紙漿的超聲波打漿成效

于 群 蘭曉琳 劉文波

(東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱，150040)

·超聲波打漿·

紙漿的超聲波打漿成效

于 群 蘭曉琳 劉文波*

(東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱，150040)

以漂白硫酸鹽針葉木漿(SBKP)為原料,采用機(jī)械法、超聲波法、機(jī)械-超聲波法分別對(duì)其進(jìn)行打漿，通過對(duì)比打漿后的纖維性能指標(biāo)分析打漿成效。結(jié)果表明,機(jī)械法打漿打漿度上升迅速,打漿至75°SR時(shí),濕重由12.9 g下降至2.48 g、纖維平均長(zhǎng)度由2.290 mm下降至0.862 mm,長(zhǎng)纖維勻整度下降了59.6個(gè)百分點(diǎn)、短纖維勻整度提升了25.0個(gè)百分點(diǎn)，細(xì)小纖維含量增加了6.4個(gè)百分點(diǎn)；超聲波法打漿打漿度上升緩慢,打漿至49°SR時(shí),濕重11.08 g,纖維平均長(zhǎng)度、纖維勻整度幾乎沒有變化,細(xì)小纖維含量減少0.4個(gè)百分點(diǎn)；機(jī)械-超聲波法打漿至75°SR時(shí),濕重6.16 g、纖維平均長(zhǎng)度1.098 mm,長(zhǎng)纖維勻整度下降了46.6個(gè)百分點(diǎn)、短纖維勻整度提升了16.5個(gè)百分點(diǎn)和細(xì)小纖維含量增加了3.7個(gè)百分點(diǎn)。同時(shí),機(jī)械-超聲波法打漿的零距抗張強(qiáng)度及抗張強(qiáng)度最高,機(jī)械法次之,超聲波法最小。由此說明,機(jī)械法打漿度提高快,纖維切斷和破碎嚴(yán)重；超聲波法對(duì)纖維潤(rùn)脹、細(xì)纖維化有一定的效果,纖維切斷和破碎較少；機(jī)械-超聲波法能夠保證纖維潤(rùn)脹、分絲和微纖化,并較好地保持了纖維長(zhǎng)度。

針葉木漿；機(jī)械；超聲波；打漿

纖維素是一種極為豐富的可再生資源,存在于植物資源中,目前主要是應(yīng)用于造紙、生產(chǎn)農(nóng)作物產(chǎn)品和建筑原料等方面[1]。隨著社會(huì)的飛速發(fā)展,人們對(duì)紙張種類、質(zhì)量、性能以及數(shù)量的需求也逐漸增加,如何更好地利用纖維素纖維抄造高性能、高質(zhì)量的紙張是一項(xiàng)重要的課題。在紙張抄造之前,通過打漿改變纖維的形態(tài)和強(qiáng)度等指標(biāo),從而賦予紙張不同的性能，因此可以說“紙是打漿打出來的”。

傳統(tǒng)機(jī)械打漿在達(dá)到打漿目的的同時(shí),纖維也會(huì)被較嚴(yán)重的切斷,產(chǎn)生碎片。基于超聲波的特性及植物纖維的天然結(jié)構(gòu),研究出超聲波打漿的方法[2]。超聲波高壓釋放產(chǎn)生的沖擊波或形成的交變壓力作用于纖維時(shí),會(huì)導(dǎo)致纖維微晶位錯(cuò)、比表面積增加、結(jié)晶度下降、無定形區(qū)增大以及纖維表面微觀滑移,進(jìn)而細(xì)纖維化,達(dá)到打漿的目的[3- 4]。目前關(guān)于采用超聲波打漿研究中，項(xiàng)秀東等人[5]利用超聲處理制備了竹漿微纖化纖維素；王玉瓏等人[6]應(yīng)用超聲波探測(cè)可以快速準(zhǔn)確地分析液體與紙張相互作用的動(dòng)態(tài)過程,分析纖維的潤(rùn)脹、吸收,H—H鍵的斷裂及紙張中組分的破壞等變化過程,同時(shí)提供了一種新式的精確測(cè)量紙張施膠度的方法；趙志明等人[7]對(duì)紙漿進(jìn)行超聲波-化學(xué)試劑改性處理,利用改性纖維抄造高透氣性能濾紙。

本研究采用機(jī)械法、超聲波法、機(jī)械-超聲波法三種打漿方式對(duì)針葉木漿進(jìn)行打漿處理,比較三種不同打漿方式處理后，纖維打漿度、濕重、形態(tài)(纖維長(zhǎng)度、寬度、粗度、勻整度、扭曲度、細(xì)小纖維含量)以及纖維自身強(qiáng)度和結(jié)合力等指標(biāo),以明確超聲波打漿或機(jī)械-超聲波法打漿的作用及效果,為紙漿的打漿處理方法提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

原料：漂白硫酸鹽針葉木漿(SBKP)，打漿度15°SR，濕重12.90 g,牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司提供。

1.2 設(shè)備與儀器

XPS-7C光學(xué)顯微鏡；JY98-ⅢDN超聲波細(xì)胞粉碎儀；ZQJ1-B-Ⅱ紙樣抄取器；ZQYC-Φ200油壓機(jī)；73-17快速干燥器(Labtech公司)；Z-SPAN-1000零距抗張強(qiáng)度測(cè)定儀；ZL-300A紙與紙張抗張強(qiáng)度測(cè)定儀；槽式打漿機(jī)；打漿度測(cè)定儀；Quanta-200掃描電子顯微鏡；L&W纖維分析儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 漿料準(zhǔn)備

取一定量SBKP漿板，撕碎后放于水中浸泡24 h,使纖維充分分散,為后續(xù)打漿處理做準(zhǔn)備。

1.3.2 打漿處理

(1)機(jī)械法打漿

將浸泡24 h后的紙漿以1.8%的漿濃在槽式打漿機(jī)中疏解15 min,然后盡量保持低壓打漿,以減少纖維切斷,控制打漿時(shí)間,使打漿度不斷提升,按照一定梯度范圍,分別打出不同打漿度的紙漿。甩干,平衡24 h后測(cè)量水分。

(2)超聲波打漿

將浸泡24 h后的紙漿以2%的漿濃用超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)進(jìn)行打漿處理,超聲波強(qiáng)度設(shè)定為功率600 W,儀器參數(shù)設(shè)定為工作1 s,間歇1 s。經(jīng)過不同時(shí)間的超聲波處理使打漿度不斷提升,獲得不同打漿度的紙漿。甩干,平衡24 h后測(cè)量水分。

(3)機(jī)械-超聲波法打漿

對(duì)有一定機(jī)械打漿度的紙漿進(jìn)行超聲波疊加打漿,使其打漿度進(jìn)一步提高。

1.3.3 手抄片抄造

將不同打漿方式處理后的紙漿分散均勻后,在紙樣抄取器上抄取定量為80 g/m2的手抄片,以壓力0.5 kPa壓榨5 min,然后干燥,備用。

1.3.4 分析與評(píng)價(jià)方法

(1)纖維性能分析

①打漿度、濕重：采用ISO5267/1紙漿——濾水性能的測(cè)定第一部分:肖伯爾—瑞格勒法及GB/T3332—2004漿料打漿度的測(cè)定法進(jìn)行測(cè)定。

②纖維分析：采用纖維分析儀進(jìn)行纖維長(zhǎng)度、寬度、粗度、勻整度、扭曲度及細(xì)小纖維含量等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和分析。

③實(shí)驗(yàn)過程中采用光學(xué)顯微鏡隨時(shí)對(duì)纖維形態(tài)進(jìn)行觀察,并選取有代表性纖維進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)分析。

(2)漿張性能檢測(cè)

①抗張強(qiáng)度：采用GB/T 12914—2008紙和紙板抗張強(qiáng)度的測(cè)定—恒速拉伸法測(cè)定。

②零距抗張強(qiáng)度：采用GB/T 26460—2011紙漿 零距抗張強(qiáng)度的測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同打漿方式下的纖維形態(tài)變化

2.1.1 機(jī)械法打漿

實(shí)驗(yàn)采用機(jī)械法打漿處理紙漿,其打漿度及濕重變化見表1,取32°SR、56°SR、75°SR共3個(gè)打漿度的紙漿對(duì)其進(jìn)行纖維分析和SEM纖維形態(tài)觀察,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2及圖1。

表1 機(jī)械法打漿的紙漿打漿度及濕重

注 原漿打漿度15°SR,纖維濕重12.90 g。

表2 機(jī)械法打漿的纖維分析結(jié)果

圖1 機(jī)械法打漿的纖維SEM圖

打漿度/°SR纖維平均長(zhǎng)度/mm纖維平均寬度/μm勻整度/%0.001～0.50mm0.50～1.50mm1.50～7.50mm纖維粗度/mg·m-1纖維扭曲度/%細(xì)小纖維含量/%152.29029.57.819.372.90.15521.53.5192.31230.27.419.773.00.16519.33.0242.31830.07.219.973.00.16019.33.0492.22830.48.421.270.50.16818.63.1

由表1和表2可以看出,隨著機(jī)械法打漿的進(jìn)行,紙漿打漿度不斷上升,打漿度到75°SR時(shí)，纖維濕重由原漿的12.90 g下降至2.48 g,纖維平均長(zhǎng)度由2.290 mm下降至0.862 mm,1.50 mm以上長(zhǎng)纖維勻整度由72.9%下降至13.3%,下降了59.6個(gè)百分點(diǎn)；0.50 mm以下短纖維勻整度由7.8%提升至32.8%,提升了25.0個(gè)百分點(diǎn)；細(xì)小纖維含量由3.5%提升至9.9%,提升了6.4個(gè)百分點(diǎn)。結(jié)合打漿過程中的SEM纖維形態(tài)分析(見圖1)可以推斷,機(jī)械法打漿對(duì)纖維有較好的非S2層結(jié)構(gòu)的破除作用,使纖維潤(rùn)脹和微纖維化,但是對(duì)纖維的切斷和破碎明顯,產(chǎn)生大量的纖維碎片和細(xì)小纖維。

2.1.2 超聲波法打漿

實(shí)驗(yàn)采用超聲波法打漿處理紙漿,其打漿度及濕重變化見表3,取19°SR、24SR°、49°SR共3個(gè)打漿度的紙漿纖維對(duì)其進(jìn)行纖維分析和SEM纖維形態(tài)觀察,結(jié)果見表4及圖2。

由表3和表4可以看出,隨著超聲波打漿的進(jìn)行,紙漿打漿度提高,纖維濕重先降低然后升高，纖維平均長(zhǎng)度變化很小、1.50 mm以下纖維勻整度稍有增加、1.50 mm以上纖維勻整度稍有下降,細(xì)小纖維

表3 超聲波法打漿的紙漿打漿度及濕重

注 原漿打漿度15°SR,纖維濕重12.90 g。

圖2 超聲波法打漿的纖維SEM圖

打漿度/°SR纖維平均長(zhǎng)度/mm纖維平均寬度/μm勻整度/%0.001～0.50mm0.50～1.50mm1.50～7.50mm纖維粗度/mg·m-1纖維扭曲度/%細(xì)小纖維含量/%15(原漿)2.29029.57.819.372.90.15521.53.5311.84830.412.829.957.30.15714.74.7541.57130.215.937.846.30.16613.14.9751.09830.624.349.526.30.15412.77.2

圖3 機(jī)械-超聲波法打漿的纖維SEM圖

含量由3.5%下降至3.1%，下降了0.4個(gè)百分點(diǎn)。結(jié)合打漿過程中的SEM纖維形態(tài)分析(見圖2)可以推斷,超聲波打漿對(duì)纖維主要起到潤(rùn)脹作用,纖維破碎很少,后期有較好的帚化效果,不過后期也出現(xiàn)纖維纏繞情況,致使纖維濕重增加顯著、細(xì)小纖維含量反而降低。

表5 機(jī)械-超聲波打漿的紙漿打漿度及濕重

注 原漿纖維打漿度15°SR,纖維濕重12.90 g。

2.1.3 機(jī)械-超聲波法打漿纖維形態(tài)變化

實(shí)驗(yàn)按照1.3.2(3)的打漿方法,對(duì)進(jìn)行一定機(jī)械打漿的紙漿再進(jìn)行超聲波打漿,使其進(jìn)一步提升打漿度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5,取31°SR、54°SR、75°SR共3個(gè)打漿度的漿料進(jìn)行纖維分析和SEM纖維形態(tài)觀察,結(jié)果見表6及圖3。

由表5和表6可以看出,隨著機(jī)械-超聲波打漿的進(jìn)行,漿料打漿度不斷上升,打漿至75°SR時(shí)，纖維濕重最終為6.16 g,變化比較緩慢,纖維平均長(zhǎng)度由2.290 mm下降至1.098 mm,開始下降緩慢、后期下降顯著,長(zhǎng)纖維勻整度下降了46.6個(gè)百分點(diǎn)，短纖維勻整度提升了16.5個(gè)百分點(diǎn)，細(xì)小纖維含量增加了3.7個(gè)百分點(diǎn)；與表1對(duì)比分析,超聲波打漿纖維切斷和破碎較少,而使?jié)裰孛黠@提高(由機(jī)械法打漿的26°SR到機(jī)械-超聲波打漿的31°SR除外)；對(duì)比表2、表4和表6可以看出，纖維勻整度的下降、細(xì)小纖維含量的增加依然是機(jī)械法打漿所造成的,這些現(xiàn)象主要是由于后期是在機(jī)械法的高打漿度基礎(chǔ)上進(jìn)行超聲波打漿的,超聲波打漿對(duì)纖維切斷和破碎都沒有明顯影響。結(jié)合打漿過程中的SEM纖維形態(tài)觀察分析(見圖3)可以推斷,超聲波打漿能夠促進(jìn)纖維的潤(rùn)脹作用,沒有纖維破碎,提高了纖維帚化效果。

2.2 不同打漿方式對(duì)漿料性能的影響

2.2.1 不同打漿方式對(duì)抗張強(qiáng)度的影響

采用不同打漿方式處理的紙漿抄造手抄片,分析對(duì)比抗張強(qiáng)度,結(jié)果見圖4。

圖4 不同打漿方式對(duì)抗張強(qiáng)度的影響

由圖4可知，不同打漿方式下,隨著打漿度的提升,抗張強(qiáng)度不斷增加,在打漿度增大到一定程度后抗張強(qiáng)度降低。其原因?yàn)椋瑹o論何種打漿方式，打漿初期都是使纖維表面形態(tài)改變、初生壁和S1的破除,纖維潤(rùn)脹和分絲帚化,使其抗張強(qiáng)度提高。隨著打漿的進(jìn)行,不同方式作用效果不同,機(jī)械法打漿初生壁和S1的破除效果好、纖維分絲帚化效果也很好,致使抗張強(qiáng)度提高,但纖維切斷和產(chǎn)生細(xì)小纖維過多的現(xiàn)象明顯,達(dá)到一定打漿度后,纖維切斷的負(fù)面作用超越分絲帚化所帶來的結(jié)合強(qiáng)度的提高,最終表現(xiàn)為抗張強(qiáng)度下降；而單純超聲波打漿也有很好的打漿效果,只是打漿度很難提高,并且高打漿度下纖維纏繞,也不利于纖維分散,同時(shí)抗張強(qiáng)度也不是最好；機(jī)械-超聲波法打漿具有最好的打漿效果,其抗張強(qiáng)度最高,原因是機(jī)械法首先快速破除阻礙纖維潤(rùn)脹、分絲、帚化的初生壁和S1,然后超聲波法大幅度輸入能量促進(jìn)其潤(rùn)脹、分絲、帚化,又不破損纖維,使其打漿效果好,抗張強(qiáng)度高。

2.2.2 不同打漿方式對(duì)零距抗張強(qiáng)度的影響

采用不同打漿方式處理的紙漿抄造手抄片,分析對(duì)比其零距抗張強(qiáng)度,結(jié)果見圖5。

圖5 不同打漿方式對(duì)零距抗張強(qiáng)度的影響

由圖5可知，不同打漿方式下,隨著打漿度的提升,零距抗張強(qiáng)度均先增加后減小,最終表現(xiàn)為機(jī)械-超聲波法打漿零距抗張強(qiáng)度最高,機(jī)械法次之，超聲波法零距抗張強(qiáng)度最低。究其原因是纖維在打漿初期都是纖維長(zhǎng)度變化很小、纖維粗度增加、扭曲度下降,致使纖維發(fā)生潤(rùn)脹、韌性增強(qiáng),表現(xiàn)為纖維零距抗張強(qiáng)度增加；當(dāng)打漿到一定程度纖維有切斷和細(xì)纖維化現(xiàn)象,表現(xiàn)為零距抗張強(qiáng)度降低。

為進(jìn)一步驗(yàn)證超聲波打漿打漿成效,實(shí)驗(yàn)對(duì)機(jī)械法打漿至32°SR的漿料分別進(jìn)行超聲波工作時(shí)間為30 min、60 min、90 min的打漿,測(cè)試其打漿度、濕重及抗張強(qiáng)度和零距抗張強(qiáng)度,結(jié)果見表7。

表7 機(jī)械-超聲波法打漿的漿料性能

注 機(jī)械法打漿至32°SR,纖維濕重7.68 g,零距抗張指數(shù)139 N·m/g,抗張指數(shù)35.0 N·m/g。

由表7可知,紙漿進(jìn)行一定程度的機(jī)械法打漿,然后采用超聲波打漿,其纖維濕重先顯著增加,而后緩慢降低,而漿張抗張強(qiáng)度不斷緩慢提高,說明超聲波打漿打漿作用效果顯著；打漿過程中纖維破碎和切斷程度較小,零距抗張強(qiáng)度變化也是很小。結(jié)合前面的分析,可以說明機(jī)械-超聲波法是最好的打漿方式。

3 結(jié) 論

以漂白硫酸鹽針葉木漿(SBKP)為原料,采用機(jī)械法、超聲波法、機(jī)械-超聲波法分別對(duì)其進(jìn)行打漿。通過對(duì)比纖維性能指標(biāo),分析打漿成效。

(1)機(jī)械法打漿使纖維受到摩擦和剪切作用,纖維初生壁及次生壁外層部分破除,中層細(xì)纖維吸水潤(rùn)脹、分絲帚化。當(dāng)打漿至75°SR時(shí),濕重由12.90 g下降至2.48 g、平均長(zhǎng)度由2.290 mm下降至0.862 mm、長(zhǎng)纖維勻整度下降了59.6個(gè)百分點(diǎn)、短纖維勻整度提升了25.0個(gè)百分點(diǎn),細(xì)小纖維含量增加了6.4個(gè)百分點(diǎn)。所以機(jī)械法打漿度提高快,同時(shí)纖維切斷和破碎嚴(yán)重。

(2)紙漿纖維存在著孔隙、空洞,在超聲波產(chǎn)生的沖擊波作用下,在纖維原始缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變集中,發(fā)生疲勞裂紋的亞臨界擴(kuò)展,導(dǎo)致微晶位錯(cuò),比表面積增加,結(jié)晶度下降,無定形區(qū)增大。纖維表面也會(huì)發(fā)生微觀滑移,致使纖維吸收潤(rùn)脹,也有一定程度的細(xì)纖維化效果。超聲波法打漿度上升緩慢,打漿至49°SR時(shí),濕重11.08 g,平均長(zhǎng)度、纖維勻整度幾乎沒有變化,細(xì)小纖維含量減少0.4個(gè)百分點(diǎn),纖維切斷和破碎較少。

(3)機(jī)械-超聲波法打漿,是在一定機(jī)械法打漿的基礎(chǔ)上,也就是在纖維破碎很小的前提下,再利用超聲波打漿進(jìn)一步潤(rùn)脹、分絲和細(xì)纖維化；機(jī)械-超聲波法打漿至75°SR時(shí),濕重下降至6.16 g、平均長(zhǎng)度下降至1.098 mm、長(zhǎng)纖維勻整度下降了46.6個(gè)百分點(diǎn)、短纖維勻整度提升了16.5個(gè)百分點(diǎn),細(xì)小纖維含量增加了3.7個(gè)百分點(diǎn)。既保持了纖維長(zhǎng)度又有效地促進(jìn)了潤(rùn)脹和分絲帚化,表現(xiàn)出打漿后纖維的綜合性能最佳。

同時(shí),機(jī)械-超聲波法打漿的零距抗張強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度最高,機(jī)械法次之,超聲波法最小。由此說

明,機(jī)械-超聲波法是最佳打漿方式。

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(責(zé)任編輯：常 青)

Analysis of the Effect of Ultrasonic Beating on Pulp Fibers

YU Qun LAN Xiao-lin LIU Wen-bo*

(MaterialsScienceandEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin,HeilongjiangProvince, 150040)

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

Bleached kraft softwood pulp fibers were beaten by the ways of mechanical, ultrasonic and mechanical-ultrasonic. The beating degrees, wet weight, morphology, bonding strength and intrinsical strength of the fibers were measured to evaluate the effects of different beating processes. Results indicated that beating degree increased rapidly with mechanical beating. When beating to 75°SR, the wet weight dropped from 12.9 g to 2.48 g, the fiber average length decreased from 2.29 mm to 0.862 mm, the uniformity was decreased by 59.6 percentage points for long fibers and increased by 25 percentage points for short fibers, the content of fines increased by 6.4 percentage points. Beating degree with ultrasonic beating raised more slowly compared with mechanical besting. When beating to 49°SR, the wet weight was 11.08 g, fiber average length and uniformity were changed slightly, the content of fines were decreased by 0.4 percentage points. When beating to 75°SR by combining mechanical and ultrasonic processes, the wet weight dropped to 6.16 g, the fiber average length decreased to 1.098 mm, the uniformity decreased by 46.6 percentage points for long fibers and increased by 16.5 percentage points for short fibers, the content of fines increased by 3.7 percentage points. At the same time, the zero-span tensile strength and tensile strength were the best with mechanical-ultrasonic process, mechanical process was better than ultrasonic. All above indicated that the beating degree increased rapidly and accompanied seriously cutting with mechanical besting. Ultrasonic beating not only promoted swelling and fibrillation of the fibers, but also reduced fiber cutting and crush. Mechanical-ultrasonic beating was the best beating method, which promoted fiber swelling, fibrillation and maintained the length of fibers.

bleached kraft softwood pulp; mechanical; ultrasonic; beating

于 群女士，本科在讀；主要從事制漿造紙及特種紙方面的研究。

2016-12-09(修改稿)

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目 (201610225034)。

TS752

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.04.005

*通信作者：劉文波,教授；主要從事造紙工程及特種紙與其化學(xué)品研究和教學(xué)工作。