近格栅。纤维挺度和柔顺性可以通过测量跨距的长度进行评价，基本操作 为：在一张标准抄纸网上形成纤维薄层，用直径2 5 9 m 的不锈钢丝支撑纤维薄层， 置于玻璃平面，测量钢丝圆心与纤维接触平面之处的距离作为跨距长度。纤维柔 顺性愈大，纤维与玻璃平面接触的跨距愈短。这种方法的缺陷是没有考虑纤维粗 度，此外纤维相互交织也会对测定产生影响。 1 表述纤维柔顺性的测量公式：f = l e l 式中：f 指纤维柔顺性 e 指待测物体的材料弹性模量 i 指物体弯曲平面的惯性矩 y a n 等f 4 7 1 基于s t e a d m a n 和l u n e r 提出的测量原理，采用共焦激光扫描显微镜 ( c l s m ) 发展了上述方法。利用c l s m 的样品光学切面特性和图像处理技术， 可以测定单根纤维横跨钢丝与平面接触的跨距长度，并从纤维横截面得到纤维的 压扁变形和弯曲平面的惯性矩。这一改进使得测定考虑了更多的影响因素，并有 可能测量单根纤维的弹性模量。测量数据表明，纤维的压扁变形与弹性模量的大 小影响着纤维的柔顺性。纤维的压扁变形主要决定于纤维细胞壁的厚度。纤维的 弹性模量可以通过磨浆和漂白处理得以改变，提高了纤维柔顺性。这一方法需要 测定一定数量的纤维以得到平均数值。 11 ，j 测量公式为：f = 二= ! ； e 1 q 艺 8 山东轻工业学院硕士学位论文 式中：e 和1 分别为待测物体的材料弹性模量和物体弯曲平面的惯性矩，d 为 偏斜高度，l 为跨距长度，q 为作用在纤维上的力( n m ) s h a l l h o m 等【4 8 】的方法将纤维柔软性表征为柔软性指数，并制作了测定装置， 在恒定力作用下使纤维悬浮液通过预先标定的筛网，认为纤维柔顺性愈大，愈容 易通过筛网。通过测量留着在筛网上的纤维比率，计算为纤维柔顺性指数c p c f 来表征纤维的柔顺性，其中c p 和c f 分别为通过筛网的纤维浓度和总的纤维浓度。 k u h n 等【4 9 】亦研究发展了测量纤维柔顺性的方法，利用纤维悬浮液从毛细管 转至主浆流时在流体力作用下的挠曲变化来反映纤维柔顺性。当纤维从毛细管流 进浆流管时，在主浆流的作用下纤维产生挠曲( 纤维一端仍在毛细管内，另一端 悬于主浆流中) 。当完全进入主浆流时，纤维恢复平衡状态。研究者用高速c c d 摄像装置记录了纤维悬臂挠曲的瞬间状态，以此反映纸浆纤维的挺度。 t a md o o 等【5 0 】发展了测量单根纤维柔顺性的方法：将单根纤维置于刻有凹痕的毛 细管顶端，在水流作用下纤维会发生弯曲变形，测定变形程度可以反映纤维的柔 顺性，并在显微镜下用测微计测量了单根纤维的柔顺性。 关于纤维柔顺性的理论研究仍在深入地进行，例如，c l a u d i o d a s i l v a t 5 1 】提出： 化学法纸浆纤维的柔顺性