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本研究受到国家自然科学基金项目(20776054),广东省自然科学基金博士启动项目(8451064101000807),教育部高校博士点基金新教师课题(200805611104),广东省高等学校自然科学研究重点项目(06Z002)的资助。
近些年来,随着各种高得率浆的快速发展,高得率浆已广泛用于生产新闻纸、多层纸板、卫生纸,或作为化学浆的部分替代物用于涂布和未涂布印刷纸、书写纸及其他特种纸等[1-2]。由于环保和经济的原因,国内外造纸厂逐渐认识到白水封闭循环回用的重要性,随着白水封闭循环程度的不断提高,白水中纤维和细小纤维的含量与形态差异必然会对纸机运行和纸张性质产生一定的影响,国内外各研究机构也加强了对白水封闭循环过程的纤维及细小纤维研究[3-5]。
文献[6]应用循环白水方法研究了高得率浆细小纤维及其对纸张性能的影响。结果表明,高得率浆中细小纤维含量在20%以上;用循环白水比用清水制得的纸张物理强度提高9·3% ~93·4%、光学性能提高1% ~10%。M·Rundlof[7]等人的研究表明,白水中的细小纤维与原料中的细小纤维在种类上有所不同,且两种细小纤维的表面化学组成也不同,白水中细小纤维的表面吸附有较多的有机抽出物,两种细小纤维其他的化学组成区别不大。但他们并未对浆料与白水中纤维和细小纤维的形态做系统的分析研究。
近年来随着测量技术的不断发展,已经可以用仪器自动快速地测定造纸纤维的各种形态。因此纤维形态的测定在造纸行业的科研和生产中的应用越来越广泛。本研究使用先进的纤维形态分析仪分析浆料和白水中纤维和细小纤维的形态,并进行了对比,以说明白水中纤维和细小纤维在形态上与浆料中纤维和细小纤维的差别,以及白水在回用过程中对纸张性能的影响。
1 实 验
1·1 原料及药品
CTMP浆由华南某浆厂提供(主要为杉木,打浆度为30°SR),阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)和阴离子膨润土以及工厂纸机网下白水都取自湖南某造纸厂。
1·2实验仪器
DFR-04动态滤水仪,德国BTGMütek公司生产;MorfiCompact纤维形态分析仪,法国Techpap公司生产,如图1所示。
1·3 实验方法
1·3·1 动态滤水实验首先,将1000 mL浓度1%的浆料倒入DFR中,在搅拌速度500 r/min时加入CPAM,过10 s后将搅拌速度提高到750 r/min,再过15 s后将搅拌速度下降到500 r/min,接着加入阴离子膨润土,再过20 s后打开DFR的出水口收集前150 mL滤液。
1·3·2 纤维形态分析由于对纤维和细小纤维的划分没有统一的规定,本实验规定长度在200μm~10mm,宽度在5~75μm的为纤维;长度小于200μm的为细小纤维。最后分别取一定量DFR上的留着浆料和DFR下的白水以及工厂纸机网下白水到纤维形态分析仪中分析纤维形态。
2 结果与讨论
由表1可以得知,动态滤水仪下的白水纤维与工厂纸机网下白水纤维的平均特性基本一致,这是因为实验用的动态滤水仪滤网的孔径与纸机上滤网的孔径一致,且采用的浆料、填料以及各种化学助剂也都相同。从动态滤水仪滤出的白水纤维基本上可以代表工厂纸机网下的白水纤维。
2·1 浆料与白水中纤维的长度与宽度分析纤维长度与宽度是评价纸浆质量的重要指标之一。
浆料与白水中的纤维形态分析如表1所示,浆料纤维的数均长度和重均长度分别为0·607 mm和0·922 mm,而白水纤维的长度要小很多,其数均长度和重均长度分别为0·326 mm和0·372 mm;但两种纤维的宽度却相差不大,分别为40·4μm和33·6μm。
从图2和图3纤维长度的分布来看,浆料中的纤维长度主要分布在0·20~1·25 mm的范围内,其中有57·1%的纤维长度在0·20~0·50 mm内;而白水中的纤维长度主要分布在0·20~0·50 mm的范围内,占总纤维的92·1%。从图4和图5纤维宽度的分布来看,两者的宽度分布基本一致,都主要分布在27~67μm的范围内。因此,可以得知浆料纤维的数均长度基本是白水纤维的2倍,其重均长度是白水纤维的3倍,但白水中纤维的含量很低,所以,将白水中的纤维回用不会影响最终纸张的强度。
2·2 浆料与白水中纤维卷曲与扭结的分析盘磨机械浆和预热机械浆等在高浓磨浆过程中,由于热和高频脉冲的作用以及磨齿的搓捻等作用,纤维承受了很高的热应力和机械应力而发生弯曲扭结。
所谓纤维卷曲,是指纤维平直方向的弯曲。在一定程度上,纤维卷曲指数增加,成纸的抗张强度、耐破度、环压强度下降,而纸的透气度、松厚度、过滤速度和光散射系数等增加。纤维卷曲指数一般测量统计每根纤维的卷曲状态来表示纤维卷曲的程度,并按式(1)计算。
式中:Cg———纤维卷曲指数A———纤维末端对末端的直线长度, mmL———纤维的真实长度, mm纤维的扭结是指由于纤维细胞壁受损而产生的生硬的转折。扭结程度高的纤维在纸张的抗张强度、撕裂强度等性能方面会受到较大的削弱。纤维的扭结率表示发生扭结的纤维数占总纤维数的比值,而纤维的平均扭结角一般测量统计每根纤维扭结角的平均值,并按式(2)计算。
Cl=∑ni=1ΔCin(2)式中:Cl———纤维平均扭结角, (°)Ci———每根纤维的扭结角, (°)n———发生扭结的纤维总数通过对浆料与白水中纤维的测定统计(见表1)可知,浆料纤维的平均扭结角和扭结率都略大于白水纤维的;而浆料与白水中纤维的卷曲指数几乎相近,从图6、图7浆料和白水纤维的卷曲指数分布来看,两者的卷曲指数分布也基本相同,绝大部分都分布在0~25%。可以得知两者的卷曲与扭结特性差别不大,所以,白水中的纤维在卷曲与扭结特性方面不会对纸张性能产生影响。
2·3 浆料与白水中纤维的帚化与切断分析高得率浆在磨浆过程中,纤维吸水润胀产生细纤维化,并发生分裂帚化、表面分丝起毛,而且由于受到剪切力和纤维之间相互摩擦作用造成纤维横向断裂,从而使纤维被切断。纤维的分丝帚化有利于纤维的结合,提高纸张的强度、紧度和匀度等性能,但纤维的过度切断会降低纸张的强度,特别是撕裂度。
纤维帚化率可按式(3)计算。纤维的切断率可按式(4)计算。
纤维帚化率=∑ni=1f∑ni=1(f+F)×100%(3)式中:f———纤维分丝长度, mmF———纤维长度, mmn———纤维总数纤维切断率=纤维切断末端总数1/2纤维末端总数×100% (4)从表1可以看出,白水纤维的帚化率为2·694%,要比浆料纤维的高一些;而白水纤维的切断率为57·9%,比浆料纤维的切断率60·6%要低一些。2·4 浆料与白水中细小纤维的分析由于高得率浆生产的固有特点,相当一部分纤维在磨浆过程中变为细小纤维,而细小纤维的含量在造纸过程中的作用很大,不但会影响到纸机的运行过程,比如留着、滤水、白水回收系统、助剂功效、干燥速率等,还会影响到纸张的多种性能,如纸张结构、物理强度性能、光学性能、印刷性能等[8]。
纤维形态分析仪还能分别以长度和面积对细小纤维进行测定统计,如表2所示。当以长度统计时,规定长度小于200μm为细小纤维,测定结果表明浆料中细小纤维的含量为78·1%,而白水中细小纤维含量则达到了95·9%。从图8和图9的长度分布来看,两者的长度分布基本一致且平均长度也几乎相等。
由于细小纤维的表面积比纤维的大很多,而且细小纤维素分子的葡萄糖基上可游离出大量的羟基,故在抄纸过程中促进了纤维间的氢键结合,有利于提高纸张强度。因此,仅仅统计细小纤维的长度及分布是不够的,最重要的是统计细小纤维的面积及分布。当以面积统计时,浆料细小纤维含量为22·4%,而白水细小纤维含量却达到了72·8%,从图10和图11的面积分布来看,白水细小纤维的面积分布比较集中,在278~3594μm2范围内的面积均比浆料细小纤维的含量高,而且白水细小纤维的平均面积为984μm2,比浆料细小纤维的大。这可能是由于浆料经过CPAM和膨润土絮凝后,细小纤维发生了微絮凝作用使得表面积有所增大。白水细小纤维在面积上的特性表明,回用白水中的细小纤维有利于纸张纤维间的结合,有利于提高纸页强度等性能。
表2 浆料与白水中细小纤维的含量与特性细小纤维含量/%以长度统计以面积统计细小纤维平均长度/μm细小纤维平均面积/μm2浆料78·1 22·4 43 920白水95·9 72·8 44 984图11 白水细小纤维面积分布图
3 结 论
利用纤维形态分析仪分析比较了CTMP浆料及其白水中纤维的形态,并得到以下结论。
3·1 浆料纤维的数均长度基本是白水纤维的2倍,其重均长度是白水纤维的3倍,浆料纤维的宽度及其分布与白水纤维的基本一致。
3·2 浆料纤维的扭结角和扭结率都略大于白水纤维的;而浆料与白水中纤维的卷曲指数几乎相近,两者的卷曲指数分布也基本相同。
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