選擇性磨漿對楊木P-RC APMP制漿過程的優化

張美云 齊書田，* 王 建 李王芳

(1.陜西科技大學，陜西西安，710021；2.福伊特造紙(中國)有限公司，江蘇昆山，215300)

·楊木P-RC APMP·

選擇性磨漿對楊木P-RC APMP制漿過程的優化

張美云1齊書田1，*王 建1李王芳2

(1.陜西科技大學，陜西西安，710021；2.福伊特造紙(中國)有限公司，江蘇昆山，215300)

利用纖維束篩分儀將一段高濃磨后的半成品化機漿篩分為纖維束和漿A，將纖維束用盤磨磨漿至不同游離度后回添至漿A中，制備化機漿(漿C)，實施化機漿生產的選擇性磨漿。研究了選擇性磨漿對楊木P-RC APMP成紙性能及磨漿能耗的影響。結果表明，采用選擇性磨漿，可以降低化機漿生產過程的磨漿能耗。在與對比漿游離度基本一致的情況下，對出一段高濃磨半成品漿料中的纖維束實施選擇性磨漿，當纖維束磨漿至170 mL，即漿C的游離度為305 mL時，二段磨漿能耗降低13.1%，成紙松厚度提高11.6%，撕裂指數升高1.7%，但抗張指數降低10.5%，內結合強度降低16.8%。纖維束的選擇性磨漿，可通過控制纖維束磨漿后的特性，調整化機漿成紙性能。

纖維束；能耗；松厚度

(*E-mail: qishutian42210@163.com)

化機漿是在傳統機械漿基礎上發展起來的現代清潔高效制漿新技術，具有得率高、成紙松厚度高、污染低、成本低等優點，在紙漿質量和成本上填補了化學漿和機械漿間的空缺[1]。但是化機漿在生產過程中需要大功率的高濃盤磨機，該設備消耗較高電能，在磨漿的過程中有很多電能轉化成熱能，造成電能的浪費，能耗較高。如何降低化機漿生產過程中的能耗受到廣泛關注。有研究者[2]發現，對P-RC APMP制漿工藝第二段采用低濃磨漿能夠降低能耗。Hart等人[3]和Pere等人[4]分別利用纖維素酶處理漿料，研究磨漿能耗，認為纖維素酶預處理有利于降低第二段磨漿能耗，但是酶預處理工藝難控制，處理時間較長，所以此工藝在生產實踐中應用比較困難。

化機漿的生產一般需要經過兩段磨漿后得到所需游離度的漿料。在實際生產中發現，木片經過一段高濃磨后，大部分木片已經被有效分離成纖維，這部分纖維將混合未分離的纖維束進行二段磨漿。因此，如果能夠將這部分已經被有效分離的纖維進行篩分，僅對未分離的纖維束進行二段磨漿，將會有效降低二段磨漿的紙漿總量，從而降低磨漿能耗，本文將這種磨漿方式定義為化機漿的選擇性磨漿。為了探討這種選擇性磨漿的可行性，本研究利用纖維束篩分儀對一段高濃磨后化機漿進行篩分，將篩出的纖維束與漿(定義為漿A，下同)分開收集，使用盤磨只對纖維束進行二段磨漿，磨后漿(定義為漿B，下同)按照篩出的纖維束比例回添至漿A制備產品化機漿(定義為漿C，下同)，并對選擇性磨漿的節能效果及成紙性能進行探討，以期為化機漿的生產及應用提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗原料

山東某廠楊木P-RC APMP生產線上經過一段高濃磨后的漿料(半成品化機漿)，游離度710 mL。

1.2 實驗儀器

ZSP-300盤磨機，吉林機械廠；PTI纖維束篩分儀；CSF游離度儀；MMDICH-30多媒體攝影生物顯微鏡；TAPPI標準抄片器，陜西科技大學機械廠；DC-HJ Y03電腦測控厚度緊度儀，四川省長江儀器廠；SEO64抗張強度儀，瑞典L&W公司；ProTear撕裂強度測定儀，美國MIT公司；KRK內結合強度儀，日本KUMAGAI RIKI KOGYO公司；PCD194E-2S4型多功能智能電表，西安亞川電力科技有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 纖維束篩分

取一定量經過一段高濃磨后的楊木P-RC APMP漿，浸泡24 h后，將漿料濃度調至1%，利用纖維束篩分儀進行篩分，將篩出的纖維束與漿A分開收集，濃縮測定兩部分比例后備用。

圖1 磨漿前后纖維形態(×400)

1.3.2 漿料準備

將篩出的纖維束濃縮至濃度25%，使用高濃盤磨磨漿。盤磨機主軸轉速3000 r/min，喂料螺旋轉速300 r/min，調整磨盤間隙獲得不同游離度的漿B，漿B篩除纖維束后，按照1.3.1中纖維束篩出比例回添至漿A，混合均勻后制備為漿C，供成紙性能測試使用。

1.3.3 磨漿前后纖維形態的觀察

取磨漿前纖維束及磨漿后不同游離度的漿B，疏解均勻，由赫氏試劑染色后在多媒體顯微鏡下觀察纖維形態的變化。

1.3.4 手抄片的制備及成紙性能檢測

取一定量的漿C，在白水循環條件下，利用TAPPI標準抄片器制備手抄片，前5張用于制白水，后5張抄造手抄片，風干，并在恒溫恒濕條件下平衡水分，然后按照國家標準測定成紙性能。

2 結果與討論

2.1 纖維束篩分

利用纖維束篩分儀篩出半成品楊木P-RC APMP中的纖維束，篩選前后漿料的纖維束含量及特性見表1。由表1可以看出，篩選前半成品化機漿中約含41.8%的纖維束；篩選后所得的漿A中纖維束含量為0。因此，篩選后的漿A可用于后續漿C的制備。

表1 半成品楊木P-RC APMP篩選前后的特性

2.2 磨漿前后纖維形態的變化

篩出的纖維束及經過二段高濃磨后的纖維(漿B)形態如圖1所示。由圖1可知，未經過二段高濃磨的纖維束由多根纖維黏結而成，纖維表面有少許起毛現象，這是由于其經過了一段高濃磨而造成的，但纖維均成束存在。隨著磨漿的進行，纖維的細纖維化程度也在不斷增加，磨至游離度為360 mL 時，纖維束已基本完全解離為單根纖維，且纖維表面有少量分絲帚化；纖維束磨至游離度為170 mL時，已經出現大量分絲帚化，并且部分細小纖維絮聚成團，當纖維束磨至游離度為130 mL及100 mL時，成團的纖維又被磨開，并且絲狀細小纖維大量增加。高濃磨漿以纖維搓揉為主，因此絲狀細小纖維較多，碎片狀細小纖維很少。

2.3 纖維束的磨漿能耗

纖維束磨漿所制備的漿B游離度與磨漿能耗之間的關系如圖2所示。由圖2可知，隨著漿料游離度的不斷降低，盤磨對纖維所做的功越來越大，磨漿能耗不斷上升，當漿B游離度為360 mL時，磨漿能耗為616 kWh/t，而漿B游離度為100 mL時，磨漿能耗達到了854 kWh/t，能耗增加了38.6%。

圖2 漿B游離度對纖維束磨漿能耗的影響

2.4 纖維束的磨漿能耗對漿C能耗的影響

將漿B按照41.8%的比例回添至漿A中，組成成品化機漿即漿C，測定漿C游離度，并按照圖2的能耗值計算漿C能耗，結果見表2。

表2 漿C游離度與能耗值

從表2可以看出，隨著纖維束磨漿程度的增加，在漿B回添比例不變的情況下，所獲得的漿C游離度不斷降低，能耗不斷增加。

表3 對比漿的成紙性能及能耗

注 自制成品漿是將出一段高濃磨的半成品化機漿利用高濃磨在25%的濃度下磨漿，篩除纖維束后所得。

2.5 對比漿的選擇與確定

為了對比研究化機漿選擇性磨漿的優缺點，實驗選擇了工廠成品漿和自制成品漿2種不同的對比漿樣，其成紙性能及磨漿能耗見表3。

從表3可以看出，在游離度基本一致的情況下，自制成品漿具有較高的松厚度，但成紙強度較低，這可能是由于工廠成品漿在生產過程中經歷了第二段漂白，漂白過程的堿性條件會降低成紙松厚度，提高成紙強度[5]。由于本研究中所獲得的漿A及漿B是由出一段高濃磨的半成品化機漿制備所得，均未經歷第二段漂白，因此，本研究工作選擇自制成品漿作為對比漿料，與化機漿的選擇性磨漿進行能耗與成紙性能的比較。

對比分析表2和表3可以看出，當實施化機漿的選擇性磨漿——即僅對纖維束進行磨漿，利用纖維束所制備的漿B游離度為100 mL時，所獲得的漿C能耗值與對比漿基本一致；當漿B游離度高于100 mL，在不考慮其他因素時，所獲得的漿C磨漿能耗低于對比漿。當漿B游離度為170 mL、130 mL時，所得漿C游離度與對比漿游離度接近，但相比對比漿，能耗分別降低了13.1%、5.5%。

2.6 漿C與對比漿成紙性能研究

2.6.1 松厚度

不同游離度的漿C及對比漿抄造紙張的松厚度變化如圖3所示。由圖3可知，隨著漿C游離度的降低，紙張松厚度不斷下降，當漿C游離度從400 mL降到295 mL時，松厚度下降較為緩慢，共下降了1.9%；當漿C游離度從295 mL降到245 mL時，紙張松厚度急劇下降，下降了5.6%。由于組成漿C的漿A性質不變，因此，漿C抄造紙張的松厚度變化只與組成漿C的漿B纖維特性有關。這可能是在纖維束的磨漿過程中，磨漿前期主要是纖維束解離為單根纖維，此時，所得漿B的纖維粗度沒有明顯的變化；隨著磨漿的不斷進行，纖維表面不斷被剝離、長度不斷變小，所得漿B粗度發生較為明顯的變化。從圖3中還可以看出，雖然隨著漿C游離度的下降，漿C抄造紙張的松厚度降低，但其松厚度均高于對比漿。當漿C游離度為305 mL時，抄造紙張的松厚度為3.81 cm3/g，比對比漿升高11.6%。

2.6.2 抗張強度

圖3 紙張松厚度的變化

不同游離度的漿C及對比漿抄造紙張的抗張強度變化如圖4所示。由圖4可知，隨著漿C游離度的不斷降低，紙張抗張指數不斷上升，當漿C游離度由400 mL降到305 mL時，抗張指數上升曲線較為平緩，共上升了13.5%；而漿C游離度從305 mL降到245 mL時，抗張指數上升較為劇烈，上升了27.7%，這同樣是由于組成漿C的漿B所引起的，由于漿B在高濃盤磨磨漿前期，主要是纖維束在高濃磨漿作用下發生搓揉作用，單根纖維不斷被剝離下來；而磨漿后期，纖維表面分絲帚化，纖維與纖維間結合面積增大，形成更多的氫鍵，所以抗張強度增加速度隨之加快。從圖4中還可以看出，只有漿C的游離度達到245 mL時，漿C的紙張抗張強度才高于對比漿。當漿C的游離度為305 mL時，其紙張抗張指數為13.4 N·m/g，比對比漿降低10.5%。

圖4 紙張抗張強度的變化

2.6.3 撕裂強度

不同游離度的漿C及對比漿抄造紙張的撕裂強度變化如圖5所示。由圖5可知，隨著漿C游離度的不斷降低，紙張撕裂指數先升高后降低，當漿C游離度達到295 mL時，撕裂指數達到最大值；當漿C游離度低于295 mL時，撕裂指數開始下降。這是由于影響撕裂強度的主要因素是纖維平均長度，其次是纖維與纖維結合的數目和結合的強度，撕裂過程所需要的力一是把纖維拉脫所需的力，二是撕斷纖維所需的力[6]。磨漿的前期，組成漿C的漿B在高濃磨作用下纖維分絲帚化作用明顯，纖維長、細、柔軟，纖維間結合面積大，摩擦阻力較大，拉脫時所需的力也較大，參與拉脫和撕斷的纖維也較多，所以撕裂強度提高。隨著纖維長度的不斷降低，纖維之間的結合足以抵抗拉脫力，撕裂過程不是將纖維拉脫而是撕斷纖維，這種情況會將撕力集中到較小的面積上，從而使撕裂強度降低。從圖5中還可以看出，當漿C游離度達到305 mL和295 mL時，漿C的撕裂強度均高于對比漿，當漿C的游離度為305 mL時，成紙撕裂指數為2.12 mN·m2/g，較對比漿提高了1.7%。

圖5 成紙撕裂強度的變化

2.6.4 內結合強度

不同游離度的漿C及對比漿抄造紙張的內結合強度變化如圖6所示。由圖6可知，隨著漿C游離度的不斷下降，紙張內結合強度不斷升高。當漿C游離度從400 mL降到305 mL時，內結合強度上升曲線較為平緩，上升了7.5%；而漿C游離度從305 mL降到245 mL時，內結合強度上升較快，上升了23.6%。這是由于組成漿C的漿B磨至較高游離度時，雖然單根纖維剝離出來會增大纖維間的結合面積和氫鍵結合，但是將漿B磨至較低游離度時大量纖維分絲帚化，纖維的細纖維化程度急劇增大，纖維間結合面積和氫鍵結合急劇增大，所以內結合強度增加速度加快。從圖6中還可以看出，只有漿C的游離度達到245 mL時，漿C的成紙內結合強度才高于對比漿，當漿C的游離度為305 mL時，其成紙內結合強度為43.6 J/m2，較對比漿降低16.8%。

圖6 紙張內結合強度的變化

3 結 論

3.1 利用選擇性磨漿，可以降低化機漿生產過程的磨漿能耗。在與對比漿游離度基本一致的情況下，對出一段高濃磨半成品化機漿中的纖維束實施選擇性磨漿，當纖維束磨漿至170 mL(漿B)時，即漿C游離度為305 mL時，二段磨漿能耗降低約13.1%，成紙松厚度提高11.6%，撕裂指數升高1.7%，但抗張指數降低10.5%，內結合強度降低16.8%。

3.2 纖維束的選擇性磨漿，可以通過控制纖維束磨漿后的特性，調整化機漿成紙性能。

[1] LIU Yan-cheng. The Application and Trend of Chemical-mechanical Pulp[J]. Transactions of China Pulp and Paper, 2011, 26(1): 60. 劉彥成. 化機漿的應用和發展趨勢[J]. 中國造紙學報, 2011, 26(1): 60.

[2] LIU Bing-yue. The Development and Current Status of Energy Consumption of China’s Pulp & Paper Industry[J]. China Pulp & Paper, 2010, 29(10): 64. 劉秉鉞. 我國造紙工業能耗的發展變化與現狀分析[J]. 中國造紙, 2010, 29(10): 64.

[3] Hart P, Waite D. Refining energy reduction and pulp characteristic modification of alkaline peroxide mechanical pulp(APMP) through enzymatic application[C]//Tappi Engineering Conference, Portland, 2008.

[4] Pere J, Siika-Aho M, Viitari L. Biomechanical pulping with enzymes: response of coarse mechanical pulp to enzymatic modification and secondary refining[J]. Tappi Journal, 2000, 83(5): 1.

[5] Ni Yonghao, He Zhibin, Zhou Yajun. Alkaline Peroxide Bleaching and the Properties of High Yield Pulp[J]. World Pulp and Paper, 2007, 26(3): 10. 倪永浩, 何志斌, 周亞軍. 堿性H2O2漂白及其對高的率漿性能的影響[J]. 國際造紙, 2007, 26(3): 10.

(責任編輯：董鳳霞)

Optimization of P-RC APMP Process by Selective Refining

ZHANG Mei-yun1QI Shu-tian1,*WANG Jian1LI Wang-fang2

(1.ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi′an,ShaanxiProvince, 710021;2.VoithPaper(China)Co.,Ltd.,Kunshan,JiangsuProvince, 215300)

The pulp at first stage refining was divided into shives and pulp A with the use of shives screens, the shives were refined to the pulp B with different freeness, then the pulp B was backfilled into pulp A in proportion, the effects of selective refining on the paper properties and energy consumption of refining were analyzed. The results showed that: selective refining could reduce the energy consumption of refining. On basis of the freeness of the resultant pulp was the same as with the self-finished pulp, when the freeness of pulp B reached to 170 mL, the freeness of pulp C is 305 mL, energy consumption of refining decreased by 13.1%, paper bulk and tear index increased by 11.6% and 1.7%, while the tensile strength and internal bonding strength decreased by 10.5% and 16.8%. The selective refining of shives could adjust the paper properties by controlling the shives refining characteristic.

shives; energy consumption; bulk

張美云女士，博士，教授；主要研究方向：高性能加工紙，特種紙原理與技術。

2013- 08- 28(修改稿)

國家自然科學基金(項目編號：31070527)；陜西科技大學研究生創新基金資助項目。

TS743+.3

A

0254- 508X(2014)02- 0001- 05

*通信作者：齊書田先生，E-mail:qishutian42210@163.com。