試論利用新型纖維形態分析儀分析杉木CTMP漿纖維形態

時間：2024-09-14 10:25:02 材料畢業論文我要投稿

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　本研究受到國家自然科學基金項目(20776054),廣東省自然科學基金博士啟動項目(8451064101000807),教育部高校博士點基金新教師課題(200805611104),廣東省高等學校自然科學研究重點項目(06Z002)的資助。
　　近些年來,隨著各種高得率漿的快速發展,高得率漿已廣泛用于生產新聞紙、多層紙板、衛生紙,或作為化學漿的部分替代物用于涂布和未涂布印刷紙、書寫紙及其他特種紙等[1-2]。由于環保和經濟的原因,國內外造紙廠逐漸認識到白水封閉循環回用的重要性,隨著白水封閉循環程度的不斷提高,白水中纖維和細小纖維的含量與形態差異必然會對紙機運行和紙張性質產生一定的影響,國內外各研究機構也加強了對白水封閉循環過程的纖維及細小纖維研究[3-5]。
　　文獻[6]應用循環白水方法研究了高得率漿細小纖維及其對紙張性能的影響。結果表明,高得率漿中細小纖維含量在20%以上;用循環白水比用清水制得的紙張物理強度提高9·3% ~93·4%、光學性能提高1% ~10%。M·Rundlof[7]等人的研究表明,白水中的細小纖維與原料中的細小纖維在種類上有所不同,且兩種細小纖維的表面化學組成也不同,白水中細小纖維的表面吸附有較多的有機抽出物,兩種細小纖維其他的化學組成區別不大。但他們并未對漿料與白水中纖維和細小纖維的形態做系統的分析研究。
　　近年來隨著測量技術的不斷發展,已經可以用儀器自動快速地測定造紙纖維的各種形態。因此纖維形態的測定在造紙行業的科研和生產中的應用越來越廣泛。本研究使用先進的纖維形態分析儀分析漿料和白水中纖維和細小纖維的形態,并進行了對比,以說明白水中纖維和細小纖維在形態上與漿料中纖維和細小纖維的差別,以及白水在回用過程中對紙張性能的影響。
　　1　實　驗
　　1·1　原料及藥品
　　CTMP漿由華南某漿廠提供(主要為杉木,打漿度為30°SR),陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)和陰離子膨潤土以及工廠紙機網下白水都取自湖南某造紙廠。
　　1·2實驗儀器
　　DFR-04動態濾水儀,德國BTGMütek公司生產;MorfiCompact纖維形態分析儀,法國Techpap公司生產,如圖1所示。
　　1·3　實驗方法
　　1·3·1　動態濾水實驗首先,將1000 mL濃度1%的漿料倒入DFR中,在攪拌速度500 r/min時加入CPAM,過10 s后將攪拌速度提高到750 r/min,再過15 s后將攪拌速度下降到500 r/min,接著加入陰離子膨潤土,再過20 s后打開DFR的出水口收集前150 mL濾液。
　　1·3·2　纖維形態分析由于對纖維和細小纖維的劃分沒有統一的規定,本實驗規定長度在200μm~10mm,寬度在5~75μm的為纖維;長度小于200μm的為細小纖維。最后分別取一定量DFR上的留著漿料和DFR下的白水以及工廠紙機網下白水到纖維形態分析儀中分析纖維形態。
　　2　結果與討論
　　由表1可以得知,動態濾水儀下的白水纖維與工廠紙機網下白水纖維的平均特性基本一致,這是因為實驗用的動態濾水儀濾網的孔徑與紙機上濾網的孔徑一致,且采用的漿料、填料以及各種化學助劑也都相同。從動態濾水儀濾出的白水纖維基本上可以代表工廠紙機網下的白水纖維。
　　2·1　漿料與白水中纖維的長度與寬度分析纖維長度與寬度是評價紙漿質量的重要指標之一。
　　漿料與白水中的纖維形態分析如表1所示,漿料纖維的數均長度和重均長度分別為0·607 mm和0·922 mm,而白水纖維的長度要小很多,其數均長度和重均長度分別為0·326 mm和0·372 mm;但兩種纖維的寬度卻相差不大,分別為40·4μm和33·6μm。
　　從圖2和圖3纖維長度的分布來看,漿料中的纖維長度主要分布在0·20~1·25 mm的范圍內,其中有57·1%的纖維長度在0·20~0·50 mm內;而白水中的纖維長度主要分布在0·20~0·50 mm的范圍內,占總纖維的92·1%。從圖4和圖5纖維寬度的分布來看,兩者的寬度分布基本一致,都主要分布在27~67μm的范圍內。因此,可以得知漿料纖維的數均長度基本是白水纖維的2倍,其重均長度是白水纖維的3倍,但白水中纖維的含量很低,所以,將白水中的纖維回用不會影響最終紙張的強度。
　　2·2　漿料與白水中纖維卷曲與扭結的分析盤磨機械漿和預熱機械漿等在高濃磨漿過程中,由于熱和高頻脈沖的作用以及磨齒的搓捻等作用,纖維承受了很高的熱應力和機械應力而發生彎曲扭結。
　　所謂纖維卷曲,是指纖維平直方向的彎曲。在一定程度上,纖維卷曲指數增加,成紙的抗張強度、耐破度、環壓強度下降,而紙的透氣度、松厚度、過濾速度和光散射系數等增加。纖維卷曲指數一般測量統計每根纖維的卷曲狀態來表示纖維卷曲的程度,并按式(1)計算。
　　式中:Cg———纖維卷曲指數A———纖維末端對末端的直線長度, mmL———纖維的真實長度, mm纖維的扭結是指由于纖維細胞壁受損而產生的生硬的轉折。扭結程度高的纖維在紙張的抗張強度、撕裂強度等性能方面會受到較大的削弱。纖維的扭結率表示發生扭結的纖維數占總纖維數的比值,而纖維的平均扭結角一般測量統計每根纖維扭結角的平均值,并按式(2)計算。
　　Cl=∑ni=1ΔCin(2)式中:Cl———纖維平均扭結角, (°)Ci———每根纖維的扭結角, (°)n———發生扭結的纖維總數通過對漿料與白水中纖維的測定統計(見表1)可知,漿料纖維的平均扭結角和扭結率都略大于白水纖維的;而漿料與白水中纖維的卷曲指數幾乎相近,從圖6、圖7漿料和白水纖維的卷曲指數分布來看,兩者的卷曲指數分布也基本相同,絕大部分都分布在0~25%�？梢缘弥獌烧叩木砬c扭結特性差別不大,所以,白水中的纖維在卷曲與扭結特性方面不會對紙張性能產生影響。
　　2·3　漿料與白水中纖維的帚化與切斷分析高得率漿在磨漿過程中,纖維吸水潤脹產生細纖維化,并發生分裂帚化、表面分絲起毛,而且由于受到剪切力和纖維之間相互摩擦作用造成纖維橫向斷裂,從而使纖維被切斷。纖維的分絲帚化有利于纖維的結合,提高紙張的強度、緊度和勻度等性能,但纖維的過度切斷會降低紙張的強度,特別是撕裂度。
　　纖維帚化率可按式(3)計算。纖維的切斷率可按式(4)計算。
　　纖維帚化率=∑ni=1f∑ni=1(f+F)×100%(3)式中:f———纖維分絲長度, mmF———纖維長度, mmn———纖維總數纖維切斷率=纖維切斷末端總數1/2纖維末端總數×100% (4)從表1可以看出,白水纖維的帚化率為2·694%,要比漿料纖維的高一些;而白水纖維的切斷率為57·9%,比漿料纖維的切斷率60·6%要低一些。

　　2·4　漿料與白水中細小纖維的分析由于高得率漿生產的固有特點,相當一部分纖維在磨漿過程中變為細小纖維,而細小纖維的含量在造紙過程中的作用很大,不但會影響到紙機的運行過程,比如留著、濾水、白水回收系統、助劑功效、干燥速率等,還會影響到紙張的多種性能,如紙張結構、物理強度性能、光學性能、印刷性能等[8]。
　　纖維形態分析儀還能分別以長度和面積對細小纖維進行測定統計,如表2所示。當以長度統計時,規定長度小于200μm為細小纖維,測定結果表明漿料中細小纖維的含量為78·1%,而白水中細小纖維含量則達到了95·9%。從圖8和圖9的長度分布來看,兩者的長度分布基本一致且平均長度也幾乎相等。
　　由于細小纖維的表面積比纖維的大很多,而且細小纖維素分子的葡萄糖基上可游離出大量的羥基,故在抄紙過程中促進了纖維間的氫鍵結合,有利于提高紙張強度。因此,僅僅統計細小纖維的長度及分布是不夠的,最重要的是統計細小纖維的面積及分布。當以面積統計時,漿料細小纖維含量為22·4%,而白水細小纖維含量卻達到了72·8%,從圖10和圖11的面積分布來看,白水細小纖維的面積分布比較集中,在278~3594μm2范圍內的面積均比漿料細小纖維的含量高,而且白水細小纖維的平均面積為984μm2,比漿料細小纖維的大。這可能是由于漿料經過CPAM和膨潤土絮凝后,細小纖維發生了微絮凝作用使得表面積有所增大。白水細小纖維在面積上的特性表明,回用白水中的細小纖維有利于紙張纖維間的結合,有利于提高紙頁強度等性能。
　　表2　漿料與白水中細小纖維的含量與特性細小纖維含量/%以長度統計以面積統計細小纖維平均長度/μm細小纖維平均面積/μm2漿料78·1 22·4 43 920白水95·9 72·8 44 984圖11　白水細小纖維面積分布圖
　　3　結　論
　　利用纖維形態分析儀分析比較了CTMP漿料及其白水中纖維的形態,并得到以下結論。
　　3·1　漿料纖維的數均長度基本是白水纖維的2倍,其重均長度是白水纖維的3倍,漿料纖維的寬度及其分布與白水纖維的基本一致。
　　3·2　漿料纖維的扭結角和扭結率都略大于白水纖維的;而漿料與白水中纖維的卷曲指數幾乎相近,兩者的卷曲指數分布也基本相同。
　　3·3　白水中細小纖維的含量明顯比漿料中細小纖維的高,而且白水中細小纖維的平均面積也更大些,當回用白水纖維時,這些特性都有利于紙張纖維間的結合。

參　考　文　獻
　　[1]　周亞軍,張棟基,李甘霖.漂白高得率化學機械漿綜述[J].中國造紙, 2005, 24(5): 51.
　　[2]　ReisR, Nielsen G. Aspen BCTMP: proven performance[J]. Solu-tions, 2001(11): 28.
　　[3]　張紅杰,胡惠仁,倪永浩.高得率漿中DCS的性質及其對填料留著的影響[J].中國造紙, 2007, 26(10): 1.
　　[4]　文　飚,何北海,劉煥彬.新聞紙廠白水封閉循環的研究(Ⅰ)—白水封閉后濕部各參數間的關系及封閉程度的表征[J].中國造紙, 2001, 20(3): 11.
　　[5]　文　飚,何北海,劉煥彬,等.新聞紙廠白水封閉循環的研究(Ⅱ)—白水封閉對濕部狀況和紙頁強度的影響及其優化[J].中國造紙, 2001, 20(5): 37.
　　[6]　施英喬,莉　娜.萊斯凱蘭.高得率漿中細小纖維行為的研究[J].國際造紙, 1998, 17(6): 25.
　　[7]　RundlofM, HtunM, et. a.l Mechanical pulp fines of poor quality-characteristics and influence ofwhite water[J]. Journal ofPulp andPaperScience, 2000, 26(9): 308.
　　[8]　李海明,何北海.紙漿細小纖維研究方法[J].造紙科學與技術,2006, 25(3): 24.　CPP

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