使用ATMP技術(shù)降低能耗提高SC雜志紙質(zhì)量

使用ATMP技術(shù)降低能耗提高SC雜志紙質(zhì)量

以白云杉（北歐云杉）為原料，運(yùn)用ATMP(Advanced Thermomechanical Pulping)磨漿這一理念進(jìn)行中試試驗。本試驗的主要目的是評估利用ATMP進(jìn)行SC(super calandered)雜志紙生產(chǎn)的可行性。對于用作凹版印刷的SC雜志紙來說，紙張的表面性能尤為重要，而紙頁表面結(jié)構(gòu)在很大程度上受機(jī)械漿纖維質(zhì)量的影響。本研究的目的是研究是否可以通過調(diào)整纖維特性達(dá)到改善紙張表面性能的目的。以TMP和機(jī)械預(yù)處理過的高強(qiáng)度TMP作為參照樣，ATMP的成漿纖維解離和細(xì)纖維化程度在過氧化氫和氫氧化鎂的輔助作用下得以加強(qiáng)。由于初始木片的纖維解離和細(xì)纖維化，使纖維強(qiáng)度的增強(qiáng)成為可能。

實驗室用ATMP抄造的SC紙頁的抗張指數(shù)提高了4Nm/g，顯著降低表面粗糙度并保持透氣度（在SC紙生產(chǎn)中的重要質(zhì)量指標(biāo)），而磨漿能耗降低8%（預(yù)處理和高強(qiáng)度處理使磨漿能耗減少5%，化學(xué)助劑的加入使其降低3%）。ATMP成漿的其他紙頁性能與TMP相似或者更好，如光散射性能得以保持，ISO白度提高10個單位。

ATMP磨漿 節(jié)能 過氧化氫 SC紙

1 前言

ATMP理念的主要特點是機(jī)械預(yù)處理，這使得它可以在木片解離與細(xì)纖維解離、細(xì)纖維化之間加入化學(xué)藥品。首先使用的化學(xué)藥品是亞硫酸氫鈉，它能在略微提高白度的前提下顯著降低磨漿能耗。最近，過氧化氫和氫氧化鎂已經(jīng)被研究用于ATMP工藝中。這項研究的結(jié)果顯示，相對于TMP制漿工藝，ATMP的能耗降低50%，而ISO白度提高15個單位。

由木片到成漿過程的磨漿能耗是由出售給客戶的紙張的質(zhì)量參數(shù)而定的。在實際生產(chǎn)中所用的機(jī)械漿中，這些比較典型參數(shù)為強(qiáng)度（如新聞紙生產(chǎn)）、表面粗糙度和透氣度 （印刷紙）或松厚度 （文化用紙）。因此，評估改善紙張性能時的電能消耗尤為重要?？紤]到實際大規(guī)模生產(chǎn)SC紙時紙張性能被用作質(zhì)量指標(biāo)，在相同透氣度條件下對減少的磨漿能耗進(jìn)行了測定。本文對表面粗糙度也進(jìn)行了評估，因為在SC雜志紙的生產(chǎn)中表面粗糙度是一項很重要的性能指標(biāo)。紙頁強(qiáng)度很重要，本文對能耗與紙頁強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行了闡述。

化學(xué)藥品會通過對纖維不同部位引入新的功能基團(tuán)和破壞纖維結(jié)構(gòu)來影響纖維質(zhì)量，如纖維的潤漲和軟化。過氧化氫通過對木素大分子的氧化作用以及破壞其側(cè)鏈產(chǎn)生羧酸。堿的加入導(dǎo)致半纖維素里存在的羧酸離子化、果膠的脫甲基作用以及聚半乳糖葡萄糖甘露糖的脫乙?；饔谩＿@些木素結(jié)構(gòu)上發(fā)生的變化會導(dǎo)致其玻璃化轉(zhuǎn)移溫度降低以及結(jié)構(gòu)軟化。如果這種現(xiàn)象發(fā)生在木片的纖維化分離之前（即化學(xué)浸漬時），由于產(chǎn)生過多的類似CTMP漿樣，結(jié)果將會對TMP磨漿產(chǎn)生負(fù)面影響。這會對木片在胞間層或接近胞間層區(qū)域的分離作用產(chǎn)生不利影響。ATMP制漿中木片的纖維化模擬TMP的生產(chǎn)工藝 （即在纖維的S1/S2層，產(chǎn)生大量的短纖維級分）能避免受到化學(xué)藥劑的影響；通過有選擇性地在制漿區(qū)段添加化學(xué)藥品，從而避免對木片纖維化的負(fù)面影響并顯著降低能耗，而對于生產(chǎn)印刷紙的紙漿所需要的其他性能也沒有負(fù)面的影響。在之前的研究中，已經(jīng)得出纖維質(zhì)量決定紙張表面性質(zhì)的結(jié)論。這些性能指標(biāo)如分絲纖維量、纖維結(jié)合和纖維的可壓潰性等都會影響最終印刷用紙產(chǎn)品的表面性能。在ATMP生產(chǎn)過程中，選擇性地添加化學(xué)藥品對纖維壁的軟化能使磨漿能耗降低，同時紙漿的性能得到提高，從而獲得平滑的紙張表面和更好的紙頁結(jié)構(gòu)。

2 材料和方法

2.1 紙漿的中試試驗

本實驗所用紙漿來自美國俄亥俄州斯普林菲爾德的一家安德里茲漿廠。兩段磨漿，第二段磨漿采用三種不同能耗水平。在ATMP和RTF-RTS運(yùn)行時，木片經(jīng)單動螺旋擠壓機(jī)的壓縮，然后在纖維疏磨機(jī)里進(jìn)一步離解以備磨漿。圖1為實驗中的設(shè)備裝配圖。除了螯合劑(DTPA)外所有化學(xué)試劑都在一段磨加入(通過稀釋水加到磨內(nèi))。DTPA在單動螺旋擠壓機(jī)的出口減壓處加入。化學(xué)藥品添加比例見表1，磨漿工藝參數(shù)見表2。

表1 漿樣和化學(xué)藥品用量（用量以絕干漿計）

圖1 ATMP中試驗設(shè)備配置（生產(chǎn)TMP參照樣時，無機(jī)械前處理或化學(xué)藥品添加）

表2 中試試驗的磨漿參數(shù)

2.2 實驗室檢測

紙漿的測試依據(jù)TAPPI標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定，測試實驗室在美國俄亥俄州斯普林菲爾德的安德里茲中試實驗室。實驗室SC雜志紙由挪威哈爾登的NSI公司進(jìn)行生產(chǎn)、并進(jìn)行壓光處理和紙頁性能檢測。一段磨成漿殘液pH值通過濾液測量，濾液由噴漿口漿樣品通過200目的濾網(wǎng)壓榨獲得。CSF（加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度）依照TAPPI標(biāo)準(zhǔn)T227測定。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)T205對已疏解紙漿抄制手抄片(約60g/m2)。手抄片的強(qiáng)度性能檢測參照標(biāo)準(zhǔn)T220。纖維束含量用縫篩為0.10mm的Pulmac篩分儀測定。每個區(qū)段的紙漿樣品從斯普林菲爾德運(yùn)往哈爾登NSI重點實驗室，運(yùn)送過程對其冷藏直到測試。用循環(huán)白水抄造的紙張依照標(biāo)準(zhǔn)ISO 5269:2:1998進(jìn)行檢測。紙張在150Kpa的壓區(qū)負(fù)荷下用實驗室壓光機(jī)（Enfoplan OY EP-210）進(jìn)行壓光處理（每側(cè)經(jīng)過三個壓區(qū)）。紙張光學(xué)性質(zhì)依照ISO2470:1999和ISO2471:1999進(jìn)行測定。粗糙度和透氣度分別依照SCAN P21:67和SCAN P19:78進(jìn)行測試。粗糙度常被用來評價表面

3 結(jié)果與討論

3.1 磨漿過程中的能耗

三種漿樣生產(chǎn)過程中的能耗概況見表3。木片在RTF階段纖維化所需的能耗是很低的。這與先前的研究結(jié)果一致，理論纖維化的能耗只占整個磨漿過程中所需總能耗的小部分。在本試驗中，TMP的一段磨漿能耗相比RTF-RTS、ATMP的生產(chǎn)明顯要高。這對TMP而言也許是有益的，因為一段磨輸入了較多的用以提高成漿性能的有效能耗。在以后的實驗中要達(dá)到相同的能耗輸入以避免產(chǎn)生能耗分布不均。此外，機(jī)械預(yù)處理已經(jīng)證實在第一階段可以保護(hù)纖維的長度，從而使一段磨將可以在劇烈的反應(yīng)條件下進(jìn)行。ATMP工藝中的化學(xué)藥品對纖維的軟化作用也可以很好的保護(hù)纖維長度，因此其一段磨漿的能耗輸入介于FTFRTS和ATMP之間。粗糙程度。本實驗?zāi)M全程HSWO（熱固型膠?。┯∷⒌那樾?。

圖3 磨漿比能耗與纖維束含量的關(guān)系

在生產(chǎn)中，除了考慮減少磨漿能耗外，還要考慮其他的性能指標(biāo)。圖4和圖5顯示了這些性能指標(biāo)，如光散射能力和伸長率，這些性能在相同的抗張指數(shù)條件下得以保持。

圖2給出了本實驗的三種制漿方式的抗張指數(shù)變化。在抗張指數(shù)相同(都是50N·m/g)時，ATMP的磨漿能耗比TMP減少20%，RTF-RTS則相對TMP減少13%。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，這些減少的能耗值比RTFRTS和ATMP處理過程中的較少的能耗要低。這樣的原因可能是在ATMP和RTF-RTS一段磨漿的電量輸入比TMP少。紙漿中的纖維束含量對紙張的表面特性起著很重要的作用，同樣對生產(chǎn)實際如篩分，除渣，殘渣處理等過程有著重要的影響。如圖3所示,RTF-RTS和ATMP的纖維束含量要比TMP低得多。在RTF-RTS和ATMP漿間的纖維束含量沒有什么差別，由此推斷纖維束含量的減少是由于高強(qiáng)磨漿所致。

圖4 光散射系數(shù)與抗張指數(shù)關(guān)系，R2=0.52

圖5 伸長率與抗張指數(shù)的關(guān)系，R2=0.67

3.2 壓光紙的表面特性和松厚度

在生產(chǎn)SC紙時，紙張的透氣度是一項重要的指標(biāo)。對SC影印紙而言，表面粗糙度有著很嚴(yán)格的要求。圖6和圖7表明利用ATMP處理技術(shù)可以很好的改良這兩個特性。透氣性和粗糙度都取決于纖維內(nèi)部和外部在磨漿處理時的好壞。較低的透氣度和表面粗糙度反應(yīng)了ATMP制漿過程纖維得到充分的細(xì)纖維化，這是由于化學(xué)藥品對纖維的軟化作用。先前已經(jīng)對水分引起紙張表面的粗糙進(jìn)行了研究。這取決于纖維細(xì)化的程度，纖維的柔韌性，以及纖維的結(jié)合性和應(yīng)力松弛。圖8表明TMP處理后的表面粗糙度要比RTF-RTS和ATMP處理后的高的多。ATMP處理后可以獲得最低的表面粗糙度，同樣對實驗室壓光紙也可以獲得最低的表面粗糙度。低表面粗糙度在HSWO印刷技術(shù)中非常重要。表面粗糙度的測量方法的缺點就是PPS只能表征一般的表面特性。以后將會嘗試?yán)帽砻鎾呙杓夹g(shù) （例如激光表面輪廓測量技術(shù)）來觀測水分誘導(dǎo)后的表面粗糙度。

圖6 實驗室壓光紙的透氣度與比磨漿能耗關(guān)系。通過使用多元線性回歸（R2=0.96）

圖7 SC紙表面粗糙度與磨漿能耗的關(guān)系。通過使用多元線性回歸（R2=0.72）

圖8 實驗室壓光紙的表面粗糙度（用實驗室印刷機(jī)對紙張進(jìn)行表面施水技術(shù)并迅速干燥后的紙張）。通過使用多元線性回歸（R2=0.76）

3.3 紙漿的光學(xué)特性

圖9和圖10顯示了紙漿的白度以及手抄片的光的吸收系數(shù)。ATMP紙漿成漿ISO白度提高了10個單位。白度的提高是由于在ATMP處理時加入了過氧化氫，它能夠消除發(fā)色基團(tuán)從而減少對光的吸收，并降低了磨漿能耗。但過氧化氫和堿的用量配比并不是在漂白時的最優(yōu)選擇。

4 結(jié)論

采用ATMP制漿工藝相比起TMP工藝，手抄片的抗張指數(shù)提高4 N·m/g，表面粗糙度得到明顯下降并保持相同的透氣度，而磨漿能耗降低了8%kWh/ODT。數(shù)據(jù)中，從TMP到RTF-RTS經(jīng)過改良的高強(qiáng)處理使能耗降低5%，化學(xué)處理使其降低3%。

實驗室手抄片的其他性質(zhì)保持在相同的水平或者更好，計入化學(xué)藥品時光散射系數(shù)與TMP保持相同水平。經(jīng)過氧化氫漂白后紙漿白度增加10個ISO單位。

圖9 成漿白度比較

圖10 手抄片的光吸收系數(shù)

具有軟化纖維結(jié)構(gòu)作用的化學(xué)藥品，使磨漿過程中產(chǎn)生更多有效的細(xì)纖維化，這是導(dǎo)致ATMP品質(zhì)優(yōu)良的原因。在螺旋擠壓和纖維疏磨機(jī)的機(jī)械預(yù)處理過程中，通過建立TMP-fingerprint的方法，從而使木片在纖維分離時避免了由于化學(xué)藥品的軟化

44作用所帶來的消極影響。

雷鳴，張紅杰編譯自：Proceedings of 7th International Seminar on Fundamental Mechanical Pulp Research(IFMPRS 2010),June 21-23,Najing,China.PP:220-227

2011－9－30