分級漿料懸浮液的脫水

（第一部分----細小纖維的數量及類型對脫水的影響）王艷 編譯 岳陽林紙股份公司 湖南 岳陽（414002）

造紙原料中纖維素細小纖維的存在會大大影響脫水速度，有時甚至會限制紙機的整體生產速度。通過在網部和壓榨部更有效地脫水，造紙廠可以減少紙張干燥所需的能量。提高機械漿比例，增強磨漿作用，使用未脫墨的回收漿料等都會帶來更高的細小纖維含量。解決這些問題對于造紙工廠來說能夠提高產能，降低固定成本，帶來可觀的經濟效益。

從20世紀50年代以來，許多重要的理論研究工作已經揭露了影響造紙纖維懸浮液的因素。通過建立模型成功研究了脫水阻力與施膠、表面面積、纖維在濕墊層漿上的伸縮性的函數關系。但這些研究很少涉及到纖維性細小纖維或造紙化學品的影響。最近一份文獻認為，對于脫水阻力的傳統解釋并沒有準確地說明纖維性細小纖維含量、漿料濃度、脫水助劑的影響。細小纖維每單位質量的外部表面面積比纖維高很多，這也許能夠說明細小纖維對脫水產生影響的原因。如果是那樣的話，那么可以采用康采尼卡曼方程來預測細小纖維對脫水速度的影響。然而，這種方法卻未能準確地說明增加細小纖維含量和提高定量對脫水阻力的影響。

另外一種解釋認為，細小纖維會增加水流通過纖維層的阻力，因為在濕紙幅當中形成了堵塞點。在濕紙幅的脫水過程中，游離的細小纖維有可能會進入到脫水通道里面。這些細小纖維在狹小空間里可能會被捕獲，然后對降低流速造成不均勻的影響。

為了解決這些問題，我們檢查了兩種類型的纖維素細小纖維在重力的影響下對漂白硫酸鹽漿纖維懸浮液的影響。

1 實驗體系

1.1 材料

我們準備并冷藏了細小纖維和長纖維的獨立組分，以備后用。纖維成分是先分散20磅白度為84°、含35%回收漿的靜電復印紙，然后采用Bauer-Mc-Nett篩分儀以及100網目的篩子收集起來的（TAPPI T233標準--采用分級法測定漿料纖維長度）。在每處理1批漿料時，篩分儀都剛好運行15分鐘，目的是減少總的細小纖維含量。

漂白闊葉木漿料中的原生纖維是以抄片的形式獲得的，原料來自于一家美國南部的紙廠。采用一臺TAPPI碎解機以15000的轉速對漿料進行分散（TAPPIT205標準--用于漿料物理測試的抄片方法）。能順利通過篩分儀內一臺100目篩子的漿料組分被收集在一個大圓桶內。經過一個晚上使固形物完全沉淀，頂部的液體采用虹吸管吸出。接下來將細小纖維懸浮液送到一個較小的容器，進行進一步沉淀和液體虹吸，直到固形物含量達到0.1%左右。

收集上述步驟中留在100網目篩子以上的部分（即R100組分），然后采用實驗室的荷蘭式打漿機進行集中打漿30分鐘時間（TAPPIT200標準--漿料的實驗室加工處理法），得到了再生纖維。收集多批磨后懸浮液，放在篩分儀的成漿槽內，并使用200網目的篩子。能夠通過篩子的組分收集在大圓桶內，采用上述沉淀辦法進行濃縮。

1.2 方法

采用配備了索尼電動DXC-97OMD攝像機的奧林巴斯BH2-UMA光學顯微鏡拍攝了顯微鏡圖片。每次脫水測試的樣品為1000克懸浮液中含5克絕干成分，導電率為1000us/cm。為了達到這個標準，我們準備了一批集中控制的樣品，濃度范圍在1%-2%之間，來自于復印紙的標準回收漿（R200）。加入了足量的硫酸鈉，達到目標導電率。在每次測試之前，對計算出來的纖維懸浮液和細小纖維懸浮液的數量進行混合。

采用巴克曼實驗室提供的改良型打漿度儀進行脫水測試。這臺設備在每次測試之前進行清潔，并且在出口下面平衡放置一個1000毫升的量杯，測量其毛重。按下活塞將1000毫升的混合物倒到量杯里。松開活塞時，馬上開始計時。在開始脫水之后，記錄下特定時間（如5秒、10秒、20秒等等）內的濾液質量。使用HFScientific公司（美國弗羅里達）提供的DRT-15CE濁度儀檢測濾液濁度。使用同樣的混合液樣品進行重復測試，在兩次檢測之間簡單地翻轉計量瓶得到兩個結果。

2 結果和討論

2.1 細小纖維和纖維的尺寸

原生纖維主要由較為狹長近似長方形的物體組成，長度為30~60μm，寬度為10~30μm（圖1A）。外形尺寸和闊葉木韌皮部薄壁細胞是一致的。對漂白闊葉木硫酸鹽漿的闊葉木組分進行磨漿得到再生纖維，但是在顯微鏡中顯示不明顯。有一部分細小纖維比較纖細透明，低于顯微鏡的分辨率（約為5μm）。圖1B中的大部分可視物體為纖維和原生細小纖維。原生細小纖維在圖片中顯示得較模糊，說明沒有充分溶解。圖1C為靜電復印紙分級篩選得到的典型纖維形態。

圖1從未磨BHKP漿得到原生纖維（A），從磨后BHKP漿中得到再生纖維(B),未印刷的靜電復印紙經過碎漿和分級篩選的纖維（C）的光學顯微鏡圖。

表1細小纖維和纖維樣品的特性

表1說明了使用纖維質量分析儀（FQA）的圖像分析結果。原生細小纖維的尺寸數據表明了纖維大都為長方形，與圖1A是吻合的。尤其是闊葉木漿料較短的矩形薄壁細胞非常明顯。與之相反，再生細小纖維的最大長度大很多，但是有些寬度卻大大小于原生纖維。從靜電復印紙碎漿得到的纖維組分采用纖維質量分析儀的結果屬于典型的闊葉木硫酸鹽纖維為主組成的漿料配比的結果。

圖2對1000mL濃度為0.5%的漿料樣品進行重力脫水，含不同比例的可濾固形物的原生纖維（上）和再生纖維（下）隨時間變化的濾液質量。

圖3對1000mL濃度為0.5%的漿料進行重力脫水得到500mL或800mL濾液需要的時間。原生纖維（方框）或再生纖維（圓形）的含量為30%。

2.2 細小纖維對脫水的影響

圖2A和2B說明了重力脫水對原生纖維和再生纖維的依賴性。如圖2A所示，在細小纖維占總質量的30%或以上之前，原生纖維并沒有明顯影響到懸浮液的游離度。細小纖維含量對于脫水的影響并不成線性關系。例如，原生細小纖維的比例為60%的時候，對脫水的影響程度遠遠大于原生細小纖維比例為30%時對脫水造成的影響的兩倍。

細小纖維含量對脫水阻力的非線性影響與之前的研究成果一致，但是與直接應用康采尼卡曼方程的計算結果不同。對于這些結果的一種嘗試性解釋可能是未附著的細小纖維在濕紙幅中發生了遷移，被捕獲后在紙幅中形成了堵塞點。

經過對圖2上和圖2下的對比發現，再生細小纖維對脫水的影響大于原生細小纖維。這種結果與之前的研究結果是相同的。脫水的速度隨著時間的推移而下降，下降程度比靜壓頭下降的程度更大。圖2中的質量-時間趨勢圖的曲線走向可以說明這種對時間的非線性依賴性?？挡赡峥匠填A測了當混合物濃度改變時，特別是接近每次脫水測試結尾時的非線性影響。甚至在脫水實驗的初始階段就發現了較大的曲度，特別是再生纖維含量占30%甚至更高時。

圖3表明了這些數據當中其他的非線性關系。圖3（上）說明了對于不同的細小纖維含量收集500g濾液所需的不同時間。圖3（下）比較了從含有不同數量的細小纖維中收集800g濾液所需的時間，得到了更大程度的非線性關系。即使是原生纖維，對脫水的阻力也隨著細小纖維含量的比例而增長。

為了量化這種非線性關系，圖4展示了與再生纖維相關的計算出的擬合數據。圓形符號代表了收集圖2（下）中提到的300g濾液所需的時間。為了計算這個擬合值，我們假定收集特定濾液所需的時間可以用作計算脫水阻力的衡量標準。假定脫水阻力R與細小纖維含量F有關，其依據如下：

在式中，A和B是常數，n是一個指數。常數A與細小纖維對流量阻力的貢獻有關，常數B與纖維造成的流量阻力有關，如圖4所示，當指數為2.15時得到了合適的擬合修正數據。擬合因子A和B對應的的數值分別是0.027和0.0351。

2.3 濁度測試結果

濁度測試的結果證實了以上解釋?？梢越忉屵@一現象的機理包括纖維墊層漿對纖維素纖維的過濾。因為再生細小纖維一般比較細長，所以我們認為隨著再生細小纖維含量的提高，墊層漿作為過濾介質的作用將會更大。

圖5說明了濾液的濁度對每種類型的細小纖維含量的非線性依賴關系。如果是原生纖維的話，濁度隨細小纖維含量增加而提高，直到含量達到30%為止，隨后是一個較緩和的上升坡度。而對于再生纖維，當細小纖維含量達到20%以后，濾液濁度基本上就不太繼續上升。但是例外的是，當樣品中含有60%的再生纖維時，濁度進一步上升比較明顯。細小纖維含量為60%時的影響是因為長纖維含量非常低，降低了長纖維墊層漿的厚度，影響了過濾。

圖4從含不同比例再生纖維的漿料中收集300g濾液的擬合指數和線性趨勢。

圖5細小纖維對與濾液濁度的影響，通過對含有原生纖維（方框）或再生纖維（原形）的纖維素纖維懸浮液進行重力脫水得到的濾液。

3 結論

在這個研究當中，我們發現在纖維懸浮液當中添加原生細小纖維和再生細小纖維會提高對重力脫水的阻力。這種影響是一種非線性的關系：當添加量達到20%的原生細小纖維或者5%的再生細小纖維時，對于改良游離度儀脫水試驗只有很小的影響。更大程度地提高良種細小纖維的比例都會顯著地降低濾水速度。對漂白闊葉木硫酸鹽漿進行磨漿得到的再生纖維，與未磨漿的漂白闊葉木硫酸鹽漿中得到的原生纖維相比，對于脫水的影響相對更大。從再生細小纖維中得到的脫水試驗的數據可以通過一個指數方程進行擬合。收集特定數量的濾液的時間和細小纖維含量的指數2.15成一定比例。結果表明：再生細小纖維可以作為機械濾水的有效助劑。（編譯自《TAPPI Journal》July,2008）