辽宁杨CMP碱性过氧化氢改性

韩 颖，钱 忠 严，李 忠 友，韩 宗 敏，孙 广 卫

(1.大连工业大学 轻工与化学工程学院，辽宁 大连 116034；2.延边石岘白鹭纸业，吉林 图们 133101)

0 引 言

辽宁杨是一种速生丰产树种，其材质优良，色泽亮白，松软，比重小，综纤维素含量高，木素含量低，是生产化机浆的良好原料。辽宁杨作为辽宁地区的速生丰产树种20年来得到了长足的发展，辽宁杨树研究所对辽宁杨树造纸林栽培技术进行了系统的研究[1]，并取得了国内领先的科技成果。

CMP是指用化学处理和机械磨解制得的纸浆。机械浆是由不同长度纤维组成的，各组分的性质不同，对机械浆性质的影响也不同。其中的长纤维组分中保留了大量的木素，纤维相对僵硬挺直。这些都不利于纤维之间的结合，若磨浆太细，又降低纤维自身的强度，同样影响成纸的强度。Kangas H等[2]对云杉TMP分两部分进行了研究，研究结果表明，细小组分表面覆盖有更多的木素和抽出物。Yuzhou Bian等[3]使用碱性过氧化氢预处理的方法来提高CMP渣浆磨浆性能，用以代替部分化学浆生产SC纸，以降低成本。韩颖[4]对jack松TMP长纤维进行了碱性过氧化氢改性，处理后，纸页物理性能和光学性能均得到改善。作者对分级后的浆进行碱性过氧化氢改性，以期进一步改善成纸物理性能，为辽宁杨在造纸上的应用提供理论依据。

1 试 验

1.1 试验原料

辽宁杨木片，取自辽宁北部，经洗涤、筛选、平衡水分后备用。

1.2 试验方法

1.2.1 辽宁杨CMP的制备

木片预处理条件：NaOH用量5%，最高温度140℃，保温35min，此过程在ZQS1型电热蒸煮锅中进行。

磨浆：采用大连工业大学机械厂研制的盘磨机对预处理后的木片进行三段磨浆，得到打浆度为32°SR的CMP浆料。

分级处理：使用浆料筛分仪对木浆进行分级，将20目以上的长纤维收集以进行后续改性处理，长短纤维比例为0.534∶0.466。

1.2.2 长纤维的过氧化氢改性

采用正交试验法对上述分级得到的长纤维组分进行碱性过氧化氢改性，按照NaOH用量、H2O2用量、反应温度和反应时间作四因素三水平L9(34)正交试验，见表1。

表1 正交试验因素水平表Tab.1 The factors and levels of orthogonal experiment

1.2.3 羧基质量摩尔浓度测定

羧基质量摩尔浓度测定是在中性盐条件下，采用酸碱电导滴定法测定[5]。

2 结果与讨论

2.1 长纤维碱性过氧化氢改性条件的优化

通过表1的正交试验和成纸的物理指标，得到正交试验结果和极差分析结果，见表2。

2.1.1 NaOH用量对长纤维组分物理性能的影响

图1为NaOH用量对改性后长纤维成纸物理指标的影响趋势图。

表2 正交试验结果及极差分析Tab.2 Results and analysis of orthogonal experiment

图1 NaOH用量对长纤维性能的影响Fig.1 Effects of NaOH usage on properties of long fibers

由图1和表2可以看出，白度随NaOH用量的增大而减小，这是因为NaOH用量过高时，H2O2分解速度过快，会使H2O2损失增加，导致白度降低。在试验范围内，抗张指数和撕裂指数随着NaOH用量的增大而增大。这是因为NaOH可以使纤维润胀，使之变得更加柔软，有利于纤维的相互交织，一定程度上改善了成纸强度。但NaOH对富含木素的CMP长纤维的这种润胀影响是有极限的，而且NaOH用量越大对纸浆白度的促黄作用越大，带来白度的降低，药品消耗的增加。因此NaOH用量选择2.5%。

2.1.2 H2O2用量对长纤维组分物理性能的影响

图2为H2O2用量对改性后长纤维成纸物理指标的影响趋势图。图2中趋势表明，H2O2对白度的影响最为明显，随H2O2用量的增大白度呈线性增加趋势，主要是基于H2O2的漂白作用，破坏了木素侧链上的双键与羰基等发色基团；H2O2的用量对强度的影响较小(见表2极差分析)，因此，选择的H2O2用量只需考虑对白度的影响，过高的用量会减小碱比，影响漂白效率，增加成本。考虑上述原因，H2O2用量选择4.0%。

图2 H2O2用量对长纤维性能的影响Fig.2 Effects of H2O2usage on properties of long fibers

2.1.3 温度对长纤维组分物理性能的影响

图3为温度对改性后长纤维成纸各项物理指标的影响趋势图。

图3 温度对长纤维性能的影响Fig.3 Effects of temperature on properties of long fibers

温度对白度的影响最小，说明试验选择的温度范围对白度几乎没有影响；而温度对于抗张指数的影响最为明显，呈现先升后降的趋势；对撕裂指数的影响则一直缓慢上升。从增强和节能的角度考虑，选择改性温度75℃。

2.1.4 时间对长纤维组分性能的影响趋势

图4表示的是时间对改性后长纤维各项物理指标的影响趋势图。图4表明，白度对时间表现为线性增大，适当延长反应时间可以增大H2O2的漂白效果。时间的延长可以使浆料的漂白反应更加充分，但处理时间过长，会带来纤维的降解，影响强度。故时间选择50min较为合适。

图4 时间对长纤维性能的影响Fig.4 Effects of time on properties of long fibers

2.2 长纤维改性与全浆改性比较

联系正交试验极差分析结果，最终确定的最佳改性条件为：NaOH的用量为2.5%，过氧化氢的用量为4%，温度75℃，时间50min。此条件下，分别对长纤维组分和全浆进行改性(改性全浆)，其中改性长纤维与未改短纤维进行配抄(混合浆)。两种浆成纸性能见表3。

表3 混合浆和改性全浆成纸性能的比较Tab.3 Comparison of mixed pulp and the whole modified pulp

从表3中可以看到，混合浆成纸的抗张指数与撕裂指数均优于改性全浆的成纸性能，这说明碱性氧化氢对机械浆中的粗大纤维作用明显，机械浆中的粗大组分刚性大，可压缩性小，是影响纤维间化学结合的主要障碍[6]。

2.3 改性对纤维表面性质的影响

为观察碱性过氧化氢处理对纤维形态的影响，分别对处理前后的长纤维进行电镜分析，结果见图5、6。

由图5和图6可以看出，碱性过氧化氢处理会造成纤维的适度润胀，进而提高其柔软性，有利于纤维之间的结合。

另外，经过碱性过氧化氢处理的长纤维表面羧基质量摩尔浓度为172.31mmol／kg，而未处理的长纤维表明羧基只有130.25mmol／kg，这也是改性后纤维表面性质的变化引起结合力增加的一个原因。

3 结 论

(1)采用碱性过氧化氢对分级后的辽宁杨化学机械浆粗纤维(＞20目)进行针对性的改性，可以得到更高的机械强度。

(2)辽宁杨CMP长纤维组分改性，较优的条件为：NaOH的用量为2.5%，过氧化氢的用量为4%，温度75℃，时间65min。

(3)辽宁杨CMP，用上述改性条件，分别对长纤维和全浆进行改性并抄纸，其中改性长纤维与未改短纤维进行配抄。成纸的撕裂指数和抗张指数均比改性全浆有一定的提高：其中抗张指数由32.5N·m／g升高至39.6N·m／g；撕裂指数由3.28mN·m2／g增加到3.48mN·m2／g。在白度上，改性长纤维与未改短纤维混合配抄略不足于全浆改性，可以通过后续的漂白来进一步提高白度。

[1]杨志岩，王胜东，梁鸿恩，等.杨树纸浆林优化栽培模式的研究[J].林业科技开发，2004，18(3)：26－28.

[2]KANGAS H，KLEEN M.Surface chemical and morphological properties of mechanical pulp fines[J].Nordic Pulp and Paper Research Journal，2004，19(2)：191－199.

[3]BIAN Yuzhou，NI Yonghao，YUAN Zhirun.Improving TMP rejects refining through alkaline peroxide pre－treatment for value－added mechanical papers[J].Tappi Journal，2007，6(3)：24－32.

[4]韩颖.TMP长纤维改性机理及应用技术研究[D].南京：南京林业大学，2009：52－73.

[5]石淑兰，何福望.制浆造纸分析与检测[M].北京：中国轻工业出版社，2003：87－90.

[6]林奕亭.机械木浆的化学改性[J].中国造纸，1981(2)：44－49.