不同打漿設(shè)備對(duì)漂白針葉木漿纖維細(xì)纖維化程度的影響

徐永建， 王家泳, 閆　瑛

(1.陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安　710021; 2.河南中煙工業(yè)公司， 河南 鄭州　410100)

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不同打漿設(shè)備對(duì)漂白針葉木漿纖維細(xì)纖維化程度的影響

徐永建1， 王家泳1, 閆瑛2

(1.陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安710021; 2.河南中煙工業(yè)公司， 河南 鄭州410100)

摘要：以漂白針葉木硫酸鹽漿作為原料，通過(guò)不同的打漿設(shè)備進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)比不同處理方式對(duì)纖維各項(xiàng)性能的影響，研究了打漿預(yù)處理對(duì)漂白針葉木纖維細(xì)纖維化程度的影響.結(jié)果表明，與槽式打漿處理相比，纖維經(jīng)PFI預(yù)處理后保水值增加了7.8%，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度增加了31.3%，纖維單點(diǎn)比表面積增加了12.3%，平均比表面積增加了12.7%.由此可知，PFI打漿預(yù)處理較槽式打漿方式更有利于纖維細(xì)纖維化，并提高了纖維的吸收性.

關(guān)鍵詞：打漿預(yù)處理； 細(xì)纖維化； 比表面積; 保水值

0引言

打漿是利用機(jī)械作用處理紙漿纖維，使纖維受到剪切力，改變纖維形態(tài)，從而滿(mǎn)足后期產(chǎn)品對(duì)紙漿纖維的性能要求.打漿方法主要分為游離打漿和粘狀打漿.通常在打漿的過(guò)程中纖維受到外力的機(jī)械作用會(huì)產(chǎn)生縱向分裂，表面分離出細(xì)小纖維，纖維兩端帚化起毛，出現(xiàn)細(xì)纖維化現(xiàn)象.

在打漿的過(guò)程中，纖維除了受到外力機(jī)械作用的擠壓、剪切等作用，同時(shí)纖維也會(huì)發(fā)生吸水潤(rùn)脹，使得纖維初生壁、次生壁等之間產(chǎn)生位移，而纖維表面也會(huì)出現(xiàn)分絲帚化，分離出大量細(xì)小纖維，發(fā)生細(xì)纖維化.

本論文擬將漂白針葉木硫酸鹽漿作為原料，研究不同的打漿設(shè)備對(duì)纖維的作用效果，通過(guò)纖維的各項(xiàng)性能變化來(lái)研究纖維的細(xì)纖維化程度，從而探討出一種更為合適的預(yù)處理方式，來(lái)輔助提高紙漿纖維的吸收性能.

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1　原料

進(jìn)口漂白針葉木硫酸鹽漿板(智利銀星,水分5%,白度89.6,打漿度15 °SR).

1.2　儀器與設(shè)備

纖維質(zhì)量分析儀，Morfi Compact，法國(guó) Techpap；紙樣抄取器，ZQJl-B型，西北輕工業(yè)學(xué)院機(jī)械廠(chǎng)；多媒體顯微鏡,DMB5-223IPL-5型，麥克奧迪實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司；離心機(jī)，LD4-2A型，最大離心力2 800 g，最高離心轉(zhuǎn)數(shù)4 000 r·min-1；內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度儀，NO.2085-D型，日本；掃描電子顯微鏡，SNE-3000M型；比表面積分析儀，Gemini VII2390型.

1.3　實(shí)驗(yàn)方法

采用槽式打漿機(jī)對(duì)纖維進(jìn)行機(jī)械預(yù)處理，處理濃度為2%，每隔10 min取樣測(cè)定打漿度，直至打漿度為24 °SR，取樣待用．PFI預(yù)處理，濃度為30%，取樣測(cè)定紙漿打漿度，選取與槽式打漿方式下同一打漿度水平的漿樣待用.

1.4　測(cè)試方法

1.4.1纖維形貌觀(guān)察

將纖維浸泡2 h，使纖維充分的吸水潤(rùn)脹，而后將纖維制成玻片，在顯微鏡下觀(guān)察纖維的形態(tài)，同時(shí)通過(guò)顯微鏡自帶的標(biāo)記及測(cè)量軟件來(lái)測(cè)量纖維直徑，并通過(guò)公式(1)來(lái)計(jì)算[1]纖維的潤(rùn)脹比γ.

(1)

式(1)中:Dswelling、Ddried分別為潤(rùn)脹前與潤(rùn)脹后纖維(絕干)的直徑.

1.4.2SEM分析

絕干纖維原料經(jīng)噴金處理后，采用SEM進(jìn)行觀(guān)察，采用二次電子成像模式，加速電壓為3.0 kV.

1.4.3比表面積測(cè)定

采用BET分別測(cè)定不同處理方式下纖維的比表面積.測(cè)定條件:在氮?dú)猸h(huán)境，150 ℃下吹掃90 min，以徹底清潔樣品表面; 再在30 ℃下用氮?dú)馕剑瑴y(cè)定樣品的比表面積.

1.4.4纖維形態(tài)分析

稱(chēng)取0. 3 g絕干纖維，與200 mL去離子水混合置于攪拌器中，在1 000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速下疏解10 min，然后將纖維懸浮液轉(zhuǎn)入測(cè)量容器中并稀釋至1 000 mL，采用Morfi Compact進(jìn)行分析觀(guān)測(cè)，測(cè)定5 000根以上纖維，從而得出纖維的質(zhì)均長(zhǎng)度、寬度、彎曲指數(shù)、扭結(jié)指數(shù)和細(xì)小纖維含量等參數(shù).

1.4.5其他性能檢測(cè)

內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[2],保水值(WRV)的測(cè)定參照文獻(xiàn)[3]所述方法.

2結(jié)果與討論

在打漿的過(guò)程中，纖維會(huì)出現(xiàn)細(xì)纖維化現(xiàn)象.已有的研究中[4]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，纖維外部細(xì)纖維化能夠提高纖維間結(jié)合力，內(nèi)部細(xì)纖維化能夠改善纖維的吸收性能.本論文通過(guò)研究不同的機(jī)械設(shè)備預(yù)處理后，纖維外部及內(nèi)部細(xì)纖維化程度的變化，來(lái)為優(yōu)化紙漿生產(chǎn)工藝提供理論基礎(chǔ).

2.1　不同打漿方式對(duì)纖維長(zhǎng)度的影響

經(jīng)過(guò)不同打漿方式處理之后，纖維的長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化，處理方式不同，對(duì)纖維的切斷程度不一樣，且纖維細(xì)纖維化程度不同，細(xì)小纖維含量也會(huì)發(fā)生變化.因此，研究纖維的長(zhǎng)度變化，長(zhǎng)纖維與細(xì)小纖維組分的變化，能夠在一定程度上反應(yīng)纖維的細(xì)纖維化程度.

紙漿纖維經(jīng)不同打漿方式處理后，纖維長(zhǎng)度分布如圖1所示.由圖1可以看出，經(jīng)過(guò)機(jī)械處理的纖維長(zhǎng)度均發(fā)生了變化，與文獻(xiàn)[5]報(bào)道一致.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)處理的原漿中，纖維長(zhǎng)度在0.2~1.0 mm之間分布較少，在1.0~2.0 mm之間分布較多；原漿經(jīng)槽式打漿處理后，漿料中細(xì)小纖維含量明顯增加，與原漿相比，經(jīng)過(guò)槽式打漿處理后，長(zhǎng)度在0.2~1.0 mm的纖維含量從28.5%增加到45.3%，1.0~2.0 mm的纖維數(shù)量基本無(wú)變化，2.0 mm以上的纖維數(shù)量則減少了49.5%；經(jīng)PFI磨漿處理后，與原漿相比，纖維長(zhǎng)度在0.2~1.0 mm的含量從28.5%增加到36.1%，但較槽式打漿處理增幅小，1.0~2.0 mm纖維數(shù)量基本無(wú)變化，2.0 mm以上纖維數(shù)量與原漿相比減少22.3%.

圖1　不同打漿方式處理后纖維長(zhǎng)度的變化

打漿方式主要分為兩種，游離狀打漿與粘狀打漿.槽式打漿處理方式屬于游離狀打漿，打漿速度快，對(duì)纖維的切斷作用較強(qiáng)，因此在打漿處理后2.0 mm以上的長(zhǎng)纖維損失較明顯；PFI處理屬于高濃粘狀打漿，纖維以潤(rùn)脹、細(xì)纖維化作用為主，部分纖維會(huì)纏繞成團(tuán)狀[6]，纖維間的摩擦較強(qiáng)，其主要作用是縱向分裂纖維使之產(chǎn)生細(xì)纖維化，因此纖維長(zhǎng)度損失較小[7,8].

從圖1中也可以看出2.0 mm以上的纖維較槽式打漿處理后的纖維損失少，其主要作用是纖維的細(xì)纖維化；同時(shí)，三種漿樣的纖維長(zhǎng)度在1.0~2.0 mm范圍內(nèi)基本一致，這是由于在打漿度較低時(shí)，同等的潤(rùn)脹程度下，長(zhǎng)纖維的卷曲程度較大，因而機(jī)械預(yù)處理對(duì)2.0 mm以上的長(zhǎng)纖維作用會(huì)比較明顯；至于1.0~2.0 mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)的纖維，打漿的時(shí)間較短，漿料進(jìn)入磨區(qū)的初期是以松散的纖維團(tuán)纏繞存在的[9]，故纖維切斷作用較小，纖維長(zhǎng)度變化不明顯.而打漿后產(chǎn)生的二次細(xì)小纖維[10]的變化與相關(guān)文獻(xiàn)[5,11] 結(jié)論一致，經(jīng)打(磨)漿后，有大量的細(xì)小纖維產(chǎn)生，而細(xì)小纖維含量原漿纖維

2.2　不同打漿方式下的纖維形貌

有文獻(xiàn)[12]提到，當(dāng)打漿度為25 °SR時(shí)，經(jīng)槽式打漿處理和PFI磨漿處理后的纖維表面均會(huì)出現(xiàn)起毛、分絲帚化，且有細(xì)小纖維產(chǎn)生.這里對(duì)三種形態(tài)的纖維微觀(guān)形貌進(jìn)行了觀(guān)察.

(a)原漿(×1 000)

(b) 槽式(×1 000)

(c)PFI(×1000)圖2　未處理和PFI、槽式打漿機(jī)處理后纖維的SEM圖像

圖2為不同打漿方式處理后纖維的微觀(guān)形貌，未經(jīng)處理的原漿纖維沒(méi)有受到機(jī)械的擠壓、摩擦作用，保留了完好的纖維形態(tài)，單根纖維束完整且表面光滑，少量的溝壑紋路均清晰可見(jiàn)；與原漿相比，經(jīng)過(guò)機(jī)械處理后，纖維表面均有破裂和起毛現(xiàn)象出現(xiàn)，且有細(xì)小纖維產(chǎn)生，表現(xiàn)出了不同程度的細(xì)纖維化，這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)打(磨)漿預(yù)處理后，在吸水潤(rùn)脹與外力的雙重作用下，纖維產(chǎn)生吸水潤(rùn)脹，初生壁、次生壁發(fā)生破裂，產(chǎn)生細(xì)小纖維碎片，纖維表面發(fā)生分絲帚化.

圖2為1 000倍的放大倍數(shù)下三種纖維的形貌，經(jīng)過(guò)槽式打漿處理后的纖維與原漿纖維相比，可以看到明顯的表面分絲帚化，纖維束破裂，有碎片纖維產(chǎn)生，纖維表面明顯起毛；而經(jīng)過(guò)PFI磨漿處理后的纖維，并無(wú)明顯的表面分絲帚化，但可以看到明顯的纖維束破裂，纖維表面的初生壁甚至次生壁的破裂，從分離出的纖維上可以看到少量的起毛.

表1為纖維的潤(rùn)脹比，未經(jīng)處理的原漿纖維的潤(rùn)脹程度并不大，而經(jīng)過(guò)機(jī)械預(yù)處理后的纖維明顯潤(rùn)脹程度較大.槽式打漿纖維，從其SEM微細(xì)結(jié)構(gòu)可以看出，槽式打漿纖維已經(jīng)出現(xiàn)了細(xì)纖維化，纖維表面有大量羽化纖維出現(xiàn)，被打斷或破裂的纖維末端會(huì)暴露出了更多的羥基，同時(shí)還有隨著纖維吸水潤(rùn)脹產(chǎn)生的內(nèi)部細(xì)纖維化所帶來(lái)的羥基，二者同時(shí)作用使得纖維在吸水潤(rùn)脹后直徑變得很大；而PFI磨漿纖維，我們已經(jīng)知道該纖維有破裂碎片產(chǎn)生，纖維表面無(wú)明顯外部細(xì)纖維化，但其潤(rùn)脹比遠(yuǎn)高于原漿纖維，甚至高于槽式打漿纖維，這說(shuō)明PFI磨漿纖維在磨漿初期的縱向分裂作用下產(chǎn)生了較大程度的內(nèi)部細(xì)纖維化，這才導(dǎo)致了纖維潤(rùn)脹后有較大的直徑和潤(rùn)脹比.

表1　不同纖維的潤(rùn)脹比

2.3　不同打漿處理方式對(duì)纖維比表面積的影響

經(jīng)過(guò)不同的打漿預(yù)處理后，不論是機(jī)械的擠壓、切斷，還是纖維吸水潤(rùn)脹引起的纖維內(nèi)部的位移、摩擦作用，都會(huì)使纖維發(fā)生不同程度的細(xì)纖維化.在槽式打漿的過(guò)程中，纖維的切斷作用比較明顯，會(huì)有大量的細(xì)小纖維和碎片產(chǎn)生，之前也有提到纖維表面有出現(xiàn)剝離，纖維的比表面積必然發(fā)生變化；PFI磨漿主要是利用纖維之間的摩擦力作用，而本論文中采用的是高濃打漿，纖維之間的縱向分裂作用更強(qiáng)烈，擠壓、揉搓、扭曲等的作用更大，纖維之間的摩擦震動(dòng)作用使得纖維內(nèi)部發(fā)生了較大的變化，磨漿會(huì)產(chǎn)生的比表面積較大的細(xì)小纖維[13]，因此纖維的比表面積也一定有變化.

表2中的數(shù)據(jù)充分說(shuō)明了經(jīng)過(guò)機(jī)械預(yù)處理后纖維的比表面積均發(fā)生了變化.與原漿纖維相比，經(jīng)槽式打漿處理后的纖維，單點(diǎn)比表面積增加了1.28倍，平均比表面積增加了1.19倍；經(jīng)PFI預(yù)處理的纖維，單點(diǎn)比表面積增加了1.56倍，平均比表面積增加了1.47倍；較槽式打漿預(yù)處理，PFI預(yù)處理后纖維單點(diǎn)比表面積增加了12.3%、平均比表面積增加了 12.7%.

表2　不同打漿方式處理后纖維比表面積的變化

結(jié)合之前對(duì)纖維的形貌觀(guān)察分析，槽式打漿纖維表面已出現(xiàn)明顯的分絲帚化，且有碎片纖維產(chǎn)生，再加上纖維的內(nèi)部細(xì)纖維化，三者同時(shí)使得纖維的比表面積發(fā)生了較大的變化；而對(duì)于PFI磨漿纖維比表面積的增加，雖然從其SEM圖中可以看到，纖維表面出現(xiàn)了破裂，且有少量細(xì)小纖維產(chǎn)生，但并不足以使得纖維的比表面積有如此大的變化，因而這一變化就與纖維的內(nèi)部細(xì)纖維化有關(guān)系，纖維的吸水潤(rùn)脹作用，會(huì)使得纖維之間的內(nèi)聚力減小，次生壁的層與層之間產(chǎn)生滑動(dòng)，纖維變得柔軟，內(nèi)部結(jié)構(gòu)松弛，增加了纖維的比表面積，同時(shí)暴露出更多的游離羥基，使得纖維內(nèi)部纖維化程度增加.

2.4　不同打漿方式對(duì)纖維各項(xiàng)性能的影響

實(shí)驗(yàn)室分別測(cè)定了植物纖維原料經(jīng)槽式打漿及PFI磨漿后纖維的強(qiáng)度、吸收性能指標(biāo)，包括內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、保水值.

從圖3和4中可以看出，經(jīng)機(jī)械預(yù)處理后，纖維保水值出現(xiàn)了明顯增加，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度也同樣發(fā)生了改變.與原漿相比，經(jīng)槽式打漿預(yù)處理后的纖維保水值增加了1.26倍，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度增加了0.99倍；經(jīng)PFI預(yù)處理后纖維保水值增加了1.44倍，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度增加了1.62倍；與槽式打漿預(yù)處理方式相比，經(jīng)PFI打漿處理后纖維保水值增加了7.8%，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度增加 31.3%.

圖3　不同打漿方式對(duì)纖維保水值的影響

圖4　不同打漿方式對(duì)纖維內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響

綜合之前實(shí)驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)槽式打漿預(yù)處理后的纖維，產(chǎn)生了較多比表面積較大的細(xì)小纖維，且纖維的細(xì)纖維化較明顯，纖維的分絲帚化會(huì)使得成紙中纖維間的結(jié)合力增大，同時(shí)由于比表面積的增加，也會(huì)產(chǎn)生更多的游離羥基，從而使得纖維的保水值增加；而不同于游離狀打漿，本論文中的PFI高濃粘狀打漿，在磨漿的過(guò)程中，主要是借助纖維之間的震動(dòng)傳遞能量，纖維的縱向分裂作用較大，從而引起纖維的初生壁和次生壁快速破裂、脫落，次生壁的層與層之間產(chǎn)生滑動(dòng)，有利于纖維內(nèi)部細(xì)纖維化的進(jìn)行[14].

而不同處理方式相比，在同等條件下，表面細(xì)纖維化程度較低的PFI磨漿纖維的保水值高于槽式打漿纖維的保水值，而纖維的保水值主要取決于其內(nèi)部細(xì)纖維化程度，內(nèi)部細(xì)纖維化程度越高，則纖維內(nèi)部的空隙越大，因而保水值越高[15]，因此PFI磨漿纖維內(nèi)部細(xì)纖維化程度高于槽式打漿纖維的內(nèi)部細(xì)纖維化程度；同時(shí)PFI纖維的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度高于槽式打漿纖維，這可能是由于槽式打漿的過(guò)程中，纖維的切斷作用較大，使得纖維本身的強(qiáng)度減小了，而PFI磨漿的過(guò)程中纖維自身強(qiáng)度變化較小，因而內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度較大.

綜上所述，就纖維的長(zhǎng)度變化比較而言，槽式打漿纖維產(chǎn)生了較多細(xì)小纖維，說(shuō)明其纖維表面破損較嚴(yán)重，外部細(xì)纖維化程度較大；而SEM圖與纖維的潤(rùn)脹比結(jié)合，PFI纖維的外部細(xì)纖維化程度較小，但其潤(rùn)脹程度較大，說(shuō)明了PFI纖維的內(nèi)部細(xì)纖維化程度較大；而纖維比表面積的變化與SEM結(jié)合，也可說(shuō)明PFI磨漿纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化較大，PFI磨漿纖維的內(nèi)部細(xì)纖維化程度高于槽式磨漿纖維；同樣保水值變化，與纖維的潤(rùn)脹變化結(jié)果一致，PFI磨漿纖維的保水值較大，而保水值主要是由纖維的內(nèi)部細(xì)纖維化決定，因此PFI磨漿纖維的內(nèi)部細(xì)纖維化程度較高；綜上可得，相比較槽式打漿方式，PFI預(yù)處理能夠更好的實(shí)現(xiàn)纖維的內(nèi)部細(xì)纖維化，賦予纖維較好的吸收性能，且外部細(xì)纖維化程度較小.

3結(jié)論

(1)相對(duì)與PFI預(yù)處理，槽式打漿預(yù)處理后的纖維長(zhǎng)度損失較大，產(chǎn)生的細(xì)小纖維較多，外部細(xì)纖維化程度較高.

(2)相對(duì)于槽式打漿預(yù)處理，PFI打漿預(yù)處理后的纖維比表面積較大，纖維潤(rùn)脹比較大，內(nèi)部細(xì)纖維化程度較高，纖維的吸收性能較好.

(3)PFI預(yù)處理能夠更好的實(shí)現(xiàn)纖維的內(nèi)部細(xì)纖維化，賦予纖維較好的吸收性能.

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Effects of different beating equipment on the degree

of bleached softwood kraft pulp fiber′s fibrosis

XU Yong-jian1， WANG Jia-yong1, YAN Ying2

(1.College of Light Industry and Energy， Shaanxi Province Key Laboratory of Papermaking Technology and Specialty Paper， Shaanxi University of Science & Technology， Xi′an 710021， China; 2.China Tobacco Henan Industrial Corporation, Zhengzhou 410100, China)

Abstract:Bleached softwood kraft pulp was used as raw material to study the influence of varied pretreatment of on fluff pulp fiber,by compareing the different beating equipment on the degree of pluff fiber fibrosis,which was delt with different ways of beating preprocessing.It turned out that, water retention value increased by 7.8%,internal bond strength increased by 31.3%,fiber single point of specific surface area increased by 12.3%,mean specific surface area increased by 12.7%,when compared with the fiber after groove beater beating pretreatment.PFI beating pretreatment showed a relative clear advantage on the realization of fiber fibrosis,as well as the improvement of fiber absorbent.

Key words:beating pretreatment; fibrillation； specific surface area； water-retention value

作者簡(jiǎn)介:徐永建(1970-)，男，陜西西安人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：植物纖維資源高值化利用、清潔生產(chǎn)及堿回收除硅技術(shù)

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31170559)

*收稿日期:2015-08-28

中圖分類(lèi)號(hào)：TS752

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

*文章編號(hào)：1000-5811(2015)06-0010-05