使用ATMP技术降低能耗提高SC杂志纸质量

2011-01-06雷鸣,张红杰

天津造纸 2011年4期

以白云杉（北欧云杉）为原料，运用ATMP(Advanced Thermomechanical Pulping)磨浆这一理念进行中试试验。本试验的主要目的是评估利用ATMP进行SC(super calandered)杂志纸生产的可行性。对于用作凹版印刷的SC杂志纸来说，纸张的表面性能尤为重要，而纸页表面结构在很大程度上受机械浆纤维质量的影响。本研究的目的是研究是否可以通过调整纤维特性达到改善纸张表面性能的目的。以TMP和机械预处理过的高强度TMP作为参照样，ATMP的成浆纤维解离和细纤维化程度在过氧化氢和氢氧化镁的辅助作用下得以加强。由于初始木片的纤维解离和细纤维化，使纤维强度的增强成为可能。

实验室用ATMP抄造的SC纸页的抗张指数提高了4Nm/g，显著降低表面粗糙度并保持透气度（在SC纸生产中的重要质量指标），而磨浆能耗降低8%（预处理和高强度处理使磨浆能耗减少5%，化学助剂的加入使其降低3%）。ATMP成浆的其他纸页性能与TMP相似或者更好，如光散射性能得以保持，ISO白度提高10个单位。

ATMP磨浆节能过氧化氢 SC纸

1 前言

ATMP理念的主要特点是机械预处理，这使得它可以在木片解离与细纤维解离、细纤维化之间加入化学药品。首先使用的化学药品是亚硫酸氢钠，它能在略微提高白度的前提下显著降低磨浆能耗。最近，过氧化氢和氢氧化镁已经被研究用于ATMP工艺中。这项研究的结果显示，相对于TMP制浆工艺，ATMP的能耗降低50%，而ISO白度提高15个单位。

由木片到成浆过程的磨浆能耗是由出售给客户的纸张的质量参数而定的。在实际生产中所用的机械浆中，这些比较典型参数为强度（如新闻纸生产）、表面粗糙度和透气度（印刷纸）或松厚度（文化用纸）。因此，评估改善纸张性能时的电能消耗尤为重要。考虑到实际大规模生产SC纸时纸张性能被用作质量指标，在相同透气度条件下对减少的磨浆能耗进行了测定。本文对表面粗糙度也进行了评估，因为在SC杂志纸的生产中表面粗糙度是一项很重要的性能指标。纸页强度很重要，本文对能耗与纸页强度之间的关系进行了阐述。

化学药品会通过对纤维不同部位引入新的功能基团和破坏纤维结构来影响纤维质量，如纤维的润涨和软化。过氧化氢通过对木素大分子的氧化作用以及破坏其侧链产生羧酸。碱的加入导致半纤维素里存在的羧酸离子化、果胶的脱甲基作用以及聚半乳糖葡萄糖甘露糖的脱乙酰基作用。这些木素结构上发生的变化会导致其玻璃化转移温度降低以及结构软化。如果这种现象发生在木片的纤维化分离之前（即化学浸渍时），由于产生过多的类似CTMP浆样，结果将会对TMP磨浆产生负面影响。这会对木片在胞间层或接近胞间层区域的分离作用产生不利影响。ATMP制浆中木片的纤维化模拟TMP的生产工艺（即在纤维的S1/S2层，产生大量的短纤维级分）能避免受到化学药剂的影响；通过有选择性地在制浆区段添加化学药品，从而避免对木片纤维化的负面影响并显著降低能耗，而对于生产印刷纸的纸浆所需要的其他性能也没有负面的影响。在之前的研究中，已经得出纤维质量决定纸张表面性质的结论。这些性能指标如分丝纤维量、纤维结合和纤维的可压溃性等都会影响最终印刷用纸产品的表面性能。在ATMP生产过程中，选择性地添加化学药品对纤维壁的软化能使磨浆能耗降低，同时纸浆的性能得到提高，从而获得平滑的纸张表面和更好的纸页结构。

2 材料和方法

2.1 纸浆的中试试验

本实验所用纸浆来自美国俄亥俄州斯普林菲尔德的一家安德里兹浆厂。两段磨浆，第二段磨浆采用三种不同能耗水平。在ATMP和RTF-RTS运行时，木片经单动螺旋挤压机的压缩，然后在纤维疏磨机里进一步离解以备磨浆。图1为实验中的设备装配图。除了螯合剂(DTPA)外所有化学试剂都在一段磨加入(通过稀释水加到磨内)。DTPA在单动螺旋挤压机的出口减压处加入。化学药品添加比例见表1，磨浆工艺参数见表2。

表1 浆样和化学药品用量（用量以绝干浆计）

图1 ATMP中试验设备配置（生产TMP参照样时，无机械前处理或化学药品添加）

表2 中试试验的磨浆参数

2.2 实验室检测

纸浆的测试依据TAPPI标准进行测定，测试实验室在美国俄亥俄州斯普林菲尔德的安德里兹中试实验室。实验室SC杂志纸由挪威哈尔登的NSI公司进行生产、并进行压光处理和纸页性能检测。一段磨成浆残液pH值通过滤液测量，滤液由喷浆口浆样品通过200目的滤网压榨获得。CSF（加拿大标准游离度）依照TAPPI标准T227测定。根据标准T205对已疏解纸浆抄制手抄片(约60g/m2)。手抄片的强度性能检测参照标准T220。纤维束含量用缝筛为0.10mm的Pulmac筛分仪测定。每个区段的纸浆样品从斯普林菲尔德运往哈尔登NSI重点实验室，运送过程对其冷藏直到测试。用循环白水抄造的纸张依照标准ISO 5269:2:1998进行检测。纸张在150Kpa的压区负荷下用实验室压光机（Enfoplan OY EP-210）进行压光处理（每侧经过三个压区）。纸张光学性质依照ISO2470:1999和ISO2471:1999进行测定。粗糙度和透气度分别依照SCAN P21:67和SCAN P19:78进行测试。粗糙度常被用来评价表面

3 结果与讨论

3.1 磨浆过程中的能耗

三种浆样生产过程中的能耗概况见表3。木片在RTF阶段纤维化所需的能耗是很低的。这与先前的研究结果一致，理论纤维化的能耗只占整个磨浆过程中所需总能耗的小部分。在本试验中，TMP的一段磨浆能耗相比RTF-RTS、ATMP的生产明显要高。这对TMP而言也许是有益的，因为一段磨输入了较多的用以提高成浆性能的有效能耗。在以后的实验中要达到相同的能耗输入以避免产生能耗分布不均。此外，机械预处理已经证实在第一阶段可以保护纤维的长度，从而使一段磨将可以在剧烈的反应条件下进行。ATMP工艺中的化学药品对纤维的软化作用也可以很好的保护纤维长度，因此其一段磨浆的能耗输入介于FTFRTS和ATMP之间。粗糙程度。本实验模拟全程HSWO（热固型胶印）印刷的情形。

图3 磨浆比能耗与纤维束含量的关系

在生产中，除了考虑减少磨浆能耗外，还要考虑其他的性能指标。图4和图5显示了这些性能指标，如光散射能力和伸长率，这些性能在相同的抗张指数条件下得以保持。

图2给出了本实验的三种制浆方式的抗张指数变化。在抗张指数相同(都是50N·m/g)时，ATMP的磨浆能耗比TMP减少20%，RTF-RTS则相对TMP减少13%。据相关文献，这些减少的能耗值比RTFRTS和ATMP处理过程中的较少的能耗要低。这样的原因可能是在ATMP和RTF-RTS一段磨浆的电量输入比TMP少。纸浆中的纤维束含量对纸张的表面特性起着很重要的作用，同样对生产实际如筛分，除渣，残渣处理等过程有着重要的影响。如图3所示,RTF-RTS和ATMP的纤维束含量要比TMP低得多。在RTF-RTS和ATMP浆间的纤维束含量没有什么差别，由此推断纤维束含量的减少是由于高强磨浆所致。

图4 光散射系数与抗张指数关系，R2=0.52

图5 伸长率与抗张指数的关系，R2=0.67

3.2 压光纸的表面特性和松厚度

在生产SC纸时，纸张的透气度是一项重要的指标。对SC影印纸而言，表面粗糙度有着很严格的要求。图6和图7表明利用ATMP处理技术可以很好的改良这两个特性。透气性和粗糙度都取决于纤维内部和外部在磨浆处理时的好坏。较低的透气度和表面粗糙度反应了ATMP制浆过程纤维得到充分的细纤维化，这是由于化学药品对纤维的软化作用。先前已经对水分引起纸张表面的粗糙进行了研究。这取决于纤维细化的程度，纤维的柔韧性，以及纤维的结合性和应力松弛。图8表明TMP处理后的表面粗糙度要比RTF-RTS和ATMP处理后的高的多。ATMP处理后可以获得最低的表面粗糙度，同样对实验室压光纸也可以获得最低的表面粗糙度。低表面粗糙度在HSWO印刷技术中非常重要。表面粗糙度的测量方法的缺点就是PPS只能表征一般的表面特性。以后将会尝试利用表面扫描技术（例如激光表面轮廓测量技术）来观测水分诱导后的表面粗糙度。