化学机械浆选择性磨浆前纤维束预处理研究

党 苗 王 建，2，*

(1.陕西科技大学轻工科学与工程学院，陕西西安，710021；2.陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西西安，710021)

化学机械浆选择性磨浆前纤维束预处理研究

党 苗1王 建1，2，*

(1.陕西科技大学轻工科学与工程学院，陕西西安，710021；2.陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西西安，710021)

对出一段高浓磨浆的化学机械浆粗浆进行筛分以得到纤维束，并采用选择性磨浆工艺对纤维束进行磨浆，研究了纤维束的预处理对化学机械浆磨浆性能及成纸性能的影响。结果表明，在选择性磨浆的基础上对纤维束进行化学预处理能够进一步降低磨浆能耗，并且能够使磨浆后纤维的完整性得到较好的保持，成纸松厚度较高。

化学机械浆；选择性磨浆；纤维束；预处理；磨浆能耗

化学机械浆(以下简称“化机浆”)的得率一般在80%～90%范围内，是一种兼由化学和机械两段处理使植物纤维相互分离的高得率浆种[1-3]，具有生产工艺简洁、污染负荷轻、生产成本低等优点，发展前景广阔，但化机浆的磨浆能耗居高不下成为制约其发展的主要因素之一[4-5]。有资料显示[6]，国产P-RC APMP热能消耗量为1.324 GJ/t浆，电能消耗量为1830.02 kWh/t浆，按照等价值折合，总能耗为0.656 t标煤/t浆；国产BCTMP热能消耗量为0.283 GJ/t浆，电能消耗量为2180.92 kWh/t浆，按照等价值折合，总能耗为0.738 t标煤/t浆。因此，化机浆的节能降耗成为化机浆制浆技术发展的一个热点[7]。

近年来，为了降低化机浆制备过程的能耗，许多研究人员[8-16]在磨浆前或磨浆过程中对纤维进行化学预处理、酶预处理等，以期促进纤维分离，降低磨浆能耗。王建等人[17-18]提出了化机浆选择性磨浆的新方法，即木片经过一段高浓磨浆后，利用筛选设备分离出纤维束，将所得的纤维束进行二次磨浆，然后与筛选所得的良浆混合，形成化机浆产品。选择性磨浆工艺的二段磨浆只针对一段磨浆后得到的纤维束进行，有效地降低了常规生产工艺中二段磨浆的浆量，降低了化机浆的磨浆能耗。本研究针对筛选所得纤维束的磨浆性能及所制备化机浆的成纸性能进行了研究，以期为该技术的进一步实施提供理论依据。

1 实 验

1.1原料与设备

1.1.1原料

出一段高浓磨浆的化机浆粗浆(采用APMP制浆工艺生产的杨木化机浆粗浆)，纤维束含量42%，山东某纸厂提供。

1.1.2仪器与设备

PFI磨浆机(DCS-041P，日本)；纤维束筛分仪(P4010.4，奥地利)；标准纤维疏解器(NO.SE003，瑞典L&W公司)；加拿大标准(CSF)游离度仪(2580-B，日本)；纸页成形器(ZQJ1-B-II，陕西科技大学机械厂)；抗张强度测定仪(SE-062，瑞典L&W公司)；厚度测定仪(DC-HJY03，四川长江造纸仪器厂)。

1.2实验方法

1.2.1选择性磨浆工艺制备化机浆

取一定量出一段高浓磨浆的化机浆粗浆，疏解后用纤维束筛分仪分离纤维束，筛分所得良浆静置沉降24 h后，去除上层清液，并利用200目双层网回收浆料纤维，备用；对筛分所得的纤维束进行预处理，然后利用PFI磨磨浆至一定游离度，回加至良浆中并混合均匀，制得化机浆。

1.2.2纤维束预处理

利用0.5% NaOH或0.5% NaOH/0.5% H2O2对纤维束进行预处理，预处理工艺为预处理温度90℃、预处理时间20 min。

1.2.3手抄片制备及纸浆性能检测

取一定量化机浆，在白水循环条件下，利用纸页成形器抄造手抄片，前5张手抄片用于制备白水，后5张手抄片采用自然风干方法干燥，干燥后装入袋中均衡水分，然后按照国家标准测定纸浆性能。

2 结果与讨论

2.1化机浆粗浆及其纤维束成分分析

对出一段高浓磨浆的化机浆粗浆及筛选所得的纤维束的成分进行分析，并计算纤维束各成分含量相对于粗浆各成分含量的变化情况，结果见表1。

表1 粗浆与纤维束成分分析

在机械法制浆过程中，部分木材没有完全纤维化，如果其宽度大于单根纤维则称为纤维束[19]。表1数据显示，和粗浆相比，纤维束的半纤维素含量显著降低，综纤维素含量略低，而木素含量较高。半纤维素易发生吸水润胀[20]、且易被氧化降解而溶于水中。在预处理及一段高浓磨浆过程中，木材中半纤维素含量较多的结合部位容易发生润胀，该结合部位在磨浆过程中容易分离成浆；而木片中半纤维素含量少的部位因为润胀性能较差，不易发生分离，从而形成纤维束，这是纤维束中半纤维素含量较低的原因。此外，纤维束中的纤维间结合较为紧密，这些紧密结合部分的半纤维素含量低、木素含量较高。

2.2磨浆程度对纤维束含量的影响

对筛分所得的纤维束进行PFI磨磨浆，分析了磨浆程度与纤维束含量之间的关系，结果见图1。

图1 磨浆程度对纤维束含量的影响

从图1可以看出，对纤维束进行磨浆时，当纸浆CSF游离度为560 mL时，磨后浆中的纤维束含量迅速降低至5.8%，进一步降低磨后浆的CSF游离度至215 mL，磨后浆中的纤维束含量降低至0.3%，继续降低磨后浆CSF游离度，纤维束含量没有明显变化。这是由于，磨浆前期纤维束含量高，PFI磨浆机对纤维束的磨浆作用及纤维束与纤维束相互间的摩擦挤压作用使大量纤维束解离，所以能够显著降低磨后浆中的纤维束含量；随着纤维束含量的降低，磨浆难以单独作用到纤维束，从而不利于纤维束的解离。

2.3纤维束预处理对磨浆能耗的影响

对0.5% NaOH或0.5% NaOH/0.5% H2O2预处理后的纤维束进行磨浆，研究了预处理工艺对磨浆能耗的影响，结果见图2。

图2 不同纤维束在不同磨浆转数下的游离度变化

从图2可知，当浆料CSF游离度为160 mL时，未预处理纤维束、经0.5%NaOH预处理及经0.5% NaOH/0.5% H2O2预处理后的纤维束所需的磨浆转数分别为23000、13000和11000转，表明预处理后，纤维束的磨浆能耗显著降低。这是由于对纤维束进行有效的预处理，能够使纤维束润胀软化，与未预处理纤维束相比，软化后的纤维束在磨浆过程中更易发生分离，从而降低了磨浆能耗。与单独使用NaOH进行预处理相比，NaOH和H2O2的协同作用更易使纤维束发生润胀软化，从而更有效地降低磨浆能耗。

2.4纸浆性能的检测

为了研究选择性磨浆工艺所制备化机浆的性能，利用PFI磨将出一段高浓磨浆的粗浆磨浆至CSF游离度为425 mL，筛除纤维束后得到传统化机浆，并与采用选择性磨浆工艺所制备CSF游离度为425 mL的化机浆进行对比，结果见表2。

表2 不同工艺制得化机浆的成纸性能

由表2可知，与传统化机浆相比，选择性磨浆工艺所制备的化机浆成纸松厚度均较高。这是由于，出一段高浓磨浆的粗浆中已含有约58%的纤维，采用化机浆选择性磨浆工艺时，这部分纤维将直接作为良浆，从而避免了二次磨浆对其纤维细胞壁的破坏作用，较好地保持了纤维的完整性，成纸时，这部分纤维将形成较为疏松的纤维网络结构，因此，成纸松厚度较高。而采用传统的工艺制备化机浆时，二段磨浆是对一段磨浆后的全部原料进行磨浆，磨浆的作用对象包含良浆及纤维束；磨浆分散纤维束的过程中，不可避免地将对良浆的纤维细胞壁产生一定的破坏作用，不利于保持纤维的完整性，从而使传统化机浆成纸松厚度较低。纤维完整性的降低，导致成纸松厚度降低，使纤维间结合更加致密，因此成纸抗张强度较高。采用选择性磨浆工艺时，将未预处理的纤维束磨浆至相同游离度时的磨浆能耗较预处理后的纤维束高，高的磨浆程度容易破坏纤维完整性，从而降低成纸松厚度。而纤维束的预处理有利于纤维束间结合的松动(木素软化)，从而降低磨浆能耗，同时也有利于保持纤维的完整性，因而成纸松厚度较高。与纤维束未预处理相比，纤维束预处理所得到的化机浆成纸强度基本不变，这是由于纤维束预处理所采用的两种化学条件较弱，对纸浆中细小组分含量的影响较小，因此，纸张成形过程所受影响较小，纸张强度基本保持不变。

3 结 论

对出一段高浓磨浆的化学机械浆(以下简称“化机浆”)粗浆进行筛分以得到纤维束，并采用选择性磨浆工艺对纤维束进行磨浆，研究了纤维束的预处理对化机浆磨浆性能及成纸性能的影响。

3.1在选择性磨浆过程中，磨浆程度越高，能耗越大，纤维束含量越低。在相同磨浆转数下，与未处理纤维束相比，化学预处理后纤维束的磨后浆的游离度较低，表明在选择性磨浆的基础上对纤维束进行预处理能够进一步降低磨浆能耗，是一种行之有效的节能降耗方法。

3.2浆料游离度相同时，与传统化机浆相比，选择性磨浆化机浆的成纸强度有所降低，但成纸松厚度较高。与未预处理纤维束相比，纤维束预处理后进行选择性磨浆所制备的化机浆成纸松厚度较高，且强度基本不变。

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Abstract：Fiber bundles were fractionated out of the chemimechanical pulps which came from the first refining stage,and refined with the selectively refining process.This paper studied the effect of fiber bundles pretreatment on refining performance and the resultant paper properties of the prepared chemimechanical pulp.The results showed that the pretreatment of fiber bundles could further reduce the refining energy.Besides,the pulp could maintain more intact fibers after refining,and the resultant paper could have better bulk property.

Keywords：chemimechanical pulps; selectively refining; fiber bundles pretreatment; paper properties

(责任编辑：陈丽卿)

FiberBundlesPretreatmentbeforetheSelectivelyRefiningofChemimechanicalPulp

DANG Miao1WANG Jian1,2,*

(1.CollegeofBioresourcesChemicalandMaterialsEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince,710021; 2.ShaanxiKeyLabonPaperTechnology&SpecialtyPapers,Xi’an,ShaanxiProvince,710021)(*E-mail:zzwangjian@sust.edu.cn)

TS743+.3

A

1000-6842(2017)03-0007-04

2016-10-17

国家自然科学基金资助项目(31370578)。

党 苗，女，1995年生；在读硕士研究生；主要研究方向：纤维材料、造纸化学品。

*通信联系人：王 建；E-mail:zzwangjian@sust.edu.cn。