ZDPS盘磨中浓打浆与传统低浓打浆的应用对比

2014-01-01刘士亮

天津造纸 2014年3期

刘士亮

（华南理工大学，广州，510640）

前言

从流体力学角度来看，纸浆的表观粘度随纸浆浓度的增加而增大，在浓度较低时（小于0.6%），这种变化呈线性，当浓度超过一定数值时，就呈非线性变化，从而体现出纸浆流的非牛顿流体程度，浓度越高，非牛顿流动的程度也越大，到中浓范围时（7%～15%），纸浆就明显呈现出黏弹性性质[1]。显然，浓度的改变对纸浆中纤维网络体的形成、网络体内部的纤维结合强度以及打浆后的成浆性质具有一系列重要影响。那么，不同纸浆浓度打浆后成浆性质如纸页物理强度指标、纤维湿重、纤维固有强度、成浆纤维形态以及打浆电耗有什么影响？本研究采用华南理工大学研究开发的可适用于中、高浓打浆的新型ZDPS液压双盘磨（如图1）和常见的低浓双盘磨作对比，探讨了低浓打浆和中浓打浆后成浆的各种性质如：纤维细纤维化程度、纸页抄造性能、纤维形态变化和打浆能耗的变化。

图1 新型ZDPS液压双盘磨浆机

1 试验方法

1.1 原料、试验设备及打浆工艺流程

打浆原料采用生产厂家常用的竹、桉木混合漂白浆。

设备采用本中心研制生产的ZDPS液压双盘磨，盘磨功率为280 kW，打浆浓度为10%，生产能力为50～100 t/d，磨片采用造纸与污染控制国家工程研究中心研制磨片，对比打浆设备为传统低浓双盘磨，功率为160 kW，打浆浓度为4%。

中浓打浆工艺流程为：

浆板→中浓水力碎浆机→中浓浆泵→浆池→中浓液压双盘磨组→成浆→抄片

低浓打浆工艺流程：

浆板→低浓水力碎浆机→低浓浆泵→浆池→低浓双盘磨组→成浆→抄片

1.2 成浆性质检测

（1）打浆度及抄片性能、筛分检测均采用国家标准进行[2-4]。

（2）扫描电镜观察：自然沉积纤维在盖玻片上，风干后用双面胶固定在喷金台上，放置于真空镀膜机上进行喷金处理，在HITACHIS-550扫描电子显微镜（日本制造）中观察。

2 打浆试验结果及分析

不同浓度、不同台数打浆后成浆打浆度、纤维湿重和抄造纸页物理性能指标见表1。

表1 中、低浓打浆后成浆参数和抄造纸页物理性能

2.1 中、低浓打浆对纸页物理强度指标的影响

从表1可以看出：对于同一种浆种，在不同浓度、不同设备打浆时，打浆效果存在较大的差异：

（1）在达到同样的打浆度值时，不同浓度打浆所需要的盘磨台数是不一样的。如在打浆至42°SR时，传统低浓双盘磨在4%的打浆浓度时，需要经过4台才能达到该打浆度值，而采用ZDPS中浓液压双盘磨在10%的打浆浓度上，只需要2台盘磨即可达到该数值，这说明ZDPS中浓液压双盘磨在中浓状态下的打浆效率明显提高，这种特点对生产厂家特别有利。

（2）在同样打浆度值时，ZDPS中浓液压双盘磨中浓打浆抄造出的纸页性能明显优于低浓打浆。在4%浓度打浆时，42°SR值下的抄造纸页裂断长为4080 m，而在10%浓度打浆时，在43°SR数值下抄造纸页的裂断长就达到5130 m。这说明，生产上采用ZDPS中浓液压双盘磨中浓打浆时，可以适当降低打浆后成浆的打浆度数值而不会影响成纸的强度指标，以有利于湿部纸页的抄造、滤水以及纸张的回用性能，从而达到降低生产成本的目的。

（3）与传统的低浓双盘磨4%浓度打浆相比，ZDPS中浓液压双盘磨10%浓度打浆可以较好地保留纤维的湿重和提高成浆保水值。在不同浓度打浆时，在相近打浆度数值下,中浓打浆后的成浆湿重明显高于低浓打浆，例如低浓打浆至42°SR时的湿重数值为3.0克，而ZDPS中浓液压双盘磨10%浓度打浆至43°SR时的湿重数值为4.1克，湿重数值保留较好说明中浓打浆有利于纤维长度的保留，打浆度的提升主要是内纤维化的结果，对主要使用桉木等短纤维浆种的国内造纸企业来说，这无疑是个福音。

与低浓打浆相比，中浓打浆过程中，盘磨区中动片磨齿和定片磨齿之间是有着较强纤维结合能力的纤维网络体，动片和定片齿槽间也存留着较多的小纤维网络体，所以，中浓打浆涉及的基本单元已经不再是松散的纤维结合体，而是多根纤维弹性弯曲、交叉而形成的具有较强的纤维联结强度的网络体。打浆时，在纸浆湍流中较强的流体剪切应力及磨齿高速交叉运动形成的高脉动剪切力的作用下，纤维网络体受湍流剪切作用，构成纤维网络体的纤维之间的某些作用大大增强，同时，磨齿的高速剪切力也对纤维网络体中的纤维施加很强的剪切摩擦，从而使得中浓纸浆纤维网络体中的纤维受到剧烈的摩擦、压缩、拉伸、扭曲等作用，从而赋予纤维间良好的结合力。

2.2 中、低浓成浆纤维筛分分布的影响

在不同浓度、不同设备打浆时，打浆后成浆筛分分布如表2。

表2 不同浓度、不同设备打浆在相近打浆度时的纸浆筛分析

纤维筛分分布在一定程度上反映了纸浆纤维被切断状况和纤维长度、纤维固有强度保留的优劣[5]。从表2可以看出：10%浓度打浆，成浆湿重保留明显改观，就打浆度数值类似的情况下来看，在4%浓度打浆时保留在100目以上的纤维筛分占62.0%，而过100目的细小纤维组分比例则为38.0%，当打浆浓度升高至10%时，保留在100目以上的较长纤维比例上升到86.9%，而过100目的细小纤维比例则下降至13.1%。

与传统双盘磨4%低浓打浆相比，ZDPS中浓液压双盘磨10%中浓打浆后的成浆纤维湿重数值增大，筛分中长纤维组分比例增加。这就说明：ZDPS中浓液压双盘磨打浆度数值的提高大多是由纤维的内、外细纤维化所造成的，纤维几乎是在固有强度没有很大损伤的基础上发展其氢键结合能力的，这就为短纤维浆种抄造高强度、高品质的纸种提供了可能性！

2.3 中、低浓打浆后纤维形态的比较

通过电子显微镜（SEM）对打浆后成浆纤维形态的观察，可以直观地了解到不同浓度、不同设备打浆后的纤维形态（包括表面细纤维化程度、细纤维化方式、纤维内部结构状态变化等）差异，并进而推断何种打浆方式能获得较佳抄造性能的成浆纤维形态，本文对传统双盘磨4%浓度打浆和ZDPS液压双盘磨10%浓度打浆后的成浆在相似的打浆度值下进行了电子显微镜扫描比较（如图2～图3）

图2 传统双盘磨4%打浆成浆纤维形态42°SR

图3 ZDPS中浓液压双盘磨10%打浆成浆纤维形态43°SR

由图2～图3可以看出：与传统双盘磨4%低浓打浆相比，ZDPS中浓液压双盘磨10%浓度打浆后的成浆纤维结合能力明显改善，纤维S1层充分脱除，S2层完全暴露，游离于纤维表面的细纤维增多。另外在纤维的内部，纤维的皱折而引起的位移现象、撕裂现象也增加了纤维吸水润胀的能力，纤维不仅具有良好的细纤维化现象、起毛、分丝尤为明显，而且纤维表面出现中、高浓打浆特有的纵向压缩所产生的表面波浪形皱折、位移和扭曲现象。

传统的低浓打浆很难使纤维产生良好的内外细纤维化，打浆度的上升大多来源于初生壁的破除、纤维的切断和杂细胞的碎裂。而不是来源于真正的对纤维的细纤维化。由于短纤维浆种在我国造纸原料中所占比例超过85%，故这种现象一直成为制约我国纸张质量和纸种拓展的一个重大障碍。如何使短纤维浆种在保留其固有强度、不损伤纤维长度的基础上使其纤维间的结合能力“更上一层楼”，从而使得利用短纤维浆种也能抄造出高质量的纸页，那么采用中浓打浆无疑是一个较好的选择。

2.4 中、低浓打浆能耗的比较

随着浓度的增加，纸浆的打浆度数值升高较快，纸浆纤维保留较好，纸页的紧度和各项物理强度指标都增强。另外，本研究对不同浓度、不同设备打浆绝干浆通过量和打浆电耗的变化进行了统计（如表3）。

表3 不同浓度、不同设备打浆通过量与比单位打浆能耗的比较

对于竹、桉混合浆来说，浓度由4%增高到10%，从传统低浓双盘磨转换成ZDPS中浓液压双盘磨，纸浆的绝干浆通过量是增加的，由4%浓度时的2.10 t/h升高至10%浓度的3.20 t/h，比打浆电耗由6.83 kWh/t.°SR 降为4.87kWh/t.°SR ，能耗节省28%以上。

通过上述研究结果可知：对于短纤维浆种而言，与传统的低浓打浆相比，ZDPS液压双盘磨中浓打浆无论是在提高纸页性能和降低能耗方面都具有显著的优势，这是由中浓打浆作用机理及ZDPS中浓液压双盘磨浆机的设备特点所决定的：首先，中浓打浆对纤维的内外细纤维化主要靠纤维内部的摩擦形变作用来完成[6]，磨齿对纤维的机械剪切作用比较小，从而使得纤维的长度和纤维的固有强度受到的损伤比较小，纤维间的结合能力明显改善；其次，ZDPS中浓液压双盘磨浆机恒量定压打浆也保证了打浆生产过程中打浆质量的稳定，纤维受到的打浆作用不会受到磨片磨损、磨片间隙变化而造成的质量波动；另外，中浓打浆后成浆纤维长度被切断较少，细碎成分减少，所以网部流失和两面差减小，纤维长度分布较为均匀，而且纤维的柔韧性和可塑性较好，纤维之间结合紧密而抄造出较好匀度的纸页。