遼寧楊CMP堿性過氧化氫改性

韓 穎，錢 忠 嚴，李 忠 友，韓 宗 敏，孫 廣 衛(wèi)

(1.大連工業(yè)大學 輕工與化學工程學院，遼寧 大連 116034；2.延邊石峴白鷺紙業(yè)，吉林 圖們 133101)

0 引 言

遼寧楊是一種速生豐產(chǎn)樹種，其材質優(yōu)良，色澤亮白，松軟，比重小，綜纖維素含量高，木素含量低，是生產(chǎn)化機漿的良好原料。遼寧楊作為遼寧地區(qū)的速生豐產(chǎn)樹種20年來得到了長足的發(fā)展，遼寧楊樹研究所對遼寧楊樹造紙林栽培技術進行了系統(tǒng)的研究[1]，并取得了國內領先的科技成果。

CMP是指用化學處理和機械磨解制得的紙漿。機械漿是由不同長度纖維組成的，各組分的性質不同，對機械漿性質的影響也不同。其中的長纖維組分中保留了大量的木素，纖維相對僵硬挺直。這些都不利于纖維之間的結合，若磨漿太細，又降低纖維自身的強度，同樣影響成紙的強度。Kangas H等[2]對云杉TMP分兩部分進行了研究，研究結果表明，細小組分表面覆蓋有更多的木素和抽出物。Yuzhou Bian等[3]使用堿性過氧化氫預處理的方法來提高CMP渣漿磨漿性能，用以代替部分化學漿生產(chǎn)SC紙，以降低成本。韓穎[4]對jack松TMP長纖維進行了堿性過氧化氫改性，處理后，紙頁物理性能和光學性能均得到改善。作者對分級后的漿進行堿性過氧化氫改性，以期進一步改善成紙物理性能，為遼寧楊在造紙上的應用提供理論依據(jù)。

1 試 驗

1.1 試驗原料

遼寧楊木片，取自遼寧北部，經(jīng)洗滌、篩選、平衡水分后備用。

1.2 試驗方法

1.2.1 遼寧楊CMP的制備

木片預處理條件：NaOH用量5%，最高溫度140℃，保溫35min，此過程在ZQS1型電熱蒸煮鍋中進行。

磨漿：采用大連工業(yè)大學機械廠研制的盤磨機對預處理后的木片進行三段磨漿，得到打漿度為32°SR的CMP漿料。

分級處理：使用漿料篩分儀對木漿進行分級，將20目以上的長纖維收集以進行后續(xù)改性處理，長短纖維比例為0.534∶0.466。

1.2.2 長纖維的過氧化氫改性

采用正交試驗法對上述分級得到的長纖維組分進行堿性過氧化氫改性，按照NaOH用量、H2O2用量、反應溫度和反應時間作四因素三水平L9(34)正交試驗，見表1。

表1 正交試驗因素水平表Tab.1 The factors and levels of orthogonal experiment

1.2.3 羧基質量摩爾濃度測定

羧基質量摩爾濃度測定是在中性鹽條件下，采用酸堿電導滴定法測定[5]。

2 結果與討論

2.1 長纖維堿性過氧化氫改性條件的優(yōu)化

通過表1的正交試驗和成紙的物理指標，得到正交試驗結果和極差分析結果，見表2。

2.1.1 NaOH用量對長纖維組分物理性能的影響

圖1為NaOH用量對改性后長纖維成紙物理指標的影響趨勢圖。

表2 正交試驗結果及極差分析Tab.2 Results and analysis of orthogonal experiment

圖1 NaOH用量對長纖維性能的影響Fig.1 Effects of NaOH usage on properties of long fibers

由圖1和表2可以看出，白度隨NaOH用量的增大而減小，這是因為NaOH用量過高時，H2O2分解速度過快，會使H2O2損失增加，導致白度降低。在試驗范圍內，抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)隨著NaOH用量的增大而增大。這是因為NaOH可以使纖維潤脹，使之變得更加柔軟，有利于纖維的相互交織，一定程度上改善了成紙強度。但NaOH對富含木素的CMP長纖維的這種潤脹影響是有極限的，而且NaOH用量越大對紙漿白度的促黃作用越大，帶來白度的降低，藥品消耗的增加。因此NaOH用量選擇2.5%。

2.1.2 H2O2用量對長纖維組分物理性能的影響

圖2為H2O2用量對改性后長纖維成紙物理指標的影響趨勢圖。圖2中趨勢表明，H2O2對白度的影響最為明顯，隨H2O2用量的增大白度呈線性增加趨勢，主要是基于H2O2的漂白作用，破壞了木素側鏈上的雙鍵與羰基等發(fā)色基團；H2O2的用量對強度的影響較小(見表2極差分析)，因此，選擇的H2O2用量只需考慮對白度的影響，過高的用量會減小堿比，影響漂白效率，增加成本?？紤]上述原因，H2O2用量選擇4.0%。

圖2 H2O2用量對長纖維性能的影響Fig.2 Effects of H2O2usage on properties of long fibers

2.1.3 溫度對長纖維組分物理性能的影響

圖3為溫度對改性后長纖維成紙各項物理指標的影響趨勢圖。

圖3 溫度對長纖維性能的影響Fig.3 Effects of temperature on properties of long fibers

溫度對白度的影響最小，說明試驗選擇的溫度范圍對白度幾乎沒有影響；而溫度對于抗張指數(shù)的影響最為明顯，呈現(xiàn)先升后降的趨勢；對撕裂指數(shù)的影響則一直緩慢上升。從增強和節(jié)能的角度考慮，選擇改性溫度75℃。

2.1.4 時間對長纖維組分性能的影響趨勢

圖4表示的是時間對改性后長纖維各項物理指標的影響趨勢圖。圖4表明，白度對時間表現(xiàn)為線性增大，適當延長反應時間可以增大H2O2的漂白效果。時間的延長可以使?jié){料的漂白反應更加充分，但處理時間過長，會帶來纖維的降解，影響強度。故時間選擇50min較為合適。

圖4 時間對長纖維性能的影響Fig.4 Effects of time on properties of long fibers

2.2 長纖維改性與全漿改性比較

聯(lián)系正交試驗極差分析結果，最終確定的最佳改性條件為：NaOH的用量為2.5%，過氧化氫的用量為4%，溫度75℃，時間50min。此條件下，分別對長纖維組分和全漿進行改性(改性全漿)，其中改性長纖維與未改短纖維進行配抄(混合漿)。兩種漿成紙性能見表3。

表3 混合漿和改性全漿成紙性能的比較Tab.3 Comparison of mixed pulp and the whole modified pulp

從表3中可以看到，混合漿成紙的抗張指數(shù)與撕裂指數(shù)均優(yōu)于改性全漿的成紙性能，這說明堿性氧化氫對機械漿中的粗大纖維作用明顯，機械漿中的粗大組分剛性大，可壓縮性小，是影響纖維間化學結合的主要障礙[6]。

2.3 改性對纖維表面性質的影響

為觀察堿性過氧化氫處理對纖維形態(tài)的影響，分別對處理前后的長纖維進行電鏡分析，結果見圖5、6。

由圖5和圖6可以看出，堿性過氧化氫處理會造成纖維的適度潤脹，進而提高其柔軟性，有利于纖維之間的結合。

另外，經(jīng)過堿性過氧化氫處理的長纖維表面羧基質量摩爾濃度為172.31mmol／kg，而未處理的長纖維表明羧基只有130.25mmol／kg，這也是改性后纖維表面性質的變化引起結合力增加的一個原因。

3 結 論

(1)采用堿性過氧化氫對分級后的遼寧楊化學機械漿粗纖維(＞20目)進行針對性的改性，可以得到更高的機械強度。

(2)遼寧楊CMP長纖維組分改性，較優(yōu)的條件為：NaOH的用量為2.5%，過氧化氫的用量為4%，溫度75℃，時間65min。

(3)遼寧楊CMP，用上述改性條件，分別對長纖維和全漿進行改性并抄紙，其中改性長纖維與未改短纖維進行配抄。成紙的撕裂指數(shù)和抗張指數(shù)均比改性全漿有一定的提高：其中抗張指數(shù)由32.5N·m／g升高至39.6N·m／g；撕裂指數(shù)由3.28mN·m2／g增加到3.48mN·m2／g。在白度上，改性長纖維與未改短纖維混合配抄略不足于全漿改性，可以通過后續(xù)的漂白來進一步提高白度。

[1]楊志巖，王勝東，梁鴻恩，等.楊樹紙漿林優(yōu)化栽培模式的研究[J].林業(yè)科技開發(fā)，2004，18(3)：26－28.

[2]KANGAS H，KLEEN M.Surface chemical and morphological properties of mechanical pulp fines[J].Nordic Pulp and Paper Research Journal，2004，19(2)：191－199.

[3]BIAN Yuzhou，NI Yonghao，YUAN Zhirun.Improving TMP rejects refining through alkaline peroxide pre－treatment for value－added mechanical papers[J].Tappi Journal，2007，6(3)：24－32.

[4]韓穎.TMP長纖維改性機理及應用技術研究[D].南京：南京林業(yè)大學，2009：52－73.

[5]石淑蘭，何福望.制漿造紙分析與檢測[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2003：87－90.

[6]林奕亭.機械木漿的化學改性[J].中國造紙，1981(2)：44－49.