楊木、桉木混合木片 CT MP法制漿性能研究

田 超 薛崇昀 陳 彬

(中國(guó)制漿造紙研究院,北京,100020)

楊木、桉木混合木片 CT MP法制漿性能研究

田 超 薛崇昀 陳 彬

(中國(guó)制漿造紙研究院,北京,100020)

對(duì)楊木和桉木混合木片的 CT MP法制漿性能進(jìn)行了研究,重點(diǎn)考察了混合木片磨漿后兩種纖維各自的形態(tài)特點(diǎn),以及不同原料配比所導(dǎo)致的成漿性能變化。結(jié)果表明,混合磨漿后楊木纖維隨著成漿游離度的下降出現(xiàn)了更多的分絲帚化現(xiàn)象,而桉木纖維的細(xì)胞壁始終較為光滑;桉木在混合原料中所占比例的提高將使成漿白度和強(qiáng)度性能有所下降,但有利于保持成漿松厚度。

楊木;桉木;混合木片;CT MP;纖維形態(tài);成漿性能

自 20世紀(jì) 70年代世界上首條化機(jī)漿生產(chǎn)線投入工業(yè)化運(yùn)營(yíng)以來(lái),化學(xué)機(jī)械法制漿技術(shù)就因纖維原料利用率高、化學(xué)藥品用量少、污染負(fù)荷低等突出優(yōu)勢(shì)而得到世界制漿造紙業(yè)的青睞。經(jīng)過(guò)短短三十幾年的發(fā)展,全球化機(jī)漿產(chǎn)能已經(jīng)超過(guò) 700萬(wàn) t/a,在化機(jī)漿產(chǎn)能迅速增長(zhǎng)的同時(shí),纖維原料的供應(yīng)卻呈現(xiàn)出日趨緊張的局面。特別是作為世界最大化機(jī)漿消費(fèi)國(guó)的中國(guó),在經(jīng)過(guò)短暫而迅猛的產(chǎn)能擴(kuò)張之后,木材所占比例本來(lái)就不高的纖維原料供應(yīng)結(jié)構(gòu)又要面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1-2]。在單一品種木片很難維持生產(chǎn)線滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下,國(guó)內(nèi)化機(jī)漿生產(chǎn)廠家紛紛開始采用混合木片制漿,常見的形式有干材和枝丫材混合、不同材種混合等。

楊木是化學(xué)機(jī)械法制漿最為理想的原料之一,而桉木在木材原料短缺的情況下也是較適宜制化機(jī)漿的材種,在我國(guó)南方有廣大的種植區(qū)域。所以雖然桉木有密度大、纖維較短、色澤較深等缺點(diǎn),但仍然可以發(fā)揮一定的數(shù)量和價(jià)格優(yōu)勢(shì),來(lái)彌補(bǔ)楊木供應(yīng)的不足。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有部分廠家在嘗試使用楊木和桉木的混合木片進(jìn)行化機(jī)漿制漿。本實(shí)驗(yàn)結(jié)合生產(chǎn)需要,對(duì)楊木和桉木混合木片的 CT MP制漿性能,特別是混合磨漿后兩種纖維各自的形態(tài)特點(diǎn)以及不同原料配比所導(dǎo)致的成漿性能變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),希望能為工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料

實(shí)驗(yàn)原料為經(jīng)過(guò)篩選的楊木片和桉木片,楊木片由北京林業(yè)大學(xué)提供,產(chǎn)地北京,樹齡 5年;桉木片為多個(gè)品種的混合木片,樹齡 4～5年,由國(guó)家林業(yè)局桉樹研究開發(fā)中心提供,產(chǎn)地廣東湛江。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程簡(jiǎn)圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)按下列流程進(jìn)行 (見圖1)。

1.2.1 備料

楊木與桉木按照 7∶3、5∶5、3∶7的比例混合 , 每個(gè)比例備料 2份,每份質(zhì)量 6.4 kg(絕干)。

1.2.2 CD-300熱磨機(jī)壓力磨漿

對(duì)原料的汽蒸、擠壓疏解、化學(xué)浸漬、壓力磨漿全部由 CD-300熱磨機(jī)完成,具體工藝參數(shù)如下:

汽蒸:時(shí)間 10 min;螺旋擠壓比:4∶1;

化學(xué)浸漬:時(shí)間 10 min,壓力 0.11～0.12 MPa,液比 1∶5,化學(xué)藥品用量為 2%NaOH+4%Na2SO3和

壓力磨漿:壓力 0.11 MPa,盤磨間隙 1 mm,漿濃20%。

1.2.3 常壓精磨

采用 KRK高濃磨漿機(jī)對(duì)粗漿進(jìn)行多段常壓精磨,以獲得不同游離度等級(jí)的紙漿,其中第一段精磨磨漿濃度為 15%、盤磨間隙 0.4 mm,其余各段磨漿濃度20%、盤磨間隙 0.1 mm。

1.2.4 消潛

將漿料用 80～90℃的熱水浸泡 30 min,漿濃5%,以消除磨漿對(duì)纖維造成的撓曲。

1.2.5 纖維形態(tài)分析

原料的纖維長(zhǎng)度、寬度、細(xì)胞腔徑和細(xì)胞壁厚度均采用光學(xué)顯微鏡法測(cè)定 (參照 GB/T 10336—1989)。

漿料的纖維形態(tài)照片由 PS-WT-Ⅰ電子顯微細(xì)度檢測(cè)儀拍攝,漿張的纖維形態(tài)照片由 KYKY-2800型掃描電鏡拍攝。

1.2.6 篩渣率和細(xì)小纖維含量的測(cè)定

篩渣率用 KRK標(biāo)準(zhǔn)方篩測(cè)定:取 10 g絕干漿,篩選 10 min;細(xì)小纖維含量用 Bauer-Menett篩分儀測(cè)定:取 10 g絕干漿,篩選 20 min。

1.2.7 抄造手抄片

使用德國(guó)產(chǎn) Rapid-Kothen紙頁(yè)成形器抄造手抄片,定量 60 g/m2。

1.2.8 漿張性能檢測(cè)[5]

漿張性能按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料的纖維形態(tài)

為了便于在成漿中區(qū)分楊木和桉木纖維以及考察兩種原料的纖維形態(tài)對(duì)成漿性能的影響,分別對(duì)楊木和桉木的纖維形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定,測(cè)定結(jié)果如表1所示。

表1 楊木和桉木的纖維形態(tài)

由表1可見,楊木纖維長(zhǎng)度較桉木大,纖維寬度接近桉木的 2倍,這樣的纖維形態(tài)特征將非常有利于對(duì)成漿中的兩種纖維進(jìn)行區(qū)分。另外,楊木的纖維腔徑明顯大于桉木,而細(xì)胞壁厚度卻比桉木略小,楊木的壁腔比只有桉木的 1/2,因此楊木的纖維更加柔軟可塑,磨漿過(guò)程中更容易分絲帚化和扁塌,有利于提高纖維間的結(jié)合強(qiáng)度,而桉木纖維則較為短小挺硬,磨漿過(guò)程中完整分離及分絲帚化的難度相對(duì)較大,有可能產(chǎn)生較多的纖維碎片,對(duì)漿張強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

2.2 楊木、桉木混合木片 CT MP的纖維形態(tài)

由于兩種原料的纖維長(zhǎng)寬度和柔軟度不同,兩種纖維在磨漿過(guò)程中所受到的剪切作用必然有所差異。為了解這種差異,本實(shí)驗(yàn)對(duì)原料配比和浸漬條件一定(楊木與桉木配比 7∶3、化學(xué)浸漬藥品為 2%NaOH+4%Na2SO3)但游離度不同的漿料取樣并進(jìn)行顯微觀測(cè),觀測(cè)結(jié)果如圖2所示[6]。

由圖2可見,在游離度分別為 400、280、180 mL的 3個(gè)漿料中,楊木纖維隨著漿料游離度的下降出現(xiàn)了更多的細(xì)胞壁破損和分絲帚化現(xiàn)象,而桉木纖維的細(xì)胞壁始終較為光滑,沒有明顯的破損。這表明在磨漿過(guò)程中寬度較大而細(xì)胞壁較薄的楊木纖維易于受機(jī)械作用而分絲帚化,桉木纖維則因較為細(xì)小且細(xì)胞壁較厚而難以分絲帚化。

2.3 楊木、桉木混合木片 CT MP成漿性能

圖2 不同游離度漿料的纖維形態(tài)

化學(xué)浸漬藥品用量是 CT MP成漿性能的決定性因素之一。本實(shí)驗(yàn)的前期研究結(jié)果表明,楊木和桉木的混合木片進(jìn)行化學(xué)浸漬適宜采用的 NaOH用量為 2%～4%、Na2SO3用量為 2%～4%,其中 2%NaOH+4%Na2SO3的浸漬條件適于制取對(duì)松厚度要求較高的紙漿,4%NaOH+2%Na2SO3的浸漬條件適于制取對(duì)強(qiáng)度要求較高的紙漿。因此本實(shí)驗(yàn)對(duì)楊木與桉木配比7∶3、5∶5、3∶7的 3種混合木片分別采用 2%NaOH+4%Na2SO3和 4%NaOH+2%Na2SO3兩組化學(xué)浸漬條件進(jìn)行 CT MP法制漿,以便考察混合木片在上述兩種有代表性的化學(xué)浸漬條件下,成漿性能隨原料配比的變化情況。

2.3.1 纖維束和細(xì)小纖維含量

楊木、桉木混合木片的 CT MP成漿纖維束含量如圖3所示,細(xì)小組分含量如圖4所示。

由圖3可見,在兩種化學(xué)浸漬條件下,當(dāng)混合原料中楊木所占比例下降、桉木所占比例增加時(shí),成漿纖維束含量均有所下降。同樣是上述兩組化學(xué)浸漬條件,圖4所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)混合原料中楊木所占比例下降、桉木所占比例提高時(shí),成漿中細(xì)小纖維含量均呈上升趨勢(shì)。在篩分實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn),通過(guò) 200目篩網(wǎng)沉淀下來(lái)的細(xì)小纖維,其顏色明顯深于其他目數(shù)的組分,因此推測(cè)細(xì)小纖維中桉木的纖維碎片占較大比例。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然可以由楊木和桉木的纖維形態(tài)差異得到解釋,即相對(duì)挺硬的桉木漿料在磨漿過(guò)程中容易受到更加猛烈的剪切作用,使纖維束在得到較充分磨解的同時(shí)也增加了纖維被切斷的幾率。所以隨著混合原料中桉木比例的提高,成漿中的纖維束含量有所下降而細(xì)小纖維有所增多[7]。

2.3.2 白度

植物纖維原料往往帶有一定的顏色,例如桉木就因含有一種被稱為“奇諾樹膠”的物質(zhì)而呈深淺不一的褐色,其木粉白度一般在 20%～30%,而楊木則較為潔白,木粉白度可達(dá) 50%以上。纖維原料顏色的深淺往往對(duì)成漿白度有至關(guān)重要的影響,通常顏色較深的纖維原料成漿白度也較低,因此混合原料中桉木比例的提高將會(huì)對(duì)成漿白度產(chǎn)生一定負(fù)面影響。

楊木、桉木混合木片的 CT MP成漿白度如圖5所示。

圖5 不同原料配比的成漿白度比較

由圖5可見,當(dāng)混合原料中楊木與桉木的配比由7∶3變?yōu)?3∶7時(shí),化學(xué)浸漬藥品為 2%NaOH+4%Na2SO3的成漿白度下降了 3.3個(gè)百分點(diǎn),化學(xué)浸漬藥品為 4%NaOH+2%Na2SO3的成漿白度下降了 6.1個(gè)百分點(diǎn)。另外通過(guò)縱向比較發(fā)現(xiàn),當(dāng)化學(xué)浸漬用堿量由 2%增加至 4%時(shí),3種混合比例的原料成漿白度分別下降了 2.8、4.6和 5.6個(gè)百分點(diǎn),也就是說(shuō)隨著混合原料中桉木比例的增加,提高化學(xué)浸漬用堿量將更加明顯地降低成漿白度,這是因?yàn)殍衲镜哪舅睾窟h(yuǎn)高于楊木,桉木比例高的混合原料遇堿后將造成更多的堿性發(fā)黑。

2.3.3 松厚度

楊木、桉木混合木片的 CT MP成漿松厚度比較如圖6所示。

圖6 不同原料配比的成漿松厚度比較

由圖6可見,在兩種化學(xué)浸漬條件下,隨著混合原料中楊木所占比例的降低、桉木所占比例的增加,成漿松厚度并沒有呈現(xiàn)預(yù)想的下降趨勢(shì),而是略有上升。這一現(xiàn)象可以通過(guò)對(duì)成漿和漿張的顯微觀察得到解釋,即細(xì)胞腔較大、細(xì)胞壁較薄的楊木纖維在磨漿剪切力以及壓榨壓力的作用下發(fā)生了更多的扁塌,而相對(duì)挺硬的桉木纖維則較多地保持了原有的柱狀形態(tài),因此桉木纖維的增加對(duì)保持成漿的松厚度起到了積極作用。

2.3.4 抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)

楊木、桉木混合木片的 CT MP成漿抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)如表2、表3所示。

表2 不同原料配比成漿的抗張指數(shù)

表3 不同原料配比成漿的撕裂指數(shù)

由表2、表3可見,隨著混合原料中桉木比例的提高,成漿強(qiáng)度下降,但下降的幅度在提高化學(xué)浸漬用堿量后變小,也就是說(shuō)化學(xué)浸漬用堿量的提高可以在一定程度上減小原料配比變化帶來(lái)的成漿強(qiáng)度波動(dòng)。根據(jù)經(jīng)典理論[8],纖維的長(zhǎng)度、柔軟程度、分絲帚化程度是決定成紙強(qiáng)度的幾個(gè)關(guān)鍵因素。由于楊木纖維長(zhǎng)度較大且更加柔軟,磨漿后分絲帚化和扁塌程度較高,所以含楊木纖維較多的漿張必然具有更好的強(qiáng)度性能?；瘜W(xué)浸漬用堿量的提高則更好地潤(rùn)脹和軟化了纖維原料,促使更多的纖維能夠在磨漿過(guò)程中完整剝離和分絲帚化,這一點(diǎn)對(duì)原本較為短小、挺硬的桉木纖維尤為重要。

3 結(jié) 論

3.1 實(shí)驗(yàn)所用楊木原料的纖維長(zhǎng)度大于桉木原料,纖維寬度接近桉木的 2倍,纖維腔徑也明顯大于桉木,而細(xì)胞壁厚度比桉木略小,即楊木的纖維更加柔軟可塑,而桉木纖維則相對(duì)短小、挺硬。

3.2 用楊木、桉木混合木片進(jìn)行 CT MP法制漿時(shí),

成漿中的楊木纖維隨著成漿游離度的下降出現(xiàn)了更多的分絲帚化,而桉木纖維的細(xì)胞壁始終較為光滑,分絲帚化不明顯。

3.3 隨著混合原料中楊木所占比例的減小、桉木所占比例的增加,成漿纖維束含量有所下降、細(xì)小纖維含量有所增加,成漿白度、抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)均呈下降趨勢(shì),成漿松厚度略有提高。

[1] 鐘樹明,多金環(huán),戴永立.化機(jī)漿發(fā)展現(xiàn)狀及黑液零排放可行性分析[C]//中國(guó)造紙學(xué)會(huì)第十三屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2008.

[2] 沈葵忠,房桂干,劉明山,等.降低磨漿能耗的楊木化機(jī)漿制漿技術(shù)[J].中國(guó)造紙,2002,21(3):32.

[3] 孫來(lái)鴻,侯彥召.桉木制化機(jī)漿及用于新聞紙的研究[J].造紙科學(xué)與技術(shù),2002,21(1):4.

[4] 關(guān) 穎,鄭書敏,梁 川,等.用于新聞紙的藍(lán)桉 CT MP[J].中國(guó)造紙,2003,22(2):3.

[5] 石淑蘭,何福望.制漿造紙分析與檢測(cè)[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,2003.

[6] 王菊華.中國(guó)造紙?jiān)侠w維特性及纖維圖譜[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,1999.

[7] 司 俠,侯慶喜,苗慶顯,等.高得率制漿工藝對(duì)去除漿中纖維束的影響[J].中國(guó)造紙,2007,26(11):44.

[8] 謝來(lái)蘇,詹懷宇.制漿原理與工程[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,2001.

Research on CTM P Pulping ofM ixed Poplar and EucalyptusW oodchips

T IAN Chao＊XUE Chong-yun CHEN Bin
(China National Pulp and Paper Research Institute,Beijing,100020)

In this paper,CT MP pulping ofmixed poplar and eucalyptus woodchips was studied,focusing on the fiber morphology of poplar and eucalyptus after refining,and the change of pulp properties caused by different proportions of poplar and eucalyptus in the mixed woodchips.Itwas found that,in the CT MP from mixedwoodchips,the poplar fibers are further fibrillatedwhen the pulp is refined to a lower freeness,while the cellwalls of eucalyptus fibers keep its s mooth surface invariably.The increase of eucalyptus content in the mixed woodchips will cause the decrease of brightness and physical strength of the CT MP,but lead to a higher bulk.

poplar;eucalyptus;mixed woodchips;CT MP;fibermorphology;pulp properties

TS721;TS743

A

0254-508X(2010)12-0010-04

田超先生,工程師;主要研究方向:造紙?jiān)喜男苑治黾爸茲{、漂白工藝、纖維素材料綜合利用技術(shù)。

(＊E-mail:ptrc2008@163.com)

2010-07-10(修改稿)

(責(zé)任編輯:常 青)