渗透剂在CTMP制浆过程化学预浸渍段的应用初探

2011-11-22吕卫军

中国造纸 2011年5期

关键词：渗透剂磨浆木片

田超陈彬吕卫军

(中国制浆造纸研究院，北京，100020)

渗透剂在CTMP制浆过程化学预浸渍段的应用初探

田超陈彬吕卫军

(中国制浆造纸研究院，北京，100020)

为探索改善CTMP制浆过程化学预浸渍效果的可能途径，实验考察了在CTMP制浆过程化学预浸渍段添加渗透剂对制浆性能的影响。实验结果表明，在化学预浸渍段添加渗透剂后，CTMP浆纤维平均长度提高，长度分布更加集中，集中区域向较高的长度区间移动，成浆纤维束和细小纤维含量有明显下降，浆张白度、松厚度、抗张指数、撕裂指数均有不同程度提高，磨浆电耗有所降低。

渗透剂;CTMP;化学预浸渍

化学预浸渍是CTMP和APMP等化学机械法制浆工艺的重要组成部分。相对化学法制浆，化学机械浆的化学预浸渍条件非常温和，其目的是以润胀和软化浆料为主，而不是脱除纤维胞间层和细胞壁内的木素。因此，化学预浸渍对纤维原料的润胀和软化效果极大地影响着后续磨浆过程中纤维剥离的难易程度、完整程度、分丝帚化程度，进而对磨浆电耗和成浆质量产生影响［1］。

在实际生产中，出于提高浆料得率、控制废水污染负荷以及减少碱性发黑等目的，化学预浸渍用碱量往往会控制在尽可能低的水平，因此就无法避免磨浆电耗高、浆料磨解不够充分或较多纤维被强行切断等问题，特别是采用密度较大的桉木、相思木等材种作为制浆原材料时。为此，本实验初步探讨了在CTMP制浆过程化学预浸渍段添加渗透剂来改善化学预浸渍效果的可能性，期望通过加强化学药品向原料内部的渗透和润胀软化作用，来达到降低磨浆能耗、改善成浆质量的目的［2-3］。

1 实验原料

1.1 木材原料

实验采用混合阔叶木为原料，由杨木木片和桉木木片按7∶3的质量比均匀混合而成。杨木产自北京，树龄5年，桉木为多个品种的混合木片，树龄4～5年，产地广东湛江。

1.2 渗透剂

实验共搜集了6种渗透剂，渗透剂的主要化学成分及性状描述如表1所示。

表1 渗透剂情况简介

2 实验方法

实验流程见图1所示。

2.1 渗透剂的初步筛选

根据工艺要求，用于化机浆预浸渍的渗透剂应满足下列条件:可均匀分散于水中;耐碱，不与化学浸渍药品反应;耐温＞140℃;无毒。

为了初步验证这些渗透剂的效果，筛查掉不适于化机浆制浆或作用较差的样品，以减少不必要的制浆实验工作量，本实验首先对表1所列的6种渗透剂进行了渗透性能测定。

2.1.1 测定原理

液体对木片都有一定的浸透能力，通过比较一定规格木片中的孔隙被浸渍液填充的程度 (以下称浸透程度，以百分比表示)，即可间接评价不同浸渍液浸透能力的大小。

2.1.2 测定方法

将60 mm×60 mm×3 mm的红松木片，浸没在温度80℃、含有2%NaOH和0.5%渗透剂的浸渍液中60 min，取出后轻轻拭干木片上挂着的水滴，通过称量浸渍前后木片的质量，然后带入已经建立的代表浸渍液质量与浸透程度之间关系的数学模型，计算出木片的浸透程度［4］。

图1 实验流程

式中:I为木片被浸渍液浸透的程度;

m1/mdc为木片中水分与木片绝干质量的比值;

ρ1为浸渍液的密度，g/m3;

ρdc为木材的绝干密度，g/m3;

ρw为木材的骨架密度，g/m3。

2.2 备料

取7 kg(绝干)混合阔叶木木片，用清水浸泡12 h，制浆前捞出沥水。

2.3 CD-300热磨机

对原料的汽蒸、挤压疏解、化学浸渍、粗磨全部由CD-300热磨机完成，具体工艺参数如下:

汽蒸时间10 min;螺旋压缩比4∶1;化学浸渍时间10 min，压力0.11～0.12 MPa，液比1∶4，化学药品 3%NaOH+3%Na2SO3［5-6］;粗磨压力 0.12 MPa，盘磨间隙1 mm，浓度20%。

2.4 KRK精磨

采用KRK高浓磨浆机对热磨机喷出的粗浆进行精磨，第一段精磨磨浆浓度为15%、盘磨间隙0.4 mm，其余各段磨浆浓度20%、盘磨间隙0.1 mm，磨浆段数根据目标游离度确定。

2.5 消潜

将精磨后的浆料用80～90℃的热水浸泡30 min，浆浓5%，以消除磨浆过程对纤维造成的挠曲。

2.6 筛选

用陕西科技大学制造的ZQS5型筛浆机筛除浆料中的纤维束，筛缝0.15 mm，精浆脱水，供抄纸使用。

2.7 纤维形态分析

成浆纤维形态采用L＆W纤维分析仪进行分析测定。

2.8 纤维束和细小纤维含量的测定

纤维束含量采用KRK标准方筛测定，取10 g绝干浆，筛选10 min;细小纤维含量用Bauer-Menett筛分仪测定，取10 g绝干浆，筛选20 min。

2.9 抄纸

使用德国产Rapid-Kothen纸页成形器抄造手抄片，手抄片定量60 g/m2。

2.10 检测

浆张性能定量、厚度、亮度、抗张强度、撕裂度按国家相关标准测定。

3 结果与讨论

3.1 渗透剂性能

对表1所列的6种渗透剂的渗透性能测定结果如表2所示。

由表2可见，在所列6种渗透剂中，渗透剂1#和渗透剂2#对浸透程度的改善最为明显，分别比空白试样提高了14.3%和10.8%，MA-240和OEP-70效果相对较差，GRK 1#虽然使浸透程度比空白试样提高了8.4%，但是其加入到碱性浸渍液中后使浸渍液呈黏稠的胶体状，不适宜制浆使用，GRK 2#加入到浸渍液中后使浸渍液呈乳浊液，且对浸透程度的提高不明显，也不适合制浆使用。因此，后续制浆实验将采用对浸透程度提高最为明显的渗透剂1#来考察渗透剂对CTMP制浆过程化学浸渍效果的影响，以下简称为渗透剂。

表2 渗透剂的渗透性能测定结果

3.2 渗透剂对CTMP制浆的影响

实验中分别考察了在CTMP制浆过程化学浸渍段添加渗透剂对成浆纤维长度分布、纤维束和细小纤维含量、浆张物理性能等成浆质量指标以及磨浆电耗的影响。为了更加明显地体现渗透剂的影响，每组实验均增加了一个不添加渗透剂的空白试样作为对比。

3.2.1 对成浆纤维长度分布的影响

渗透剂用量对CTMP浆成浆纤维长度分布的影响如图2所示。

由图2可见，空白试样的纤维长度分布相对分散，在0.2～0.4 mm、0.4～0.6 mm、0.6～0.8 mm、0.8～1.0 mm的4个长度区间内分布比例均超过15%，而在化学浸渍段中加入渗透剂后，成浆纤维长度在0.2～0.6 mm的区间内的分布明显减少，并向0.6～1.0 mm的区间集中。从测得各浆样的平均纤维长度来看，空白试样的平均纤维长度为0.69 mm，添加0.5%和1.0%用量渗透剂的浆样纤维长度分别为0.76 mm和0.74 mm。由此可见，在化学浸渍段中添加渗透剂可以减少成浆中较短纤维的比例，使纤维长度分布频率向较高的长度区间集中，体现在宏观方面，就是提高了成浆纤维的平均长度和均匀性。

图2 渗透剂用量对CTMP浆纤维长度分布频率的影响

另外还可以发现，当渗透剂用量从0.5%提高至1.0%时，成浆纤维的分布频率变化不大，说明渗透剂对成浆质量的改善效果并不与用量呈线性关系，需要在后续实验中对渗透剂用量进行优化。

3.2.2 对成浆纤维束和细小纤维含量的影响

添加渗透剂前后CTMP浆纤维束和细小纤维含量的变化如图3所示。

图3 渗透剂用量对CTMP浆纤维束和细小纤维含量的影响

由图3可见，在化学浸渍段添加渗透剂后，CTMP浆纤维束含量和细小纤维含量有明显的降低，且细小纤维含量随渗透剂用量的增加继续有小幅下降，但将渗透剂用量从0.5%提高至1.0%并没有使纤维束含量继续降低，反而略有上升。分析认为，渗透剂通过改善化学浸渍段对浆料的润胀、软化效果，降低了磨浆过程中浆料纤维被强行切断的几率，从而使成浆细小纤维含量有所降低。对于纤维束，渗透剂一方面通过改善浆料的润胀、软化程度，起到降低纤维束含量的作用，但另一方面，渗透剂的主要成分为表面活性物质，过多的渗透剂加入有可能导致磨浆过程中浆料之间的摩擦系数下降，使部分浸渍不够充分的纤维束更难被磨解而得以保留［7］。

3.2.3 对浆张白度的影响

研究证明，机械浆的初始白度对于后续漂白有至关重要的影响。因此本实验对渗透剂用量与CTMP浆白度的关系进行了研究，实验结果如图4所示。

图4 渗透剂用量对CTMP浆白度的影响

由图4可见，在化学浸渍段添加0.5%用量的渗透剂后，CTMP成浆白度比空白试样提高了2.9个百分点，将渗透剂用量增加至1.0%，成浆白度比空白试样提高了3.6个百分点。分析认为，渗透剂对成浆白度的提高作用主要来自于两个方面，一个是表面活性成分对浆料中的发色物质的辅助净洗作用，另一个是加强了NaOH和Na2SO3对浆料的抽提、反应能力，使更多的发色物质被改性或溶出。

3.2.4 对浆张松厚度的影响

渗透剂用量对浆张松厚度的影响如图5所示。

图5 渗透剂用量对CTMP浆张松厚度的影响

由图5可见，在化学预浸渍段添加渗透剂后，CTMP浆张松厚度并没有呈现预计的下降趋势，反而比空白试样有所提高，渗透剂用量从0.5%增加至1.0%后，浆张松厚度继续有小幅提高。原因目前尚不确定，可能与成纸纤维长度分布的变化有关 (参见3.2.2)，也就是说，渗透剂的加入使浆的纤维形态保持的更加完好、细小纤维含量明显降低，减少了细小纤维对浆张孔隙结构的填充，最终体现为浆张松厚度的提高。

3.2.5 对浆张强度的影响

渗透剂用量对CTMP浆抗张指数和撕裂指数的影响如图6所示。

图6 渗透剂用量对CTMP浆张强度性能的影响

由图6可见，与空白试样相比，在化学浸渍段分别添加用量为0.5%和1.0%的渗透剂后，浆张抗张指数由33.7 N·m/g分别提高至34.4 N·m/g和35.8 N·m/g，说明渗透剂对提高浆张抗张强度有一定作用，但效果并不显著。而添加渗透剂对浆张撕裂指数的提高是非常明显的，撕裂指数在添加0.5%用量的渗透剂后由2.80 mN·m2/g提高至3.20 mN·m2/g，提高幅度为14.3%，渗透剂用量增加至1.0%时撕裂指数提高至3.44 mN·m2/g，提高幅度为22.9%。

抗张指数、撕裂指数等强度性能都是由多重因素共同决定的。本实验中，CTMP浆张的抗张指数提高主要得益于纤维平均长度的增加以及纤维束含量的降低，而细小纤维含量降至一定水平后则有可能影响纤维间的结合强度，对抗张指数的提高产生负面作用［8］;撕裂指数则更加偏重于受纤维长度的影响。因此CTMP制浆在化学浸渍段添加渗透剂后，撕裂指数会比抗张指数获得更大的升幅。

3.2.6 对磨浆电耗的影响

电耗高是机械法制浆的重要特征，在化学浸渍段添加渗透剂的一个重要目的就是希望通过改善浆料的润胀、软化效果来降低磨浆电耗［9］。渗透剂用量对CTMP磨浆电耗的影响如表3所示。

表3 渗透剂用量对CTMP磨浆电耗的影响

由表3可见，在化学浸渍段分别添加0.5%和1.0%用量的渗透剂后，磨浆电耗比空白浆样分别下降了146 kWh/t和215 kWh/t，降幅分别为8.6%和12.7%。由此说明，渗透剂在化学浸渍段的应用能够在一定程度上降低CTMP磨浆电耗。

4 结论

本实验对渗透剂在CTMP制浆过程化学浸渍段中的应用进行了简单的探索，得到了一些初步的实验结果，其中一些现象的发生机理还有待验证。另外，对诸如使用渗透剂的费效比、用量优化、浸渍废水的污染负荷变化等问题，还需要进行进一步的实验研究。

4.1 在CTMP制浆过程化学浸渍段添加渗透剂可以提高CTMP浆的纤维平均长度，并使纤维长度分布向较高的长度区间集中，同时降低成浆中的纤维束和细小纤维含量，获得形态相对均一的浆料纤维。

4.2 渗透剂通过加强NaOH和Na2SO3对CTMP浆的抽提、反应能力以及借助表面活性成分对浆料中发色物质的净洗作用，可以提高CTMP浆的白度。

4.3 在CTMP制浆过程化学浸渍段添加渗透剂可以提高浆张的抗张指数和撕裂指数，其中对撕裂指数的提高较为显著，同时松厚度略有增加，磨浆电耗有一定程度的下降。

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Preliminary Study on the Application of Penetrant in Preimpregnation Stag of CTMP Production

TIAN Chao*CHEN Bin LV Wei-jun
(China National Pulp and Paper Research Institute，Beijing，100020)

In this paper，in order to find a feasible way to enhance the preimpregnation effectively，the effect of penetrant application in preimpregnating stage of CTMP process was studied．It was found that，compared to the control sample，the sample with using penetrant has longer mean length of CTMP fiber，and the fiber length distribution is more concentrated to a region with longer length value．The shives and fines are decreased significantly，while the whiteness，bulk，tensile index and tear index are improved in various degrees with a lower refining energy consumption．

penetrant;CTMP;preimpregnation

TS743+.2

0254-508X(2011)05-0011-05