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防油纸生产中能耗与成纸阻隔性能的关系the relationship between energy requirement and barrier properties in theproduction of greaseproof paper刘俊（liu jun）编译摘 要：分别以100%亚硫酸盐浆、亚硫酸盐浆和硫酸盐浆配比为5050的混合浆（以下简称混合浆）为原料生产防油纸，采用能耗最低的生产工艺（打浆干燥），研究了 防油纸生产中的打浆能耗，并检测成纸透气度、水蒸气传递速率、抗油性、撕裂度和抗张强度。结果表明，用低打浆度100%亚硫酸盐浆生产的防油纸与用高打浆度100%亚硫 酸盐浆生产的防油纸的水蒸气传递速率和抗油性几乎相同；用混合浆生产的防油纸的阻隔性能较差。生产的所有防油纸的强度性能均符合标准防油纸的技术规范。打浆操作可 以提高防油纸的阻隔性能，但需要额外增加能耗。通过压光或表面涂布可以在较低的能 耗下生产出具有相同或更好阻隔性能的防油纸。同时也发现，浆料组成、打浆、压光处 理会影响防油纸的透气度。浆料组成和打浆处理同时影响防油纸的孔隙率和孔隙尺寸， 而压光处理主要影响防油纸的孔隙率。过去，防油纸通常被用作黄油或者其他油脂食物的包装用纸，现在防油纸也被用作烘烤用纸、纸 杯纸、宠物食品包装袋、平底锅衬里、分层专用 的防黏纸、印刷用纸和纺织品芯层用纸。所有这 些用途均要求防油纸要有良好的阻隔性能。工厂 通常采用经过高强度打浆处理的浆料生产孔隙结构 极微细的防油纸。为了进一步提高防油纸的阻隔性 能，通常对防油纸进行薄膜涂布，如用羧甲基纤维 素（cmc）、淀粉和聚乙烯醇（pvoh）及含氟化 合物或者藻酸钠进行施胶压榨。过去的一些研究是 通过压光而不是打浆使防油纸达到所要求的阻隔性 能。现在，压光处理应用在防黏纸生产中。对于这 类纸种，平滑度也是一个很重要的性能指标。因 此，为了同时满足对硅保留量和平滑度的要求，在防油纸生产过程中引入了压光工艺。打浆是一种能耗很高的生产工艺，打浆可以提 高浆料保水值，因此增加了压榨后湿纸幅中的水 分含量。压榨后湿纸幅中的水分含量与干燥部的 能耗成正比。因此，打浆操作同时也增加了干燥 部的能耗。如果纸机车速受到干燥部干燥能力的 限制，则打浆处理同时也将降低纸机的产量。一 般情况下，既可以用亚硫酸盐浆也可以用硫酸盐 浆生产防油纸。在相同条件下对这2种浆料进行打 浆处理，浆料的打浆度不同，且亚硫酸盐浆打浆 能耗最低。打浆后，2种浆料的另一个不同之处是 亚硫酸盐浆纤维的润胀程度较高。纤维的润胀程 度高能导致浆料保水值较高，纸张在干燥时需要 较高能耗。但是纤维较高的润胀程度可提高亚硫17world pulp and paper vol. 31, no. 3研究开发research & development酸盐浆纤维在抄纸时的适应性能，因而成纸紧度较大。较高的能耗导致防油纸生产成本增加。目 前，对能耗影响因素的研究甚少，对生产防油纸 适用浆料的选择也尚不清楚。进一步了解这方面 的知识，不仅有益于生产中对能耗和成本进行优 化，而且可以提出最经济的生产方式使防油纸阻 隔性能达到指定的规范。为了研究防油纸生产工艺与能耗之间的关系， 本研究在瑞典nordic s ffle ab浆纸厂3#纸机上进行 了工业化试验。在该纸机上分别使用100%亚硫酸 盐浆、亚硫酸盐浆和硫酸盐浆配比为5 0 5 0 的混 合浆（以下简称混合浆）生产防油纸。2种浆料都 通过打浆至不同的打浆度，然后对成纸进行压光 处理。此试验的目的是为了探究更多关于浆料组 成、打浆和压光处理对打浆能耗、干燥能耗以及 对防油纸孔隙结构和阻隔性能的影响。研究结果 表明，在指定的水蒸气传递速率和抗油性下，使 用100%亚硫酸盐浆生产防油纸的能耗较低且成纸 紧度更大。测定了防油纸的厚度（iso 534：1988）、透气度（scan-p 26：78）、水蒸气传递速率（scan-p22：68）和抗油性（tappi t-454）。测量纸张水蒸 气传递速率时，温度为23，相对湿度为50%。同 时测量了纸张的撕裂度（iso 1974：1990）和抗张 强度（iso 1924-2：1994）。2结果与讨论2.1浆料打浆度浆料打浆度和成纸透气度的关系见表1。浆料打 浆度与打浆能耗、干燥能耗和总能耗的关系见表2。表1浆料打浆度与成纸透气度的关系初始打浆度/sr打浆度/sr透气度/nm (pa s)-1浆料100%亚硫酸盐浆100%亚硫酸盐浆 混合浆混合浆14141414526763823.11.549.31.2表2浆料打浆度与打浆能耗、干燥能耗和总能耗的关系 能耗/kwh t -11打浆度/sr试验浆料打浆干燥总计100%亚硫酸盐浆100%亚硫酸盐浆 混合浆混合浆5267638220825233843319912440193321362199269222712569在瑞典nordic s ffle ab浆纸厂3#纸机上进行了工业化试验，生产4种防油纸。采用的浆料有现场 制备的漂白亚硫酸盐浆和瑞典瓦尔维克rottneros ab浆纸厂通过robur闪急干燥的tcf硫酸盐浆，均 为针叶木浆，浆料打浆度不同。试验前，浆纸厂通 常对3#纸机生产的纸张进行cmc涂布，并进行施胶 压榨和压光处理。在试验过程中，用水代替施胶液 进行施胶压榨，对成纸未进行机内压光处理。抄纸 目标定量为45 g/m2，纸机车速为190 m/min，每种 纸生产了约10000 m。测量了浆料打浆度（sr）， 并记录打浆能耗和干燥部烘缸的蒸汽压力。对试验生产的纸张采用芬兰土耳库gradek oy厂 生产的递纸式实验室软压光机进行机外压光处理。 压光处理在室温下进行，并使用2 种线压力（1 0 0 kn/m和200 kn/m）。纸幅宽度30 cm，压光速度34 m/min。众所周知，与硫酸盐浆相比，亚硫酸盐浆比较容易打浆，打浆到指定打浆度时的能耗很低。由 表2可知，至一定的打浆度时，混合浆打浆能耗比100%亚硫酸盐浆打浆能耗高50%以上。在防油纸的生产过程中，打浆不是为了控制浆 料打浆度，而是使成纸的透气度达到一定水平，进 而控制防油纸的阻隔性能。因此，用以评价不同浆 料打浆过程中能耗的一个相关基本原则即可理解为 目标透气度。成纸透气度与打浆能耗的关系如图1所示。从图1可知，100%亚硫酸盐浆和混合浆的 成纸透气度有部分相同，因而可以直接比较这2种 浆料的打浆能耗。在成纸透气度约为1 nm（/ pa s）18国际造纸 2012年 第31卷 第3期research & development研究开发100100101000200250300350400450150017001900210023002500干燥能耗图1成纸透气度与打浆能耗的关系图2透气度与干燥能耗的关系100时，100%亚硫酸盐浆和混合浆的打浆能耗分别为250 kwh/t和430 kwh/t。2.2干燥通过控制干燥部烘缸的蒸汽压力，使成纸的目 标水分含量为6.5%。已知蒸汽压力后，可通过查阅 蒸汽压力与温度对应表估算出蒸汽冷凝温度，进而 借助于tappi干燥速率曲线可以估算出纸张干燥速 率。通过干燥速率、纸机车速、干燥部纸幅长度、 施胶压榨用水量以及成纸水分含量可以计算出纸张 在干燥部蒸发出的水量。最终计算纸张出压榨部和 干燥部的水分含量及能耗，认为这期间的能耗100% 为水分蒸发能耗。蒸汽压力、蒸汽冷凝温度、干燥 速率和出压榨部后湿纸幅的干度如表3所示。成纸 透气度与干燥能耗和总能耗的关系分别如图2和图3 所示。100200022002400总能耗26002800图3 透气度与总能耗的关系然能耗较低，但其成纸透气度与用高打浆度100%亚硫酸盐浆和高打浆度混合浆抄造的纸张透气度几乎 一样。这表明，在较低的透气度范围内，增加打浆 处理对降低成纸透气度所起的作用不大。防油纸的透气度通常受浆料打浆度和成纸表面 涂布（如添加淀粉或cmc）的影响。工厂经验表 明，cmc用量为2.7 kg/t（绝干质量）时，可使成纸 透气度降低3倍。涂布前后成纸透气度的巨大差异 达到了高/低打浆度100%亚硫酸盐浆在成纸透气度 方面的差异级别。对用低打浆度100%亚硫酸盐浆抄 造的防油纸进行涂布后，其成纸透气度应与用高打 浆度100%亚硫酸盐浆抄造的防油纸的透气度相同， 甚至更低。为了比较在一定的透气度条件下，打浆和涂布 哪个工艺更节能，需要对表面涂布工艺的能耗进行 估算。假定这部分能耗仅与水的蒸发有关。在纸张 表面涂布过程中，cmc以质量分数为1%的水溶液 形式施涂到纸张表面。在此施胶液浓度和涂布量为0.12 g/m2条件下，需要166 kwh/t的能耗去干燥涂 布后的湿纸幅。该能耗仅为浆料高打浆度时能耗19表3蒸汽压力、蒸汽冷凝温度、干燥速率和压榨后湿纸幅干度平均蒸汽压力/kpa蒸汽冷凝温度/压榨后湿纸幅干度/%干燥速率浆料-2 -1/kg mh100%亚硫酸盐浆100%亚硫酸盐浆 混合浆混合浆239594310511910210910.312.89.911.024.621.225.524.2从图2可以看出，用高打浆度100%亚硫酸盐浆抄造的防油纸比使用混合浆抄造的防油纸需要更多 的干燥能耗。每种浆料抄纸时干燥部所需的能耗均 随打浆度的增大而增加。由图3 可知，在一定透气度下，用低打浆度100%亚硫酸盐浆抄造防油纸所需的总能耗最低。虽world pulp and paper vol. 31, no. 3低打浆度 混合浆高打浆度 混合浆低打浆度混合浆 高打浆度混合浆低打浆度混合浆 高打浆度混合浆研究开发research & development100（492 kwh/t）的1/3。由此可以看出，表面涂布工艺更有利于降低能耗。2.3纸张性能通过纸张的厚度t、定量w和纤维素的密度r cell101.03（r cell=1550 kg/m ），按下式计算出纸张孔隙率e ：（1）0.1通过运用darcy法则可以建立起通过纸张的空气流量q与气压降dp之间的关系：0.400.420.440.460.480.50孔隙率（2）式中，k为渗透常数（m2），h 为空气的黏度（pa s），l为纸张厚度（m）。k可通过kozeny-carman 表达式估算得出：低打浆度混合浆,未压光低打浆度混合浆,压光线压100 kn/m低打浆度混合浆,压光线压200 kn/m 高打浆度混合浆,未压光 高打浆度混合浆,压光线压100 kn/m 高打浆度混合浆,压光线压200 kn/m图4 成纸透气度与孔隙率的关系（3）式中，e 为孔隙率，s为微粒单位体积的有效表面积，k 为kozeny常数（通常k =5）。 式（3）是通过自由堆积的微粒组成的基床层推导得出的。假设通过基床层的所有通道的尺寸均 相同，且其尺寸等于当量直径d，并定义d为：系如图5所示。通过图5不能直接观察出各个参数间的关系，但依然存在着成纸透气度和处理工艺间的 特定关系，即取决于浆料组成、打浆和压光处理。 水蒸气传递速率随成纸透气度的增大而增大。在一 定的透气度条件下，用高打浆度100%亚硫酸盐浆抄 造纸张的水蒸气传递速率最低。nilsson等人研究了成纸透气度对水蒸气传递速 率的影响，发现在与纸张一侧接触的气体相对湿度 为50%、另一侧为0的检测条件下，水蒸气传递速率 受气体扩散通过纸张微孔体系的影响。因为水蒸气 传递通过纸张是一个扩散过程，可以认为相对于微 孔尺寸的变化，孔隙率的变化对水蒸气传递速率的（4）将式（4）代入式（3），可得到如下表达式：（5）成纸透气度与孔隙率的关系如图4所示。虽然从图4看不出这些参数间有直接关系，但这其中存 在3 个明显取决于孔隙率变化的关系，即浆料组 成、打浆处理或压光处理。图4中这些关系的斜率 各不相同，这是因为渗透常数k 不仅受孔隙率影 响，而且也受孔隙直径d影响。如果用式（5）分析 和解释图4中的各种关系，可以得出在指定的纸张 孔隙率下，浆料组成、打浆和压光处理对成纸孔隙 结构的影响：用100%亚硫酸盐浆抄造的纸张的孔 隙直径d最小；用100%亚硫酸盐浆抄造纸张时， 打浆处理对成纸孔隙直径影响最大；压光处理对 成纸孔隙直径的影响很小。2.4 水蒸气传递速率水蒸气传递速率（wvtr）与成纸透气度的关3002502001501005000.1110100注 图例与图4相同，下同。图5 水蒸气传递速率与成纸透气度的关系20国际造纸 2012年 第31卷 第3期research & development研究开发影响更大。为了证实这个假设，将水蒸气传递速率对成纸孔隙率作图，结果见图6。图6中的数据点组 成2条直线，其中一条为100%亚硫酸盐浆，另一条 为混合浆，100%亚硫酸盐浆的数值较小。这表明， 在本研究条件下，水蒸气传递速率不仅像nilsson等 人报道的那样受气体扩散通过微孔体系的影响，而 且也受与浆料组成有关的其他因素影响。这一发现 与stolpe的研究结果一致，stolpe发现在纸张透气度 较低的条件下，水蒸气传递速率不仅受气体扩散影 响，还可能受其他因素的影响，如表面扩散。corte 曾报道，表面扩散是水蒸气通过致密纸张的驱动 力。到准确的数值。图7中其他数值均为实测值，且都在相近的范围内。尽管如此，压光处理的影响依 然可见，随压光线压的增大，成纸抗油性稍有提 高，v h -nissi等人也有类似的报道。2.6 强度性能撕裂度是防油纸，尤其是烘烤纸很重要的一个 性能。图8示出了防油纸撕裂度与透气度的关系。 图8中的数据根据配料组分分为2组。在一定的透气 度条件下，使用混合浆抄造的防油纸的撕裂度最 大。打浆降低了成纸的撕裂度。压光并未显著影响 成纸撕裂度。所有防油纸的撕裂度均符合防油纸标 准。3003002502502001502001001505010000.400.420.440.460.480.500.1110100孔隙率图6 水蒸气传递速率与成纸孔隙率的关系图8 成纸纵向撕裂度与透气度的关系2.5抗油性防油纸抗油性与透气度的关系如图7所示。从 图7看不出抗油性与成纸透气度之间的关系，但发 现了在不同水平上存在的3种关系，而这些关系取 决于浆料组成、打浆和压光处理。在指定的透气度 条件下，用高打浆度100%亚硫酸盐浆抄造的防油 纸的抗油性最强。用混合浆抄造的防油纸，在测定 其抗油性时，油快速地渗入纸张中，因此没有检测图9示出了成纸抗张强度和透气度的关系。图9中的数据显得较分散，很难观察出其中的规律。但 用混合浆抄造的防油纸，其抗张强度变化与预期的 一致：抗张强度随打浆度的提高而增大。在透气度 约为1 nm（/ pa s）时，用100%亚硫酸盐浆和混合浆 抄造的防油纸的抗张强度几乎相同。压光对抗张强 度的影响不明显。所有防油纸的抗张强度均符合防 油纸标准。2504.42004.21504.01003.8503.600.11101000.1110100图7 成纸抗油性与透气度的关系图9 成纸纵向抗张强度与透气度的关系21world pulp and paper vol. 31, no. 3抗油性/s撕裂度/mn研究开发research & development3.3在一定的透气度下，使用100%亚硫酸盐浆抄3结论造的防油纸，其水蒸气传递速率和抗油性比使用亚硫酸盐浆/硫酸盐浆混合浆（质量比50/50，简称混 合浆）抄造的防油纸好；而用混合浆抄造的防油纸 的撕裂度比使用100%亚硫酸盐浆的好。用这两种浆 料抄造的防油纸的抗张强度基本相同，且其他强度 性能均符合防油纸标准。3.4 压光对防油纸的水蒸气传递速率和抗油性有积 极作用，但不影响强度性能。3.5 在防油纸达到一定透气度时，分析并对比了打 浆及表面涂布两种工艺所需的能耗。结果表明，在 本研究中表面涂布更有利于降低能耗。从能耗的角 度来看，压光处理是另一种可用的替代方法，但前 提是要在机内进行压光。3.1 透气度常用于预测防油纸的阻隔性能。工厂通过控制浆料的打浆度来生产达到目标透气度的防油 纸。研究表明，成纸的水蒸气传递速率和抗油性与 透气度之间没有明显的关系，但是依然存在变量间 的相互依赖关系，如特定的处理工艺。尽管如此， 从工业化的角度考虑，在这些处理工艺中，仅有改 变浆料组成和打浆处理可用于控制防油纸的阻隔性 能，并通过透气度表征。3.2使用100%亚硫酸盐浆生产防油纸时，仅需要很低的打浆能耗就可以使成纸透气度达到一定的水平。浆料组成、打浆和压光处理分别以不同的方式 影响成纸透气度。浆料组成和打浆处理同时影响成 纸孔隙率和孔隙尺寸，而压