不同助留助滤系统对草浆性能的影响

梁世杰，张 玲，王高升

（中国轻工业造纸与生物质精炼重点实验室，天津市制浆造纸重点实验室，天津科技大学轻工科学与工程学院，天津300457）

随着国家禁止洋垃圾政的政策目标逐步完成，国内造纸原料短缺的问题日益突出，充分利用非木材纤维成了解决这一难题的有效措施之一。 谷物秸秆是我国数量最大、分布最广的秸秆类别，其中稻草秸秆过剩问题尤为突出[1]。 目前，草浆应用的瓶颈在于原料硅含量高，且杂细胞组分含量高；另外，在制浆过程中杂细胞不易被脱除，导致草浆的洗涤效率低、滤水性能差。 由于草浆的这一特性，助留助滤系统在草浆造纸湿部化学中有着非常重要的作用，无论是细小纤维，还是填料，又或者是其他湿部化学助剂，都要通过提高留着率、改善滤水等措施，使其作用效果最佳，达到预期的目的[2]。 本文在对草浆纤维形态分析的基础上，探究采用不同助留助滤系统对草浆滤水性能及纸张强度的影响。

1 实验

1.1 实验原料及设备

1.1.1 原料

草浆由实验室制备；助留剂（Percol 8038）、助滤剂（Percol 8442）和聚合氯化铝（PAC）由上海索理思特种化学品有限公司提供。

1.1.2 设备

2500-Ⅱ型高浓盘磨机，日本Kumagai Riki Kogyo 公司；HB43-S 型梅特勒水分测定仪，梅特勒-托利多（上海）有限公司；RK3A-KWT 型纸页成型器，奥地利Frank-PTI 公司；02969920 型耐破度测试仪、SE051 型标准厚度仪、982407 型环压强度测试仪、009 型撕裂度测试仪、Fiber Fester912 型纤维测试分析仪、73-18 型疏解器，瑞典Lorentzen & Wettre公司；OLYMPUS-CX41 型光学显微镜，日本Nikon公司；DSC75 型动态滤水仪（DDJ），美国PRM 公司；DFR－04 型滤水保留测定仪，瑞典BTG 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 草浆的处理方法

将实验室处理过的麦草用高浓盘磨机以一定的间隙和浆浓进行磨浆， 得到打浆度为52 °SR 的草浆，然后加水配成质量分数为1%的悬浮液。

1.2.2 草浆的微观结构观察和形态分析

用光学显微镜观察草浆； 用纤维分析仪检测草浆纤维和细小组分。

1.2.3 助留助滤剂的准备

助留剂加水配成质量分数为1‰的水溶液待用；助滤剂加水配成体积分数为1‰的水溶液待用；将PAC 配成0.3%水溶液待用。

1.2.4 抄纸

将实验用纸料稀释疏解均匀，加入助留剂，搅拌约1 min 后，再加入助滤剂，搅拌约1 min 后，用快速纸页成形器抄造定量100 g/m2的手抄片。

1.2.5 助留助滤性能分析方法

（1）细小组分留着率测定：用动态滤水仪测纸料中的细小组分留着率。 量取500 mL 纸料倒入滤水筒中，在600 r/min 的转速下搅拌10 s 并加入助留剂，800 r/min 转速保持4 s， 在600 r/min 转速下搅拌10 s并加入助滤剂，然后进行脱水，取最初的100 mL 滤液，测定滤液的固形物含量，按式（1）计算纸料留着率R。

式中：X、Y 分别是500 mL 纸料和100 mL 滤液中的固形物含量，g。

（2）滤水性能分析：采用滤水保留测定仪分析纸料的动态滤水性能。 量取1000 mL 浓度为1%的草浆倒入DFR 的脱水筒中， 在600 r/min 转速下搅拌10 s 并加入助留剂，800 r/min 转数保持4 s， 在600 r/min 转速下搅拌10 s 并加入助滤剂， 然后重力脱水60 s，测定水的体积。

1.2.6 纸张性能的测定

将抄造的手抄片在23 ℃、相对湿度50%的条件下放置4 h 以上，然后对纸张的性能进行测试。 纸张性能的测试项目及所采用标准为：定量（GB/T 451.2—2002）、抗张强度（GB/T 453—2002）、 耐破强度（GB/T 454—2002）、撕裂度（GB/T 455—2002）、厚度（GB/T 451.3—2002）、环压强度(GB/T 2679.8—1995)、耐折强度（GB/T 457—2002）。

2 结果与讨论

2.1 草浆形态分析

草浆的纤维形态分析数据如表1 所示。 由表1可见：草浆的纤维长度较短，宽度较大，导致纤维长宽比较小， 会使纸张强度下降。 扭结指数的数值较大，有利于提高纸张的物理强度性能[3]。 草浆中细小组分含量大，为44.70%。

表1 草浆纤维形态分析数据

草浆中细小组分含量大，大部分是以导管、薄壁细胞、表皮细胞等非纤维状细胞为主的杂细胞。如图1（a）标记所示，有一些在盘磨过程中破碎的细胞，其形状、大小各不相同，此类细胞为薄壁细胞；如图1（b）标记所示，部分细胞呈锯齿状，此类细胞为表皮细胞；如图1（c）标记所示，可以观察到一些棒状的非纤维状细胞，此类细胞为导管。 有研究表明，在草类原料中， 一般杂细胞的含量占细胞总量的30%～60%（按面积法测定）[4]

图1 草浆光学显微镜照片（×40）

2.2 不同助留助滤系统对草浆性能的影响

2.2.1 单组分和双组分助留助滤系统

采用不同助留助滤系统时的草浆滤水性能指标见表2。由表2可以看出：当草浆不使用助剂时，其滤水性能差；使用助留剂和助滤剂，可以提高草浆的滤水性能，当分别加入0.05%和0.10%的助滤剂时， 草浆的滤水性能得到了提高， 分别提高了8.55%和9.33%。 当分别加入0.05%助滤剂、0.02%助留剂和0.10%助滤剂、0.02%助留剂时， 草浆的滤水性能得到了进一步提高， 分别提高了15.03%和19.43%。

表2 不同助留剂和助滤剂用量时的草浆滤水性能

采用不同助留助滤系统时的草浆留着率如表3所示。 由表3 可以看出：单独使用助滤剂时，草浆的留着没有效果， 这是因为单一助滤剂提高留着的原理是通过吸附架桥形成絮团， 但是这种絮团被高剪切力破坏后不能有效的恢复，导致留着效果不好[5]。双组分助留助滤系统可以解决单组分助留助滤系统经高剪切力破坏后不能有效回复的问题， 通过数据可以看出，留着情况得到了改善，首程留着率提高了4.50%。

表3 不同助留剂和助滤剂用量时的草浆留着率

2.2.2 PAC 对草浆滤水性能的影响

为了进一步改善草浆的滤水性能， 在使用助留剂和助滤剂前先用聚合氯化铝（PAC）处理草浆，以消除其中的阴离子垃圾，PAC 用量为0.3%。 PAC 对纸料滤水性能的影响如图2 所示。 由图2 可以看出：在草浆中加入PAC，无论是不添加助留剂和助滤剂、使用单一助滤剂，还是同时使用助留剂和助滤剂，其滤水性能均得到提高。 细小纤维和填料悬浮液中颗粒显负电性而相互排斥，加入PAC 后，使颗粒的负电性被中和，粒子间的排斥力减小，当粒子发生碰撞时就会发生凝聚，草浆滤水性能得到明显提升。

图2 添加PAC 对草浆滤水的影响

2.3 助留助滤剂对纸张性能的影响

添加助留助滤剂对纸张性能的影响如表4 所示。 由表4 可以看出：在抄纸时使用单一的助滤剂，只有纸张的环压指数提高，耐破指数、抗张指数和撕裂指数均下降， 助滤剂的使用严重影响了纸张物理强度；在抄纸时同时加入助留剂和助滤剂，纸张的耐破指数无明显变化，但是纸张的抗张指数、撕裂指数和环压指数均有提高， 助留剂和助滤剂同时使用对纸张的物理强度有积极作用。

表4 助留助滤剂对纸张性能的影响

3 结论

（1）草浆中细小组分含量大，为44.70%，大部分是以导管、薄壁细胞、表皮细胞等非纤维状细胞为主的杂细胞，不利于草浆的滤水。

（2）单组分助留助滤系统可以提高草浆的滤水性能，不能增加草浆的首程留着，随着助滤剂用量的增加，草浆滤水性能提高的程度有限；双组分助留助滤系统可以使草浆的滤水性能得到明显改善，首程留着率也得到改善；当加入PAC组成三元助留助滤系统时， 草浆的滤水性能得到进一步的提高。

（3）使用单组分助留助滤系统即使用单一的助滤剂，不利于提高纸张的物理性能，使用双组分助留助滤系统， 对提高纸张的物理性能有积极作用。