不同篩分設備對化學漿細小纖維質量性能的影響

林 濤， 李 雪， 宋建偉， 殷學風， Mousa M.Nazhad

(1.陜西科技大學 輕工與能源學院 陜西省造紙技術及特種紙品開發(fā)重點實驗室 教育部輕化工助劑化學與技術重點實驗室， 陜西 西安 710021； 2.亞洲理工學院 制漿造紙技術中心， 泰國 巴吞他尼 12120)

0 引言

造紙漿料中，細小纖維是很重要的成分之一，能影響紙張的很多性能，如松厚度、抗張指數、撕裂度、白度等.根據來源不同，可以分為一次細小纖維、二次細小纖維[1-4].細小纖維具有使纖維網絡結構收縮的能力[5].研究細小纖維的性質，可以對造紙過程和紙張性質進行更加有效地控制[6,7].

本實驗以漂白針葉木硫酸鹽漿板為原料，分別用DDJ和SWECO圓形振動篩進行多級篩分(200目、300目、400目篩網)，收集不同級別的細小纖維，通過測定其各項指標，并且與標準纖維進行配抄，以探究不同篩分設備對細小纖維性能的影響.

1 實驗部分

1.1 原料

漂白針葉木硫酸鹽漿板(BSKP)、漂白闊葉木硫酸鹽漿板(BHKP)、MgSO4(分析純)、去離子水等.

1.2 設備

肖伯爾氏打漿度測定儀(ZQS12型)、標準纖維解離機(NO.SE003型)、SWECO篩分儀(LS18-33型)、PFI磨漿機(DCS-041P型)、膠體電荷分析儀(PCD-03型)、粘度計(LVDV2+型)、纖維質量分析儀等.

1.3 實驗方法

1.3.1 標準纖維的制備

將漂白闊葉木漿板用水浸泡24 h，用纖維解離機疏解1 000 r，擠干水分后，置于冰箱中冷藏，平衡水分24 h.取一定量的漿樣測定水分.用PFI磨漿機將闊葉木漿打漿至35 °SR.取一定量35 °SR漂白闊葉木漿，充分疏解，使用SWECO篩200目篩網篩除細小纖維.將篩后的長纖維組分擠干，平衡水分24 h，測定水分后置于冰箱備用.

1.3.2 一次細小纖維的篩除

用水將漂白針葉木漿板浸泡24 h，用標準纖維解離器疏解4 500 r，擠干水分后，放于冰箱冷藏不少于24 h以均衡水分，取7～8 g漿樣測定水分后備用.然后取一定量上述漿樣，充分疏解，用SWECO篩使用200目篩網進行一級篩分，篩分濃度設定為0.1%.得到一次細小纖維溶液和對應篩后長纖維組分.

將篩后的細小纖維溶液靜置48 h后，利用虹吸原理將上層清夜抽除，得到一定濃度的細小纖維懸濁液.將得到的細小纖維溶液放于冰箱冷藏備用；將得到的長纖維組分擠干水分，放于冰箱均衡水分，取7～8 g測定水分備用.

1.3.3 二次細小纖維的制備與分離

取一定量的上述長纖維組分，用PFI磨漿機將其磨漿至86 °SR.充分疏解后，分別用SWECO和DDJ的200目篩網進行篩分，得到SWECO篩和DDJ篩200目的細小纖維和對應長纖維組分.

將篩出的兩種細小纖維溶液靜置48 h后，利用虹吸原理將上層清夜抽除，得到兩種一定濃度的細小纖維懸浮溶液.充分攪勻兩種懸浮液，分別取20 mL于培養(yǎng)皿中，在105 ℃恒溫條件下烘干4 h，冷卻30 min后稱重，計算兩種細小纖維的體積濃度后，冷藏備用.

1.3.4 細小纖維含量的測定及篩分收益率的計算

取待測漿料(打漿后未篩分的漿料和篩分后的漿料)2～3 g溶于水并定容至500 mL，然后加入到DDJ中，攪拌速度設定為1 000 r/min，攪拌器低端距網面約32 mm，開始濾水.完成一次后，再加入500 mL水重復濾水，直到燒杯中的濾液變?yōu)槌吻鍨橹?

清洗出留在網上的長纖維組分，在布氏漏斗上用定量濾紙過濾.最后把濾紙在烘箱中烘干4 h，冷卻30 min后常溫下稱重.

通過計算殘留纖維質量占待測絕干漿料質量的比例得出細小纖維的含量[7].

收益率=1-(篩后漿料細小纖維含量/未篩分漿料細小纖維含量).

1.3.5 細小纖維性能指標的測定

(1)表面電荷

用去離子純凈水將一定濃度的細小纖維懸浮液稀釋到0.10 g/L，量取10 mL.用PCD-03型膠體電荷分析儀測定細小纖維表面電荷量.

計算公式如式(1)所示：

q=V×c/Wt

(1)

其中，q-表面電荷，eq/g;V-標準液用量，L；c-標準液濃度，eq/L；Wt-樣本中絕干纖維質量，g.

(2)膠體粘度

用去離子純凈水將一定濃度的細小纖維懸浮液稀釋到1.00 g/L，量取500 mL.用LVDV2+型膠體粘度計測定細小纖維溶液粘度，直接讀取并記錄數據.

(3)比沉降容積

在恒定條件下(20 ℃),細小纖維在裝有MgSO4水溶液的100 mL量筒中靜置24 h，其中MgSO4濃度為0.5 mg/L,細小纖維的濃度為1.0 g/L.在靜置之前，通過0.06 MPa壓力下抽真空30 min，將細小纖維懸浮液中的空氣去除.靜置時間過后，記錄沉積容積，并將細小纖維過濾定量.用沉積容積除以絕干細小纖維質量即可，單位為：cm3/g.

其測量原理為纖絲狀顆粒形成的絮體體積比非纖絲狀細小纖維要大，利用鹽類的添加使得細小纖維失穩(wěn)并絮聚，再根據其沉降體積表征不同形態(tài)細小纖維的相對量.

1.3.6 抄片及其物理性能檢測

(1)配抄方案

分別在標準纖維(35 °SR)組分中添加不同種類細小纖維,即SWECO篩細小纖維與DDJ篩細小纖維，并加入CPAM以助于細小纖維的留著.細小纖維添加比例按0%、5%、10%、15%進行，CPAM的用量為0.04%(對絕干漿).

用添加細小纖維的紙漿進行抄紙，再檢測各種手抄片的物理性能.手抄片的定量為(60±3)g/m2.

(2)手抄片物理性能檢測

厚度(GB/T451.3-198)、白度(QB/T45.3-1989)、不透明度(GB/T1543-1988)、撕裂度(GB/T455.1-1989)、抗張強度(GB/T453-1989).

2 結果與討論

2.1 不同篩分設備的細小纖維篩分收益率

由表1可知，使用同一種篩網目數(200目)時，SWECO篩的篩分效能相應地要比DDJ的效能高.從而可以得出SWECO篩比DDJ篩分更徹底、殘余細小纖維含量更少的結論.

這可能與篩分方式不同有關.SWECO篩工作時漿料同時受水平及豎直方向剪切力振動作用，而且SWECO篩篩網面積較大，保證了漿料不會長久聚集在篩網上形成濾餅，這樣能使細小纖維盡可能多地通過網孔被篩掉，不會被漿餅截留太多；DDJ工作時漿料主要受轉子轉動所產生的剪切力作用，篩分模式比較單一.另外，由于DDJ篩分動力較弱，篩網面積太小，不可避免地在進行連續(xù)操作時，漿料會逐漸沉積而形成濾餅，使越來越多細小纖維被截留，從而大大影響了細小纖維的篩分效率.

SWECO篩的篩分收益率隨篩網目數的增加而增加.SWECO篩分400目細小纖維的收益率高達95.32%，比其他情況約高出15%.

表1 DDJ和SWECO篩不同級別殘余細小纖維含量及篩分收益率

2.2 細小纖維的特性指標

2.2.1 表面電荷

細小纖維表面一般帶負電荷，并受其表面化學組成及電離狀態(tài)的影響.實驗測得細小纖維表面電荷值如表2所示.

表2 DDJ和SWECO篩不同級別細小纖維的表面電荷

由表2可知，兩種篩分設備同一種篩網目數(200目)時，DDJ篩分得到的細小纖維的表面電荷比SWECO篩分得到的高.SWECO篩分得到的細小纖維表面電荷隨著網目數的增加而增加.

細小纖維的表面電荷主要來自于表面羧基的電離，DDJ在篩分時部分細小纖維被濾餅截留，使篩分得到的細小纖維有較大的比表面積，而SWECO篩隨著篩網目數的增加，所得細小纖維的比表面積增大.細小纖維的比表面積越大，單位質量細小纖維的羧基和其它可電離酸性基團含量較高，其表面電荷就越大.

2.2.2 膠體粘度

細小纖維的粘度測定使用的是LVDV2+型粘度計，其測量原理是根據測量轉子轉動時摩擦力的扭矩來測算細小纖維懸浮液的粘度.細小纖維的粘度反映了細小纖維的水化程度.實驗測得結果如表3所示.

表3 DDJ和SWECO篩不同級別細小纖維的膠體粘度

由表3可知，兩種篩分設備同一種篩網目數(200目)下，SWECO篩分得到的細小纖維溶液相對DDJ細小纖維具有較大的粘度.SWECO篩得到的細小纖維溶液的粘度隨著篩網目數的增加而上升.

由此可以說明，SWECO細小纖維吸水潤脹程度比較大，有更多的表面羥基可與纖維結合.這是因為SWECO篩細小纖維分絲帚化程度較好，有更多的半纖維素、木素，吸水潤脹程度較好.隨著篩分級別的增加，SWECO篩細小纖維比表面積逐漸增大，吸水潤脹程度就越來越大.

2.2.3 比沉降容積

細小纖維比沉降容積的測量原理為纖絲狀組分形成的絮體體積比非纖絲狀組分要大，利用鹽類的添加使得細小纖維失穩(wěn)并絮聚，再根據其沉降體積表征不同形態(tài)細小纖維的相對量.化學漿中，細小纖維的比沉降容積和纖絲狀組分含量相關性良好.實驗測得的幾種細小纖維比沉降容積如表4所示.

表4 DDJ和SWECO篩不同級別細小纖維的比沉降容積

由表4可知，兩種篩分設備同一種篩網目數(200目)下，SWECO篩得的細小纖維含有較多的絲狀組分.SWECO篩得的細小纖維絲狀組分含量隨著篩網目數的增加而增加.

這是由于SWECO篩細小纖維的分絲帚化狀況較好，比DDJ含有更多的纖絲狀組分.SWECO篩分級別越高的細小纖維水化程度高，粘度大，難于沉降.

2.3 手抄片物理性能

2.3.1 松厚度和透氣度

松厚度是指一定質量紙或紙板的體積，即緊度的倒數.緊度又稱表觀密度，與原料的種類、打漿程度、壓光、施膠度等因素有關.它對紙張的強度性能和光學性能有較大影響，是比較紙張其它物理性能指標的基礎[8].

從圖1可以看出，SWECO細小纖維的添加更利于減少紙張松厚度.對于SWECO細小纖維，級別越高的細小纖維更能降低紙張的松厚度.其原因是含有大量纖絲狀組分的細小纖維可以發(fā)揮填充和架橋作用，由于其柔軟且細的特性，更易于充斥在纖維的空隙間，纖絲狀纖維有形成一個更加緊湊的網絡系統(tǒng)的趨勢，纖維間的交織面積及結合力也相對增大,從而提高緊度，降低松厚度.隨著添加量的增加，細小纖維對松厚度的影響就越顯著.

圖1 不同添加量下的不同細小纖維 對紙張松厚度的影響

透氣度反映了紙張結構中空隙的多少.它是許多紙種的重要物理性能指標之一[9].由圖2可以看出，細小纖維對紙張透氣度的影響與對紙張松厚度的影響趨勢基本一致，并且細小纖維對紙張透氣度的影響很顯著，這是由于細小纖維能顯著提高紙張中高度較低的空隙數量，從而降低透氣度.

SWECO細小纖維比DDJ細小纖維更能減少紙張的透氣度性能.對于SWECO細小纖維，級別越高的細小纖維越能降低紙張的透氣度.隨著添加量的增加，細小纖維對透氣度的影響就越顯著.這是因為SWECO細小纖維含有較多纖絲狀組分，且篩分級別越高，含有的細小纖維量越多.而含有較多纖絲狀組分的細小纖維，尺寸及形態(tài)一致性更高，它們可緊密地沉積在纖維表面，從而減少了紙張纖維間的空隙，降低了紙張透氣度.

圖2 不同添加量下的不同細小纖維 對紙張透氣度的影響

2.3.2 抗張指數和撕裂指數

實驗測得不同細小纖維添加量與成紙抗張指數、撕裂指數的關系如圖3和圖4所示.由圖3和圖4可以看出，細小纖維能大大提高紙張的強度性能.SWECO細小纖維比DDJ細小纖維更能增強紙張的強度，SWECO篩分級別越高的細小纖維對紙張強度的增強就越顯著.

同一種細小纖維，隨著添加量的增加，對紙張強度的影響就越明顯.這說明細小纖維能提高紙張的強度性能，且纖絲狀組分含量越高其作用越明顯，這是因為纖絲狀含量較高的細小纖維組分大大增加了纖維間的結合強度.通過三種方式改善纖維結合，即比結合強度(類似膠水的作用)、纖維交叉部分的鍵合面積(結合邊界的累加)，以及纖維之間的結合數量(拉近纖維)[10-12].

圖3 不同添加量下的不同細小纖維對 紙張抗張指數的影響

圖4 不同添加量下的不同細小纖維對 紙張撕裂指數的影響

2.3.3 白度和不透明度

實驗測得不同細小纖維添加量與成紙的白度、不透明度的關系如圖5和圖6所示.由圖5可知，不論何種篩分條件，隨著細小纖維添加量的增加，紙張白度降低.這是因為細小纖維的存在，一方面增加了紙張的光散射點，使很多光線被散射掉；另一方面，紙張白度的降低與細小纖維表面木素含量高以及比表面積大有關.木素通常被認為是不利于紙漿白度的重要因素，而細小纖維比表面積大的特點是使其具有很強的吸附性，這導致實驗過程中收集到的細小纖維不可避免地吸附了部分雜質粒子，其中重金屬顆粒子對白度是不利的[13].

由圖5也可看出,SWECO細小纖維相對于DDJ細小纖維更能降低紙張的白度.SWECO級別越高的細小纖維越對白度不利.這是由于SWECO細小纖維纖絲狀組分的含量高，纖絲狀組分含量多的細小纖維對光散射系數有消極的影響，而降低光散射系數可降低白度.另外，SWECO級別越高的細小纖維比表面積越大，表面木素含量越高，這就使得其對白度的影響越顯著.

圖5 不同添加量下的不同細小 纖維對紙張白度的影響

由圖6可見，隨著細小纖維添加量的增加，紙張不透明度降低.SWECO細小纖維相對于DDJ細小纖維更能降低紙張的不透明度，SWECO細小纖維隨著篩分級別的增高對紙張透明度的影響增加.這是由于SWECO細小纖維有較多纖絲狀組分，其尺寸更小，與纖維之間的結合能力增強，使光散射系數降低，白度降低，不透明度降低[14].另外，SWECO細小纖維隨著篩分級別的增加，表面木素含量越高，而木素對白度不利，不透明度就降低.并且SWECO細小纖維隨著篩分級別的增加，比表面積增大，吸附重金屬離子越多，對白度也就越不利，從而不透明度越低.

圖6 不同添加量下的不同細小 纖維對紙張不透明度的影響

3 結論

(1)SWECO篩相對于DDJ動態(tài)濾水儀，具有較高的篩分收益率.SWECO篩隨著篩網目數的增加，其收益率也顯著增加.

(2)DDJ細小纖維較SWECO細小纖維,具有更高的表面電荷.SWECO篩細小纖維的表面電荷隨網目的增加而增加.

(3)SWECO細小纖維的粘度相對于DDJ細小纖維高，其吸水潤脹程度亦較DDJ細小纖維高.SWECO細小纖維的粘度隨篩網目數的增加而增加.其400目細小纖維粘度最高，吸水潤脹程度最大，有更多的表面羥基可與纖維結合.

(4)SWECO細小纖維的比沉降容積大于DDJ細小纖維，SWECO細小纖維具有更多的纖絲狀組分.SWECO細小纖維的比沉降容積，隨篩網目數的增加而增大，其纖絲狀組分亦隨篩網目數的增加而增大.

(5)細小纖維能明顯降低紙張的松厚度、透氣度.SWECO細小纖維更能減少紙張的松厚度和透氣度.且SWECO細小纖維級別越高，越能降低紙張的松厚度和透氣度.隨著添加量的增加，細小纖維對透氣度的影響越顯著.

(6)細小纖維能夠顯著提高紙張的強度性能.SWECO細小纖維比DDJ細小纖維更能增強紙張的強度.SWECO級別越高的細小纖維，越能增強紙張的強度性能.隨著添加量的增加，細小纖維對紙張強度性能的影響越顯著.

(7)細小纖維的添加能夠降低紙張白度，降低不透明度.隨著添加量的增加，這種作用會增強.SWECO細小纖維更能降低白度，降低不透明度.并且SWECO細小纖維，隨著篩分級別的升高，這種作用會增強.

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