選擇性磨漿對楊木P-RC APMP制漿過程的優(yōu)化

張美云 齊書田，* 王 建 李王芳

(1.陜西科技大學(xué)，陜西西安，710021；2.福伊特造紙(中國)有限公司，江蘇昆山，215300)

·楊木P-RC APMP·

選擇性磨漿對楊木P-RC APMP制漿過程的優(yōu)化

張美云1齊書田1，*王 建1李王芳2

(1.陜西科技大學(xué)，陜西西安，710021；2.福伊特造紙(中國)有限公司，江蘇昆山，215300)

利用纖維束篩分儀將一段高濃磨后的半成品化機(jī)漿篩分為纖維束和漿A，將纖維束用盤磨磨漿至不同游離度后回添至漿A中，制備化機(jī)漿(漿C)，實(shí)施化機(jī)漿生產(chǎn)的選擇性磨漿。研究了選擇性磨漿對楊木P-RC APMP成紙性能及磨漿能耗的影響。結(jié)果表明，采用選擇性磨漿，可以降低化機(jī)漿生產(chǎn)過程的磨漿能耗。在與對比漿游離度基本一致的情況下，對出一段高濃磨半成品漿料中的纖維束實(shí)施選擇性磨漿，當(dāng)纖維束磨漿至170 mL，即漿C的游離度為305 mL時，二段磨漿能耗降低13.1%，成紙松厚度提高11.6%，撕裂指數(shù)升高1.7%，但抗張指數(shù)降低10.5%，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度降低16.8%。纖維束的選擇性磨漿，可通過控制纖維束磨漿后的特性，調(diào)整化機(jī)漿成紙性能。

纖維束；能耗；松厚度

(*E-mail: qishutian42210@163.com)

化機(jī)漿是在傳統(tǒng)機(jī)械漿基礎(chǔ)上發(fā)展起來的現(xiàn)代清潔高效制漿新技術(shù)，具有得率高、成紙松厚度高、污染低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在紙漿質(zhì)量和成本上填補(bǔ)了化學(xué)漿和機(jī)械漿間的空缺[1]。但是化機(jī)漿在生產(chǎn)過程中需要大功率的高濃盤磨機(jī)，該設(shè)備消耗較高電能，在磨漿的過程中有很多電能轉(zhuǎn)化成熱能，造成電能的浪費(fèi)，能耗較高。如何降低化機(jī)漿生產(chǎn)過程中的能耗受到廣泛關(guān)注。有研究者[2]發(fā)現(xiàn)，對P-RC APMP制漿工藝第二段采用低濃磨漿能夠降低能耗。Hart等人[3]和Pere等人[4]分別利用纖維素酶處理漿料，研究磨漿能耗，認(rèn)為纖維素酶預(yù)處理有利于降低第二段磨漿能耗，但是酶預(yù)處理工藝難控制，處理時間較長，所以此工藝在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用比較困難。

化機(jī)漿的生產(chǎn)一般需要經(jīng)過兩段磨漿后得到所需游離度的漿料。在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，木片經(jīng)過一段高濃磨后，大部分木片已經(jīng)被有效分離成纖維，這部分纖維將混合未分離的纖維束進(jìn)行二段磨漿。因此，如果能夠?qū)⑦@部分已經(jīng)被有效分離的纖維進(jìn)行篩分，僅對未分離的纖維束進(jìn)行二段磨漿，將會有效降低二段磨漿的紙漿總量，從而降低磨漿能耗，本文將這種磨漿方式定義為化機(jī)漿的選擇性磨漿。為了探討這種選擇性磨漿的可行性，本研究利用纖維束篩分儀對一段高濃磨后化機(jī)漿進(jìn)行篩分，將篩出的纖維束與漿(定義為漿A，下同)分開收集，使用盤磨只對纖維束進(jìn)行二段磨漿，磨后漿(定義為漿B，下同)按照篩出的纖維束比例回添至漿A制備產(chǎn)品化機(jī)漿(定義為漿C，下同)，并對選擇性磨漿的節(jié)能效果及成紙性能進(jìn)行探討，以期為化機(jī)漿的生產(chǎn)及應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

山東某廠楊木P-RC APMP生產(chǎn)線上經(jīng)過一段高濃磨后的漿料(半成品化機(jī)漿)，游離度710 mL。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

ZSP-300盤磨機(jī)，吉林機(jī)械廠；PTI纖維束篩分儀；CSF游離度儀；MMDICH-30多媒體攝影生物顯微鏡；TAPPI標(biāo)準(zhǔn)抄片器，陜西科技大學(xué)機(jī)械廠；DC-HJ Y03電腦測控厚度緊度儀，四川省長江儀器廠；SEO64抗張強(qiáng)度儀，瑞典L&W公司；ProTear撕裂強(qiáng)度測定儀，美國MIT公司；KRK內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度儀，日本KUMAGAI RIKI KOGYO公司；PCD194E-2S4型多功能智能電表，西安亞川電力科技有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 纖維束篩分

取一定量經(jīng)過一段高濃磨后的楊木P-RC APMP漿，浸泡24 h后，將漿料濃度調(diào)至1%，利用纖維束篩分儀進(jìn)行篩分，將篩出的纖維束與漿A分開收集，濃縮測定兩部分比例后備用。

圖1 磨漿前后纖維形態(tài)(×400)

1.3.2 漿料準(zhǔn)備

將篩出的纖維束濃縮至濃度25%，使用高濃盤磨磨漿。盤磨機(jī)主軸轉(zhuǎn)速3000 r/min，喂料螺旋轉(zhuǎn)速300 r/min，調(diào)整磨盤間隙獲得不同游離度的漿B，漿B篩除纖維束后，按照1.3.1中纖維束篩出比例回添至漿A，混合均勻后制備為漿C，供成紙性能測試使用。

1.3.3 磨漿前后纖維形態(tài)的觀察

取磨漿前纖維束及磨漿后不同游離度的漿B，疏解均勻，由赫氏試劑染色后在多媒體顯微鏡下觀察纖維形態(tài)的變化。

1.3.4 手抄片的制備及成紙性能檢測

取一定量的漿C，在白水循環(huán)條件下，利用TAPPI標(biāo)準(zhǔn)抄片器制備手抄片，前5張用于制白水，后5張抄造手抄片，風(fēng)干，并在恒溫恒濕條件下平衡水分，然后按照國家標(biāo)準(zhǔn)測定成紙性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維束篩分

利用纖維束篩分儀篩出半成品楊木P-RC APMP中的纖維束，篩選前后漿料的纖維束含量及特性見表1。由表1可以看出，篩選前半成品化機(jī)漿中約含41.8%的纖維束；篩選后所得的漿A中纖維束含量為0。因此，篩選后的漿A可用于后續(xù)漿C的制備。

表1 半成品楊木P-RC APMP篩選前后的特性

2.2 磨漿前后纖維形態(tài)的變化

篩出的纖維束及經(jīng)過二段高濃磨后的纖維(漿B)形態(tài)如圖1所示。由圖1可知，未經(jīng)過二段高濃磨的纖維束由多根纖維黏結(jié)而成，纖維表面有少許起毛現(xiàn)象，這是由于其經(jīng)過了一段高濃磨而造成的，但纖維均成束存在。隨著磨漿的進(jìn)行，纖維的細(xì)纖維化程度也在不斷增加，磨至游離度為360 mL 時，纖維束已基本完全解離為單根纖維，且纖維表面有少量分絲帚化；纖維束磨至游離度為170 mL時，已經(jīng)出現(xiàn)大量分絲帚化，并且部分細(xì)小纖維絮聚成團(tuán)，當(dāng)纖維束磨至游離度為130 mL及100 mL時，成團(tuán)的纖維又被磨開，并且絲狀細(xì)小纖維大量增加。高濃磨漿以纖維搓揉為主，因此絲狀細(xì)小纖維較多，碎片狀細(xì)小纖維很少。

2.3 纖維束的磨漿能耗

纖維束磨漿所制備的漿B游離度與磨漿能耗之間的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，隨著漿料游離度的不斷降低，盤磨對纖維所做的功越來越大，磨漿能耗不斷上升，當(dāng)漿B游離度為360 mL時，磨漿能耗為616 kWh/t，而漿B游離度為100 mL時，磨漿能耗達(dá)到了854 kWh/t，能耗增加了38.6%。

圖2 漿B游離度對纖維束磨漿能耗的影響

2.4 纖維束的磨漿能耗對漿C能耗的影響

將漿B按照41.8%的比例回添至漿A中，組成成品化機(jī)漿即漿C，測定漿C游離度，并按照圖2的能耗值計算漿C能耗，結(jié)果見表2。

表2 漿C游離度與能耗值

從表2可以看出，隨著纖維束磨漿程度的增加，在漿B回添比例不變的情況下，所獲得的漿C游離度不斷降低，能耗不斷增加。

表3 對比漿的成紙性能及能耗

注 自制成品漿是將出一段高濃磨的半成品化機(jī)漿利用高濃磨在25%的濃度下磨漿，篩除纖維束后所得。

2.5 對比漿的選擇與確定

為了對比研究化機(jī)漿選擇性磨漿的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)選擇了工廠成品漿和自制成品漿2種不同的對比漿樣，其成紙性能及磨漿能耗見表3。

從表3可以看出，在游離度基本一致的情況下，自制成品漿具有較高的松厚度，但成紙強(qiáng)度較低，這可能是由于工廠成品漿在生產(chǎn)過程中經(jīng)歷了第二段漂白，漂白過程的堿性條件會降低成紙松厚度，提高成紙強(qiáng)度[5]。由于本研究中所獲得的漿A及漿B是由出一段高濃磨的半成品化機(jī)漿制備所得，均未經(jīng)歷第二段漂白，因此，本研究工作選擇自制成品漿作為對比漿料，與化機(jī)漿的選擇性磨漿進(jìn)行能耗與成紙性能的比較。

對比分析表2和表3可以看出，當(dāng)實(shí)施化機(jī)漿的選擇性磨漿——即僅對纖維束進(jìn)行磨漿，利用纖維束所制備的漿B游離度為100 mL時，所獲得的漿C能耗值與對比漿基本一致；當(dāng)漿B游離度高于100 mL，在不考慮其他因素時，所獲得的漿C磨漿能耗低于對比漿。當(dāng)漿B游離度為170 mL、130 mL時，所得漿C游離度與對比漿游離度接近，但相比對比漿，能耗分別降低了13.1%、5.5%。

2.6 漿C與對比漿成紙性能研究

2.6.1 松厚度

不同游離度的漿C及對比漿抄造紙張的松厚度變化如圖3所示。由圖3可知，隨著漿C游離度的降低，紙張松厚度不斷下降，當(dāng)漿C游離度從400 mL降到295 mL時，松厚度下降較為緩慢，共下降了1.9%；當(dāng)漿C游離度從295 mL降到245 mL時，紙張松厚度急劇下降，下降了5.6%。由于組成漿C的漿A性質(zhì)不變，因此，漿C抄造紙張的松厚度變化只與組成漿C的漿B纖維特性有關(guān)。這可能是在纖維束的磨漿過程中，磨漿前期主要是纖維束解離為單根纖維，此時，所得漿B的纖維粗度沒有明顯的變化；隨著磨漿的不斷進(jìn)行，纖維表面不斷被剝離、長度不斷變小，所得漿B粗度發(fā)生較為明顯的變化。從圖3中還可以看出，雖然隨著漿C游離度的下降，漿C抄造紙張的松厚度降低，但其松厚度均高于對比漿。當(dāng)漿C游離度為305 mL時，抄造紙張的松厚度為3.81 cm3/g，比對比漿升高11.6%。

2.6.2 抗張強(qiáng)度

圖3 紙張松厚度的變化

不同游離度的漿C及對比漿抄造紙張的抗張強(qiáng)度變化如圖4所示。由圖4可知，隨著漿C游離度的不斷降低，紙張抗張指數(shù)不斷上升，當(dāng)漿C游離度由400 mL降到305 mL時，抗張指數(shù)上升曲線較為平緩，共上升了13.5%；而漿C游離度從305 mL降到245 mL時，抗張指數(shù)上升較為劇烈，上升了27.7%，這同樣是由于組成漿C的漿B所引起的，由于漿B在高濃盤磨磨漿前期，主要是纖維束在高濃磨漿作用下發(fā)生搓揉作用，單根纖維不斷被剝離下來；而磨漿后期，纖維表面分絲帚化，纖維與纖維間結(jié)合面積增大，形成更多的氫鍵，所以抗張強(qiáng)度增加速度隨之加快。從圖4中還可以看出，只有漿C的游離度達(dá)到245 mL時，漿C的紙張抗張強(qiáng)度才高于對比漿。當(dāng)漿C的游離度為305 mL時，其紙張抗張指數(shù)為13.4 N·m/g，比對比漿降低10.5%。

圖4 紙張抗張強(qiáng)度的變化

2.6.3 撕裂強(qiáng)度

不同游離度的漿C及對比漿抄造紙張的撕裂強(qiáng)度變化如圖5所示。由圖5可知，隨著漿C游離度的不斷降低，紙張撕裂指數(shù)先升高后降低，當(dāng)漿C游離度達(dá)到295 mL時，撕裂指數(shù)達(dá)到最大值；當(dāng)漿C游離度低于295 mL時，撕裂指數(shù)開始下降。這是由于影響撕裂強(qiáng)度的主要因素是纖維平均長度，其次是纖維與纖維結(jié)合的數(shù)目和結(jié)合的強(qiáng)度，撕裂過程所需要的力一是把纖維拉脫所需的力，二是撕斷纖維所需的力[6]。磨漿的前期，組成漿C的漿B在高濃磨作用下纖維分絲帚化作用明顯，纖維長、細(xì)、柔軟，纖維間結(jié)合面積大，摩擦阻力較大，拉脫時所需的力也較大，參與拉脫和撕斷的纖維也較多，所以撕裂強(qiáng)度提高。隨著纖維長度的不斷降低，纖維之間的結(jié)合足以抵抗拉脫力，撕裂過程不是將纖維拉脫而是撕斷纖維，這種情況會將撕力集中到較小的面積上，從而使撕裂強(qiáng)度降低。從圖5中還可以看出，當(dāng)漿C游離度達(dá)到305 mL和295 mL時，漿C的撕裂強(qiáng)度均高于對比漿，當(dāng)漿C的游離度為305 mL時，成紙撕裂指數(shù)為2.12 mN·m2/g，較對比漿提高了1.7%。

圖5 成紙撕裂強(qiáng)度的變化

2.6.4 內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度

不同游離度的漿C及對比漿抄造紙張的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度變化如圖6所示。由圖6可知，隨著漿C游離度的不斷下降，紙張內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度不斷升高。當(dāng)漿C游離度從400 mL降到305 mL時，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度上升曲線較為平緩，上升了7.5%；而漿C游離度從305 mL降到245 mL時，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度上升較快，上升了23.6%。這是由于組成漿C的漿B磨至較高游離度時，雖然單根纖維剝離出來會增大纖維間的結(jié)合面積和氫鍵結(jié)合，但是將漿B磨至較低游離度時大量纖維分絲帚化，纖維的細(xì)纖維化程度急劇增大，纖維間結(jié)合面積和氫鍵結(jié)合急劇增大，所以內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度增加速度加快。從圖6中還可以看出，只有漿C的游離度達(dá)到245 mL時，漿C的成紙內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度才高于對比漿，當(dāng)漿C的游離度為305 mL時，其成紙內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為43.6 J/m2，較對比漿降低16.8%。

圖6 紙張內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的變化

3 結(jié) 論

3.1 利用選擇性磨漿，可以降低化機(jī)漿生產(chǎn)過程的磨漿能耗。在與對比漿游離度基本一致的情況下，對出一段高濃磨半成品化機(jī)漿中的纖維束實(shí)施選擇性磨漿，當(dāng)纖維束磨漿至170 mL(漿B)時，即漿C游離度為305 mL時，二段磨漿能耗降低約13.1%，成紙松厚度提高11.6%，撕裂指數(shù)升高1.7%，但抗張指數(shù)降低10.5%，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度降低16.8%。

3.2 纖維束的選擇性磨漿，可以通過控制纖維束磨漿后的特性，調(diào)整化機(jī)漿成紙性能。

[1] LIU Yan-cheng. The Application and Trend of Chemical-mechanical Pulp[J]. Transactions of China Pulp and Paper, 2011, 26(1): 60. 劉彥成. 化機(jī)漿的應(yīng)用和發(fā)展趨勢[J]. 中國造紙學(xué)報, 2011, 26(1): 60.

[2] LIU Bing-yue. The Development and Current Status of Energy Consumption of China’s Pulp & Paper Industry[J]. China Pulp & Paper, 2010, 29(10): 64. 劉秉鉞. 我國造紙工業(yè)能耗的發(fā)展變化與現(xiàn)狀分析[J]. 中國造紙, 2010, 29(10): 64.

[3] Hart P, Waite D. Refining energy reduction and pulp characteristic modification of alkaline peroxide mechanical pulp(APMP) through enzymatic application[C]//Tappi Engineering Conference, Portland, 2008.

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(責(zé)任編輯：董鳳霞)

Optimization of P-RC APMP Process by Selective Refining

ZHANG Mei-yun1QI Shu-tian1,*WANG Jian1LI Wang-fang2

(1.ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi′an,ShaanxiProvince, 710021;2.VoithPaper(China)Co.,Ltd.,Kunshan,JiangsuProvince, 215300)

The pulp at first stage refining was divided into shives and pulp A with the use of shives screens, the shives were refined to the pulp B with different freeness, then the pulp B was backfilled into pulp A in proportion, the effects of selective refining on the paper properties and energy consumption of refining were analyzed. The results showed that: selective refining could reduce the energy consumption of refining. On basis of the freeness of the resultant pulp was the same as with the self-finished pulp, when the freeness of pulp B reached to 170 mL, the freeness of pulp C is 305 mL, energy consumption of refining decreased by 13.1%, paper bulk and tear index increased by 11.6% and 1.7%, while the tensile strength and internal bonding strength decreased by 10.5% and 16.8%. The selective refining of shives could adjust the paper properties by controlling the shives refining characteristic.

shives; energy consumption; bulk

張美云女士，博士，教授；主要研究方向：高性能加工紙，特種紙原理與技術(shù)。

2013- 08- 28(修改稿)

國家自然科學(xué)基金(項目編號：31070527)；陜西科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項目。

TS743+.3

A

0254- 508X(2014)02- 0001- 05

*通信作者：齊書田先生，E-mail:qishutian42210@163.com。