化學(xué)機(jī)械漿選擇性磨漿前纖維束預(yù)處理研究

黨 苗 王 建，2，*

(1.陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安，710021；2.陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室，陜西西安，710021)

化學(xué)機(jī)械漿選擇性磨漿前纖維束預(yù)處理研究

黨 苗1王 建1，2，*

(1.陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安，710021；2.陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室，陜西西安，710021)

對出一段高濃磨漿的化學(xué)機(jī)械漿粗漿進(jìn)行篩分以得到纖維束，并采用選擇性磨漿工藝對纖維束進(jìn)行磨漿，研究了纖維束的預(yù)處理對化學(xué)機(jī)械漿磨漿性能及成紙性能的影響。結(jié)果表明，在選擇性磨漿的基礎(chǔ)上對纖維束進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理能夠進(jìn)一步降低磨漿能耗，并且能夠使磨漿后纖維的完整性得到較好的保持，成紙松厚度較高。

化學(xué)機(jī)械漿；選擇性磨漿；纖維束；預(yù)處理；磨漿能耗

化學(xué)機(jī)械漿(以下簡稱“化機(jī)漿”)的得率一般在80%～90%范圍內(nèi)，是一種兼由化學(xué)和機(jī)械兩段處理使植物纖維相互分離的高得率漿種[1-3]，具有生產(chǎn)工藝簡潔、污染負(fù)荷輕、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，發(fā)展前景廣闊，但化機(jī)漿的磨漿能耗居高不下成為制約其發(fā)展的主要因素之一[4-5]。有資料顯示[6]，國產(chǎn)P-RC APMP熱能消耗量為1.324 GJ/t漿，電能消耗量為1830.02 kWh/t漿，按照等價值折合，總能耗為0.656 t標(biāo)煤/t漿；國產(chǎn)BCTMP熱能消耗量為0.283 GJ/t漿，電能消耗量為2180.92 kWh/t漿，按照等價值折合，總能耗為0.738 t標(biāo)煤/t漿。因此，化機(jī)漿的節(jié)能降耗成為化機(jī)漿制漿技術(shù)發(fā)展的一個熱點[7]。

近年來，為了降低化機(jī)漿制備過程的能耗，許多研究人員[8-16]在磨漿前或磨漿過程中對纖維進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理、酶預(yù)處理等，以期促進(jìn)纖維分離，降低磨漿能耗。王建等人[17-18]提出了化機(jī)漿選擇性磨漿的新方法，即木片經(jīng)過一段高濃磨漿后，利用篩選設(shè)備分離出纖維束，將所得的纖維束進(jìn)行二次磨漿，然后與篩選所得的良漿混合，形成化機(jī)漿產(chǎn)品。選擇性磨漿工藝的二段磨漿只針對一段磨漿后得到的纖維束進(jìn)行，有效地降低了常規(guī)生產(chǎn)工藝中二段磨漿的漿量，降低了化機(jī)漿的磨漿能耗。本研究針對篩選所得纖維束的磨漿性能及所制備化機(jī)漿的成紙性能進(jìn)行了研究，以期為該技術(shù)的進(jìn)一步實施提供理論依據(jù)。

1 實 驗

1.1原料與設(shè)備

1.1.1原料

出一段高濃磨漿的化機(jī)漿粗漿(采用APMP制漿工藝生產(chǎn)的楊木化機(jī)漿粗漿)，纖維束含量42%，山東某紙廠提供。

1.1.2儀器與設(shè)備

PFI磨漿機(jī)(DCS-041P，日本)；纖維束篩分儀(P4010.4，奧地利)；標(biāo)準(zhǔn)纖維疏解器(NO.SE003，瑞典L&W公司)；加拿大標(biāo)準(zhǔn)(CSF)游離度儀(2580-B，日本)；紙頁成形器(ZQJ1-B-II，陜西科技大學(xué)機(jī)械廠)；抗張強(qiáng)度測定儀(SE-062，瑞典L&W公司)；厚度測定儀(DC-HJY03，四川長江造紙儀器廠)。

1.2實驗方法

1.2.1選擇性磨漿工藝制備化機(jī)漿

取一定量出一段高濃磨漿的化機(jī)漿粗漿，疏解后用纖維束篩分儀分離纖維束，篩分所得良漿靜置沉降24 h后，去除上層清液，并利用200目雙層網(wǎng)回收漿料纖維，備用；對篩分所得的纖維束進(jìn)行預(yù)處理，然后利用PFI磨磨漿至一定游離度，回加至良漿中并混合均勻，制得化機(jī)漿。

1.2.2纖維束預(yù)處理

利用0.5% NaOH或0.5% NaOH/0.5% H2O2對纖維束進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理工藝為預(yù)處理溫度90℃、預(yù)處理時間20 min。

1.2.3手抄片制備及紙漿性能檢測

取一定量化機(jī)漿，在白水循環(huán)條件下，利用紙頁成形器抄造手抄片，前5張手抄片用于制備白水，后5張手抄片采用自然風(fēng)干方法干燥，干燥后裝入袋中均衡水分，然后按照國家標(biāo)準(zhǔn)測定紙漿性能。

2 結(jié)果與討論

2.1化機(jī)漿粗漿及其纖維束成分分析

對出一段高濃磨漿的化機(jī)漿粗漿及篩選所得的纖維束的成分進(jìn)行分析，并計算纖維束各成分含量相對于粗漿各成分含量的變化情況，結(jié)果見表1。

表1 粗漿與纖維束成分分析

在機(jī)械法制漿過程中，部分木材沒有完全纖維化，如果其寬度大于單根纖維則稱為纖維束[19]。表1數(shù)據(jù)顯示，和粗漿相比，纖維束的半纖維素含量顯著降低，綜纖維素含量略低，而木素含量較高。半纖維素易發(fā)生吸水潤脹[20]、且易被氧化降解而溶于水中。在預(yù)處理及一段高濃磨漿過程中，木材中半纖維素含量較多的結(jié)合部位容易發(fā)生潤脹，該結(jié)合部位在磨漿過程中容易分離成漿；而木片中半纖維素含量少的部位因為潤脹性能較差，不易發(fā)生分離，從而形成纖維束，這是纖維束中半纖維素含量較低的原因。此外，纖維束中的纖維間結(jié)合較為緊密，這些緊密結(jié)合部分的半纖維素含量低、木素含量較高。

2.2磨漿程度對纖維束含量的影響

對篩分所得的纖維束進(jìn)行PFI磨磨漿，分析了磨漿程度與纖維束含量之間的關(guān)系，結(jié)果見圖1。

圖1 磨漿程度對纖維束含量的影響

從圖1可以看出，對纖維束進(jìn)行磨漿時，當(dāng)紙漿CSF游離度為560 mL時，磨后漿中的纖維束含量迅速降低至5.8%，進(jìn)一步降低磨后漿的CSF游離度至215 mL，磨后漿中的纖維束含量降低至0.3%，繼續(xù)降低磨后漿CSF游離度，纖維束含量沒有明顯變化。這是由于，磨漿前期纖維束含量高，PFI磨漿機(jī)對纖維束的磨漿作用及纖維束與纖維束相互間的摩擦擠壓作用使大量纖維束解離，所以能夠顯著降低磨后漿中的纖維束含量；隨著纖維束含量的降低，磨漿難以單獨作用到纖維束，從而不利于纖維束的解離。

2.3纖維束預(yù)處理對磨漿能耗的影響

對0.5% NaOH或0.5% NaOH/0.5% H2O2預(yù)處理后的纖維束進(jìn)行磨漿，研究了預(yù)處理工藝對磨漿能耗的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 不同纖維束在不同磨漿轉(zhuǎn)數(shù)下的游離度變化

從圖2可知，當(dāng)漿料CSF游離度為160 mL時，未預(yù)處理纖維束、經(jīng)0.5%NaOH預(yù)處理及經(jīng)0.5% NaOH/0.5% H2O2預(yù)處理后的纖維束所需的磨漿轉(zhuǎn)數(shù)分別為23000、13000和11000轉(zhuǎn)，表明預(yù)處理后，纖維束的磨漿能耗顯著降低。這是由于對纖維束進(jìn)行有效的預(yù)處理，能夠使纖維束潤脹軟化，與未預(yù)處理纖維束相比，軟化后的纖維束在磨漿過程中更易發(fā)生分離，從而降低了磨漿能耗。與單獨使用NaOH進(jìn)行預(yù)處理相比，NaOH和H2O2的協(xié)同作用更易使纖維束發(fā)生潤脹軟化，從而更有效地降低磨漿能耗。

2.4紙漿性能的檢測

為了研究選擇性磨漿工藝所制備化機(jī)漿的性能，利用PFI磨將出一段高濃磨漿的粗漿磨漿至CSF游離度為425 mL，篩除纖維束后得到傳統(tǒng)化機(jī)漿，并與采用選擇性磨漿工藝所制備CSF游離度為425 mL的化機(jī)漿進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。

表2 不同工藝制得化機(jī)漿的成紙性能

由表2可知，與傳統(tǒng)化機(jī)漿相比，選擇性磨漿工藝所制備的化機(jī)漿成紙松厚度均較高。這是由于，出一段高濃磨漿的粗漿中已含有約58%的纖維，采用化機(jī)漿選擇性磨漿工藝時，這部分纖維將直接作為良漿，從而避免了二次磨漿對其纖維細(xì)胞壁的破壞作用，較好地保持了纖維的完整性，成紙時，這部分纖維將形成較為疏松的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此，成紙松厚度較高。而采用傳統(tǒng)的工藝制備化機(jī)漿時，二段磨漿是對一段磨漿后的全部原料進(jìn)行磨漿，磨漿的作用對象包含良漿及纖維束；磨漿分散纖維束的過程中，不可避免地將對良漿的纖維細(xì)胞壁產(chǎn)生一定的破壞作用，不利于保持纖維的完整性，從而使傳統(tǒng)化機(jī)漿成紙松厚度較低。纖維完整性的降低，導(dǎo)致成紙松厚度降低，使纖維間結(jié)合更加致密，因此成紙抗張強(qiáng)度較高。采用選擇性磨漿工藝時，將未預(yù)處理的纖維束磨漿至相同游離度時的磨漿能耗較預(yù)處理后的纖維束高，高的磨漿程度容易破壞纖維完整性，從而降低成紙松厚度。而纖維束的預(yù)處理有利于纖維束間結(jié)合的松動(木素軟化)，從而降低磨漿能耗，同時也有利于保持纖維的完整性，因而成紙松厚度較高。與纖維束未預(yù)處理相比，纖維束預(yù)處理所得到的化機(jī)漿成紙強(qiáng)度基本不變，這是由于纖維束預(yù)處理所采用的兩種化學(xué)條件較弱，對紙漿中細(xì)小組分含量的影響較小，因此，紙張成形過程所受影響較小，紙張強(qiáng)度基本保持不變。

3 結(jié) 論

對出一段高濃磨漿的化學(xué)機(jī)械漿(以下簡稱“化機(jī)漿”)粗漿進(jìn)行篩分以得到纖維束，并采用選擇性磨漿工藝對纖維束進(jìn)行磨漿，研究了纖維束的預(yù)處理對化機(jī)漿磨漿性能及成紙性能的影響。

3.1在選擇性磨漿過程中，磨漿程度越高，能耗越大，纖維束含量越低。在相同磨漿轉(zhuǎn)數(shù)下，與未處理纖維束相比，化學(xué)預(yù)處理后纖維束的磨后漿的游離度較低，表明在選擇性磨漿的基礎(chǔ)上對纖維束進(jìn)行預(yù)處理能夠進(jìn)一步降低磨漿能耗，是一種行之有效的節(jié)能降耗方法。

3.2漿料游離度相同時，與傳統(tǒng)化機(jī)漿相比，選擇性磨漿化機(jī)漿的成紙強(qiáng)度有所降低，但成紙松厚度較高。與未預(yù)處理纖維束相比，纖維束預(yù)處理后進(jìn)行選擇性磨漿所制備的化機(jī)漿成紙松厚度較高，且強(qiáng)度基本不變。

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Abstract：Fiber bundles were fractionated out of the chemimechanical pulps which came from the first refining stage,and refined with the selectively refining process.This paper studied the effect of fiber bundles pretreatment on refining performance and the resultant paper properties of the prepared chemimechanical pulp.The results showed that the pretreatment of fiber bundles could further reduce the refining energy.Besides,the pulp could maintain more intact fibers after refining,and the resultant paper could have better bulk property.

Keywords：chemimechanical pulps; selectively refining; fiber bundles pretreatment; paper properties

(責(zé)任編輯：陳麗卿)

FiberBundlesPretreatmentbeforetheSelectivelyRefiningofChemimechanicalPulp

DANG Miao1WANG Jian1,2,*

(1.CollegeofBioresourcesChemicalandMaterialsEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince,710021; 2.ShaanxiKeyLabonPaperTechnology&SpecialtyPapers,Xi’an,ShaanxiProvince,710021)(*E-mail:zzwangjian@sust.edu.cn)

TS743+.3

A

1000-6842(2017)03-0007-04

2016-10-17

國家自然科學(xué)基金資助項目(31370578)。

黨 苗，女，1995年生；在讀碩士研究生；主要研究方向：纖維材料、造紙化學(xué)品。

*通信聯(lián)系人：王 建；E-mail:zzwangjian@sust.edu.cn。