两种商品木浆的纸浆性能研究*

2020-02-19赵金涛张云龙陈克利

林产工业 2020年1期

赵金涛张云龙林瑜陈克利

（1.云南中烟再造烟叶有限责任公司，昆明 650106； 2.昆明理工大学化学工程学院, 昆明 650500）

据中国造纸协会调查资料显示，预计到2020年，全球纸及纸板需求增长2 724万t，65%的增长来自中国；全球漂白商品纸浆需求增长670万t，七成的增长来自中国。中国有庞大的商品木浆需求量，但国产商品木浆供应量仅占20%～22%[1]，需求和供给不平衡。目前，商品针叶木浆和阔叶木浆是造纸企业的主要生产原料，增加商品针叶木浆和阔叶木浆产量、扩大木浆供给是我国造纸企业以及附属行业的主要任务，因此，对针、阔叶木浆性能进行分析研究具有重要的理论和现实意义。本研究选取市场上具有代表性的两种商品针、阔叶木浆进行PFI打浆处理，并拟合两种纸浆的打浆特性，对比分析在不同打浆梯度下的浆料纤维质量、动态滤水性能、Zeta电位、微观结构等方面的变化，对不同比例配抄条件下的成纸性能进行考察，从而总结其特点与规律，以期为造纸企业和相关行业更好地生产与使用商品针、阔叶木浆提供一定的理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料

针叶木（白云杉和罗奇波尔松）浆（North wood,North wood Pulp & Timber Ltd.），阔叶木（桉木）浆（Bahia Sul, Bahia, Cia.de Cellulose da），均由云南中烟再造烟叶有限责任公司提供。

1.2 设备

试验所用仪器与设备如表1所示。

表1 试验仪器与设备Tab.1 Instruments and equipments

1.3 试验方法

1.3.1 纸浆PFI打浆处理

将针、阔叶木浆板置于清水中浸泡4 h以上，然后撕成小块置于疏解机中使其充分解离，脱水后置于自封袋内平衡水分备用；取30 g（绝干浆）调整浆浓至10%，基于针叶浆初始打浆度13°SR，阔叶浆初始打浆度16°SR前提下，为了更加精确地拟合打浆度和打浆转数之间的关系，设定打浆度间隔为5°SR，按照20、25、30、35、40、45、50、55、60°SR的打浆梯度进行打浆，并记录各打浆度对应的打浆转数。

1.3.2 纸浆纤维质量分析

取适量分散好的纸浆溶液倒入FQA专用测量杯，设定测量纤维数量4 000根，测量范围在0.07～10 mm。按照FQA操作规程测定各个浆料的纤维长度、宽度、细小纤维含量等数据，每个试样测定5组数据后取平均值。

1.3.3 纸浆Zeta电位及动态滤水性能测定

1）量取浆浓0.1%～3%的浆料样品500 mL，将测量单元置于浆样中，测定不同打浆度纸浆纤维的Zeta电位，每个试样测定3组数据后取平均值。

2）量取1 000 mL浆浓为0.2%的浆料样品，倒入BTG中，在750 r/min的条件下搅拌30 s后开始滤水，测定800 g滤液量所需时间。

1.3.4 纸浆纤维微观结构观察

将浆料纤维进行离析分散，用胶头滴管取少量于载玻片上，并用赫氏试剂进行染色，在显微镜下观察、拍照。

1.3.5 成纸物理指标测定

1）初始打浆度下针、阔叶浆配抄。按预设浆料配比（针叶浆：阔叶浆=100:0、85:15、70:30、55:45、40:60、25:75、10:90、0:100），每片取1.33 g绝干浆（抄纸定量：40 g/m2）用快速凯塞法抄片器抄片，并将抄造好的片基置于恒温恒湿箱内平衡水分24 h，然后参照GB T 8942—2016《纸柔软度的测定法》、GB/T 22898—2008《纸和纸板抗张强度的测定恒速拉伸法（100 mm/min）》、GB/T 451.3—2002《纸和纸板厚度的测定》、GB/T 451.2—2002《纸和纸板定量的测定》分别进行片基柔软度、抗张强度、厚度、定量的测定。

2）不同打浆度下针、阔叶浆抄片。为了更加准确和直观的反映打浆度对成纸物理指标的影响，避免打浆梯度间隔太小导致测定结果波动较大，故设置打浆间隔为10。SR抄造成纸。将不同打浆度下的针、阔叶木浆分别进行抄片并检测成纸物理指标，检测方法同上。

2 结果与讨论

2.1 纸浆打浆度与打浆转数之间的关系

图1 PFI打浆曲线Fig.1 PFI beating curves

由图1可知：1）针、阔叶浆的打浆度随着PFI打浆转数的增加而逐渐上升，打浆度与打浆转数之间的关系均符合线性分布：y=17.750 3+0.001 5x，R2=0.991 4（针叶浆）；y=8.898 6+0.002 75x，R2=0.973 4（阔叶浆），且打浆度与打浆转数之间的相关性较高。2）打浆初期即从初始打浆度至30°SR，相同打浆转数条件下，阔叶浆的打浆度上升较快，打浆后期即打浆度30°SR至60°SR，相同打浆转数条件下，针叶浆的打浆度上升较快，尤其是打浆度50°SR至60°SR过程中，打浆度随打浆转数的增加而快速增加。说明在打浆前期，阔叶浆纤维的P层和S1层较针叶浆而言更容易被破除、脱落、碎片化[2]，产生较多的细小物质，纤维表面逐渐暴露，发生明显的润胀和细纤维化，打浆后期若再进一步提升打浆度，对于结合紧密、不易润胀分丝帚化的S2层纸浆纤维[3]，则需要更强烈的剪切力作用。

2.2 纸浆纤维质量分析

2.2.1 纸浆纤维质量

表2 不同打浆度针叶浆纤维质量Tab.2 Fiber quality of softwood pulps with different beating degrees

表3 不同打浆度阔叶浆纤维质量Tab.3 Fiber quality of hardwood pulps with different beating degrees

由表2、3可以看出：随着打浆度的上升，纤维长度变短，其中针叶浆由2.037 mm减至1.827 mm，缩短近10%；阔叶浆由0.751 mm减至0.717 mm，缩短近5%。纤维宽度随着打浆度的上升逐渐变小，其中针叶浆由28.6 mm减至27.8 mm，减少近3%；阔叶浆由16.4 mm减至14.9 mm，减少近9%。细小组分含量随着打浆度的上升而增加，且阔叶浆增加较多。说明PFI打浆过程中，磨齿对纤维进行分丝帚化的同时，不可避免对纤维有一定程度的切断、磨碎，导致纤维长度和宽度减小，细小组分含量增加。针叶浆纤维较长，在相同的打浆条件下，受到的打浆作用更强，因此纤维长度下降，阔叶浆纤维本身长度较短，而杂细胞含量较多，杂细胞在打浆过程中极易被打碎，在相同的打浆条件下，纤维长度变化不大，而细小组分含量增加较快[4]。

2.2.2 纸浆纤维长度、宽度区间分布

图2 不同打浆度针叶浆纤维长度和宽度分布Fig.2 Distribution of fiber length and width in softwood pulp with different refining degrees

由图2可知：不同打浆度下的针叶浆纤维长度分布趋势近似单调递增的对数函数图像，且≥1.50 mm范围的占比较高，而在[0.20,0.53]、[0.53,0.85]、[0.85,1.18]、[1.18,1.50]mm长度区间内的纤维占比随着打浆度的升高而增加，说明针叶浆纤维以长纤维为主，在打浆过程中难以避免纤维被切断、磨碎，而导致纤维长度下降、细小组分含量升高；不同打浆度下的针叶浆纤维宽度分布呈现以区间[27,47]μm为对称轴、开口向下的抛物线图像，且在[27,47]μm 宽度区间内的纤维占比最大，≤27、≥47 μm两个区间内的纤维占比基本相同，说明针叶浆的纤维宽度大多为[27,47]μm，此外PFI打浆对针叶浆宽度的影响并不明显。

从图3可以看出：不同打浆度阔叶浆纤维长度和宽度分布与针叶浆截然不同，不同打浆度下的阔叶浆纤维长度分布趋势为“前大后小”，且[0.53,0.85]mm长度区间的纤维占比最大，约为50%，[0.20,0.53]、[0.85,1.18]mm两个区间的纤维占比近20%，这也反映出阔叶浆纤维多为短纤维。不同打浆度下的阔叶浆纤维宽度分布呈现近似单调递减的对数函数图像，且[5,17]μm范围内的纤维占比超过60%，此外，随着宽度区间的增加占比逐渐减小。

图3 不同打浆度阔叶浆纤维长度和宽度分布Fig.3 Distribution of fiber length and width in hardwood pulp with different refining degrees

2.3 纸浆Zeta电位及动态滤水性能

2.3.1 纸浆Zeta电位

打浆时，纤维素纤维主要发生两个方面的变化。一是纤维素纤维的表面积增加，暴露出更多的羧基，纤维的表面电荷增多，同时使负电荷物质的吸附增强。另一方面纤维受电中性的溶剂化作用增强了，因此在纤维周围形成一个厚层，使离子化层的运动变得困难。在这两方面的作用下，浆料Zeta电位负值可能随打浆度的升高而增加或减小。由图4可知，10～20 °SR范围内，针、阔叶浆的Zeta电位快速上升且针叶浆比阔叶浆快，然后随着打浆度继续升高，Zeta电位基本不变。说明10～20 °SR范围内Zeta电位的增幅最大，此时负电荷的增加是主要的，20 °SR以后Zeta电位随着打浆度的升高变化不大，说明两种作用基本达到平衡[5-6]。

图4 不同打浆度针、阔叶浆Zeta电位Fig.4 Zeta potential of softwood and hardwood pulps with different beating degrees

2.3.2 纸浆动态滤水性能

图5 不同打浆度针、阔叶浆动态滤水曲线Fig.5 Dynamic filtration curves of softwood and hardwood pulps with different beating degrees

从图5可以看出，随着打浆度的升高，针、阔叶浆的滤水速度逐渐减慢，这就说明了纤维分丝帚化、细纤维化程度加剧，形成的氢键越多使纤维相互结合更加紧密，成形过程中有更多的细小纤维被截留，填补了网络空隙，使纤维积层变得严密、空隙减小，因而滤水性能下降。相同打浆度条件下，阔叶浆的滤水速率稍快于针叶浆，这可能是针叶浆纤维自身较长且粗，易于分丝帚化、细纤维化，成形过程中纤维积层变得严密，而阔叶浆纤维本身较短，虽然细小组分含量较多，但是组成湿纸幅的纤维间留有一定的间隙所致。

2.4 纸浆纤维微观结构

图6 不同打浆度针叶浆纤维微观结构Fig.6 Microstructure of softwood pulp fibers with different beating degrees

图7 不同打浆度阔叶浆纤维微观结构Fig.7 Microstructure of hardwood pulp fibers with different beating degrees

从图6、7可以看出：针叶浆纤维长且粗，纤维壁较厚，纤维碎片及细小组分较少，纤维细胞呈纺锤状，管胞上面还有具缘纹孔，端部呈肘形，纤维表面光滑，这对于改善纤维本身及纤维间的结合性有益。经过PFI打浆后，纤维长度、细小组分含量变化并不大，但纤维的分丝帚化明显。阔叶浆纤维纤细，纤维碎片及细小组分较多，含有导管，端部尖削，纤维表面光滑。经过PFI打浆后，纤维长度变化不大，而细小组分含量变化显著，较针叶浆而言，纤维的分丝帚化程度较弱。

2.5 成纸物理性能

2.5.1 初始打浆度下针、阔叶浆配抄成纸物理性能

图8 初始打浆度下针、阔叶浆配抄成纸物理性能Fig.8 Physical properties of the softwood and hardwood pulps with initial beating degree

从图8可以看出：初始打浆度下，随着针叶浆比例减少、阔叶浆比例增加，成纸的抗张强度先下降再增加，厚度逐渐下降至不变，定量逐渐增加，柔软度逐渐下降。试验结果表明：长且粗的针叶浆有利于成纸抗张强度的提高，随着针叶浆比例的减少、阔叶浆比例的增加，纸张自身的抗张强度随之下降；阔叶浆细且短，脱水过程中截留细小组分，片基结合紧密、表面光滑，厚度逐渐下降，而定量逐渐增加；相对于较长且粗、挺硬的针叶浆纤维来说，纤细的阔叶浆纸张更加柔软。

由图9、10、11 可知，1）柔软度：P值均大于0.05，柔软度的实测值符合正态分布，在针：阔=85：15的配比条件下，成纸柔软度标准差最大，反映出该条件下数据波动较大，其余条件下数据波动较接近，在针：阔=70：30、55：45两个配比条件下，数据的AD值最小，说明该条件下，数据的实测值与拟合值较为接近。2）厚度：P值均大于0.05，厚度的实测值符合正态分布，且数据较为集中、波动较小，这也反映出在成纸定量一定的条件下，改变针、阔叶浆的配比，对成纸厚度的影响较小。3）抗张强度方面：在针：阔=55：45、40：60 两个配比条件下，P值小于0.05，说明该配比条件下的抗张强度数据分布不符合正态分布。总体来看，抗张强度的标准差和AD值也较大，说明数据波动较大，实测值与拟合值之间的差异较大。此外，成纸的抗张强度受纤维间的结合力以及纤维自身的强度影响较大，在配比不变的前提下，成型过程直接制约着片基的物理强度，因此，这从另一个角度反映出片基的成型均匀性不是很好。

图9 95%置信区间柔软度正态分布图Fig.9 Normal distribution of 95% confidence interval softness

图10 95%置信区间层积厚度正态分布图Fig.10 Normal distribution of 95%confidence interval layer thickness

图11 95%置信区间抗张强度正态分布图Fig.11 Normal distribution of 95% confidence interval tensile strength

2.5.2 不同打浆度下针、阔叶浆成纸物理性能

图12 不同打浆度下针、阔叶浆成纸物理性能Fig.12 Physical properties of the softwood and hardwood pulps with different beating degrees

从图12可以看出：随着打浆度的升高，针叶浆成纸的柔软度逐渐下降，阔叶浆成纸先升高再逐渐降低，这可能是打浆使得挺硬的针叶浆分丝、柔软，而对于细短的阔叶浆来说，使得片基结合更加紧密。两种纸浆的成纸抗张强度增加，且针叶浆成纸增加速率较快，一方面是因为针叶浆纤维自身的强度较好，另一方面针叶浆分丝帚化较好，利于纤维间的结合；两者的厚度、定量均逐渐下降。