廢紙脫墨漿光誘導返黃研究

云娜　何北海

摘要：采用紫外光誘導返黃的方法，設(shè)定不同的照射時間，使用白度損失（ΔR）、返黃值（PC值）及色差（ΔE*）等返黃指標對廢紙脫墨漿紙張返黃性能進行綜合評價；通過回歸分析建立了廢紙脫墨漿光誘導返黃數(shù)學模型。結(jié)果表明，ΔR、PC值和ΔE*與b*呈線性關(guān)系；在給定的光誘導條件下，隨著紫外光照射時間的延長，紙漿ΔR、PC值和ΔE*均不斷增大，且是一個先快速后慢速的返黃過程；廢紙脫墨漿的ΔR、PC值和ΔE*與紫外光照射時間呈分段線性關(guān)系，且氫氧化鎂基過氧化氫漂白漿（PMg（OH）2）比氫氧化鈉基過氧化氫漂白漿（PNaOH）的白度穩(wěn)定性高；建立的廢紙脫墨漿光誘導返黃數(shù)學模型具有良好的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：廢紙脫墨漿；光誘導返黃；回歸分析；數(shù)學模型

中圖分類號：TS745

文獻標識碼：A

DOI：1011981/jissn1000684220180217

廢紙脫墨漿是以廢紙纖維為主要原料，經(jīng)過碎漿處理，除掉廢紙中的印刷油墨和其他雜質(zhì)得到的再生紙漿。在碎漿、脫墨等處理的過程中，廢紙中的油墨會產(chǎn)生分離、沉積、再分離、再沉積等現(xiàn)象，使得成紙白度降低[1]。近年來，廢紙漿因具有節(jié)約資源和能源等特點，日益受到人們的關(guān)注，其應(yīng)用范圍也從最初生產(chǎn)包裝用箱紙板，擴大到生產(chǎn)高附加值的新聞紙、高級新聞紙、衛(wèi)生紙、超級壓光紙和低定量涂布紙等[24]，相應(yīng)地，對其白度、白度穩(wěn)定性以及強度等性能也提出了新的要求。

紙漿在儲存過程中，受到儲存環(huán)境，如溫度、相對濕度和紫外光照射等的影響而造成顏色的變化，這就是所謂的返黃現(xiàn)象。紙漿返黃一般有兩個誘導因素：熱誘導和光誘導。由于在光的照射下，機械漿會快速返黃，含機械漿的廢紙脫墨漿亦是如此。這主要是由于其纖維中木素含量高造成的，使得相關(guān)紙產(chǎn)品的應(yīng)用受到很大限制。在過去的幾十年里，人們對機械漿的返黃做了大量的研究，但是對于其返黃機理仍尚未有明晰的認識[510]；而且，國內(nèi)外關(guān)于廢紙脫墨漿返黃的研究很少[1113]。有研究者采用X射線光電子能譜（XPS）技術(shù)對針葉木熱磨機械漿（TMP）、闊葉木化學預(yù)處理熱磨機械漿（CTMP）和脫墨漿等幾種漂白漿的表面木素進行了測定[14]，結(jié)果表明，對于針葉木TMP和脫墨漿，其氫氧化鎂基堿源過氧化氫漂白漿比氫氧化鈉基堿源過氧化氫漂白漿的表面木素含量少，作者進而推測出后者比前者易返黃，但是此假設(shè)尚未被其他研究者證實。

本研究對廢紙脫墨漿未漂漿、氫氧化鈉基過氧化氫漂白漿（PNaOH）和氫氧化鎂基過氧化氫漂白漿（PMg（OH）2）進行紫外光誘導加速返黃，采用白度損失（ΔR）、返黃值（PC值）、色差（ΔE*）3種評價指標評估其返黃性能，且對這些指標隨光照時間延長的變化規(guī)律進行了研究和分析，并在此基礎(chǔ)上建立了廢紙脫墨漿光誘導返黃過程中ΔR、PC值及ΔE*變化的數(shù)學模型，以探索在紫外光照射下廢紙脫墨漿返黃的規(guī)律。

1實驗

11原料

廢紙（8#美廢）脫墨漿取自廣東某紙廠廢紙脫墨生產(chǎn)線熱分散機入口，該脫墨漿未漂漿白度472%，抗張指數(shù)158 N·m/g。實驗用氫氧化鎂（Mg（OH）2）、氫氧化鈉（NaOH）、過氧化氫（H2O2）、硅酸鈉（Na2SiO3）、乙二胺四乙酸（EDTA）等化學藥品均為分析純，購自化學試劑廠?；瘜W藥品用量以對絕干漿質(zhì)量計算。

12H2O2漂白

H2O2漂白實驗在置于恒溫水浴鍋的聚乙烯薄膜袋中進行。稱取一定量的蒸餾水及化學品（Na2SiO3、EDTA、NaOH或Mg（OH）2）置于燒杯中攪拌均勻，備用。

先把恒溫水浴鍋預(yù)熱至所需溫度，準確稱取一定量的廢紙脫墨漿裝入聚乙烯薄膜袋中，把所需藥液倒入漿中，搓揉均勻，再倒入一定量的H2O2，接著搓揉以達到良好的混合效果，將聚乙烯薄膜袋密封好，完全浸入恒溫水浴鍋中。在漂白過程中，每隔15 min搓揉一次，以保證反應(yīng)均勻進行。達到預(yù)定時間后，用蒸餾水洗滌漿料。然后用脫水機脫水，分散后轉(zhuǎn)入干凈的封口塑料袋中，平衡水分后用于進一步分析。

H2O2漂白的實驗條件為：H2O2用量300%，EDTA用量050%，Na2SiO3用量200%，溫度80℃，反應(yīng)時間120 min，漿濃10%。PNaOH的NaOH用量200%；PMg（OH）2的Mg（OH）2用量145%。

13抄造手抄片

將纖維疏解后，按照TAPPI標準T205的要求，采用凱塞法自動抄紙系統(tǒng)（RK3AKWT，奧地利PTI公司）抄造手抄片，然后放入符合TAPPI標準T402規(guī)定的恒溫恒濕室24 h，供測定其物理性能使用。

14光誘導返黃實驗

光誘導返黃實驗在紫外光加速老化實驗機（QUV341，美國QLab公司）中進行，發(fā)射光波長340 nm，溫度50℃，相對濕度50%，光照強度085 W/m2，紙片大小110 mm×80 mm。紫外光照射達到預(yù)定的時間后取出紙片，在避光室溫的環(huán)境中放置30 min后，采用白度儀測定其光學性能。

15紙張白度損失（ΔR）

按照TAPPI標準T452的要求，采用白度儀（Elrepho 070，瑞典L&W公司）測定手抄片的白度。根據(jù)式（1）計算紫外光照射后的ΔR。

ΔR =R∞0 - R∞1（1）

式中，R∞0、R∞1分別為紙張老化前后的白度。

廢紙脫墨漿光誘導返黃研究第33卷第2期

第33卷第2期廢紙脫墨漿光誘導返黃研究

16紙張返黃值（PC值）

PC值常用于評估紙張的返黃程度，PC值越大表明紙張返黃越嚴重。根據(jù)式（2）計算紙張的PC值[1516]。

PC值 =[（1 - R∞1）2 / 2R∞1-（1 - R∞0）2 / 2R∞0]× 100（2）

17色差（ΔE*）

ΔE*以明度指數(shù)、色品指數(shù)的差異來定量表示色彩知覺差異，兩種樣品的色差值一般采用國際發(fā)光照明委員會推薦的CIELAB（L*a*b*）系統(tǒng)及其有關(guān)色差公式進行計算。在此色彩空間系統(tǒng)中，L*表示明度；a*的正值表示紅色，a*的負值表示綠色；b*的正值表示黃色，b*的負值表示藍色。ΔE*的計算見式（3）。

ΔE* =[（L1* - L0*）2 +（a1* - a0*）2+（b1* - b0*）2]1/2（3）

式中，L0*、L1*分別為老化前后的明度指數(shù)；a0*、b0*和a1*、b1*分別為老化前后的色品指數(shù)。

2結(jié)果與討論

21廢紙脫墨漿光誘導返黃性能評價指標

采用ΔR、PC值和ΔE*指標對廢紙脫墨漿光誘導返黃性能進行綜合評價。為了說明紙漿的ΔR、PC值和ΔE*對紙漿光誘導返黃性能的評價情況，首先對其與CIELAB系統(tǒng)中色品指數(shù)b*的關(guān)系進行評價。根據(jù)CIELAB系統(tǒng)，b*的正、負值分別表示黃、藍值，b*正值越大表明樣品的顏色越偏黃，因此，b*可以表示紙張返黃的情況。廢紙脫墨漿的未漂漿、PNaOH漂白漿和PMg（OH）2漂白漿的ΔR、PC值和ΔE*與b*的關(guān)系分別如圖1、圖2和圖3所示，并對這3組數(shù)據(jù)分別進行擬合。擬合結(jié)果表明：ΔR、PC值和ΔE*與b*呈線性關(guān)系，3組線性方程的相關(guān)系數(shù)r均大于099，表明紙漿的ΔR、PC值和ΔE*與b*的線性關(guān)系非常顯著，ΔR、PC值和ΔE*能夠真實地反映紙張返黃的情況，因此，可以使用ΔR、PC值和ΔE*等指標對廢紙脫墨漿未漂漿及其漂白漿返黃的程度進行綜合評價。

22紫外光照射時間對紙漿ΔR、PC值和ΔE*的影響

本實驗對紙漿的ΔR、PC值、ΔE*等光誘導返黃評價指標隨紫外光照射時間延長的變化趨勢進行了研究。照射時長設(shè)定為：0、5、10、15、20、25、30、60、90、120、180、240、300和360 min。

廢紙脫墨漿未漂漿、PNaOH漂白漿和PMg（OH）2漂白漿的手抄片經(jīng)紫外光不同時間照射后的ΔR、PC值及ΔE*的變化如圖4、圖5和圖6所示。由圖4、圖5和圖6可見，隨著紫外光照射時間的延長，紙漿ΔR、PC值和ΔE*不斷增大。在紫外光照射開始的30 min內(nèi)，廢紙脫墨漿未漂漿、PNaOH漂白漿和PMg（OH）2漂白漿手抄片的ΔR分別為22%、46%、40%；而在30～180 min內(nèi)的ΔR才約等于此值（0～30 min的ΔR）；在180～360 min內(nèi)的ΔR還未超過此值（0～30 min的ΔR）。3種手抄片的PC值及ΔE*在紫外光照射開始的30 min內(nèi)分別增加了40、61、52及06、27、24，PC值及ΔE*增值的變化在最初的30 min內(nèi)也是最大的，說明這是一個快速返黃的階段。隨著紫外光照射時間的延長，ΔR、PC值和ΔE*的增加速率均減緩，說明這是一個較慢速返黃的階段。紫外光照射360 min時，未漂漿、PNaOH漂白漿和PMg（OH）2漂白漿的ΔR值分別是68%、117%、113%，PC值分別是145、190、181，ΔE*分別是50、82、81，說明PMg（OH）2漂白漿的白度穩(wěn)定性比PNaOH漂白漿好。

23廢紙脫墨漿光誘導返黃數(shù)學模型的建立

本課題采用實驗法建立了廢紙脫墨漿光誘導返黃數(shù)學模型。廢紙脫墨漿未漂漿、PNaOH漂白漿和PMg（OH）2漂白漿的ΔR、PC值及ΔE*分別對紫外光照射時間作散點圖，然后進行擬合，得到如圖7、圖8和圖9所示的曲線。

由圖7、圖8和圖9可知，ΔR-t、PC值-t及ΔE*-t呈分段線性關(guān)系，并且在紫外光照射時間約為30 min時出現(xiàn)拐點。使用Origin軟件分段對數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，結(jié)果見表1、表2和表3。由這些回歸數(shù)據(jù)可知，所有的線性回歸方程中，判定系數(shù)R2 ≥ 095，表明在此回歸模型中，因變量和自變量的線性關(guān)系明顯；相對應(yīng)的顯著性概率Prob>F值極小，遠遠小于005，表明在置信水平α = 005時，所有回歸方程的線性關(guān)系十分顯著。

因此，通過以上分析認為，在廢紙脫墨漿光誘導返黃過程中，ΔR、PC值及ΔE*隨紫外光照射時間（t）變化的數(shù)學模型分別為：

ΔR=a1 · t + b1（0 < t< t1）

ΔR=a2 · t + b2（t > t1）

PC值=A1·t + B1（0 < t< t1）

PC值=A2·t +B2 （t > t1）

ΔE* = α1·t + β1（0 < t < t1）

ΔE* = α2·t + β2（t > t1）

式中，a1、A1、α1、a2、A2、α2 為擬合直線的斜

24廢紙脫墨漿光誘導返黃數(shù)學模型的驗證

采用與上述實驗用廢紙脫墨漿初始白度略有差異的漿料（2#廢紙脫墨漿未漂漿）及其不同NaOH基和Mg（OH）2基H2O2漂白漿進行重復(fù)實驗，并對數(shù)學模型進行驗證。ΔR、PC值及ΔE*隨紫外光照射時間的變化如圖10、圖11和圖12所示。

由圖10、圖11和圖12可知，2#廢紙脫墨漿的ΔR、PC值及ΔE*隨紫外光照射時間的延長也呈分段線性關(guān)系，以30 min左右為界，出現(xiàn)先快速返黃后較慢速返黃的動力學階段；且判定系數(shù)R2均大于095，顯著性概率Prob>F值極小，遠遠小于005，在置信水平α = 005條件下，擬合得到的回歸方程線性關(guān)系十分顯著。由此可見，實驗數(shù)據(jù)與所得模型具有良好的吻合性，說明此數(shù)學模型對廢紙脫墨漿光誘導返黃性能具有良好的適用性。

3結(jié)論

31廢紙脫墨漿白度損失（ΔR）、返黃值（PC值）、色差（ΔE*）與色品指數(shù)b*呈線性關(guān)系，可采用ΔR、PC值和ΔE*這3種指標對廢紙脫墨漿的返黃性能進行綜合評價。

32隨著紫外光照射時間的延長，紙漿ΔR、PC值和ΔE*均不斷增大，且是一個先快速后慢速的過程。光照射360 min時，廢紙脫墨漿氫氧化鈉（NaOH）基過氧化氫（H2O2）漂白漿（PNaOH）和氫氧化鎂（Mg（OH）2）基H2O2漂白漿（PMg（OH）2）的ΔR分別是117%、113%，PC值分別是190、181，ΔE*分別是82、81，說明PMg（OH）2比PNaOH的白度穩(wěn)定性好。

33ΔR、PC值和ΔE*與紫外光照射時間（t）呈分段線性關(guān)系；通過擬合分析得到ΔR、PC值和ΔE*隨t變化的模型。所得模型與實驗數(shù)據(jù)具有良好的吻合性，并具有較好的適用性。

參考文獻

[1] CHEN Jiaxiang. Effect of Irreversible Ink Redeposition during Pulping on the Brightness of Recycled Pulp[J]. China Pulp & Paper， 2000， 19（5）： 52.

陳嘉翔. 油墨粒子的不可逆再沉積對再生漿白度的影響[J]. 中國造紙， 2000， 19（5）： 52.

[2] Vincent A， Khong C， Rizzon E. FAS （thiourea dioxide） bleaching of recycled pulp[J]. Appita Journal， 1997， 50（5）： 393.

[3] Dorris G， Ben Y， Richard M. Overview of flotation deinking[J]. Progress in Paper Recycling， 2011， 20（1）： 3.

[4] Süss H U， Nimmerfroh N， Hopf B. Bleaching of wastepaper pulpchances and limitations[C]// 4th Pira International Wastepaper Conference， London， 1995.

[5] Kimura F， Kimura T， Gray D G. FTIR study of the effect of irradiation wavelength on the colour reversion of thermomechanical pulps[J]. Holzforschung， 1994， 48（4）： 343.

[6] Leary G J. Recent progress in understanding and inhibiting the lightinduced yellowing of mechanical pulps[J]. Journal of Pulp and Paper Science， 1994， 20（6）： J154.

[7] Rosu D， Teaca C， Bodirlau R， et al. FTIR and color change of the modified wood as a result of artificial light irradiation[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology B： Biology， 2010， 99（3）： 144.

[8] Pandey K K. Study of the effect of photoirradiation on the surface chemistry of wood[J]. Polymer Degradation and Stability， 2005， 90（1）： 9.

[9] Müller U， Rtzsch M， Schwanninger M， et al. Yellowing and IRchanges of spruce wood as result of UVirradiation[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology B： Biology， 2003， 69（2）： 97.

[10] Zou X. During storage and shipping， nitrogen oxides can cause rapid yellowing and degradation of pulp and paper products[J]. Pulp & Paper Canada， 2004， 105（3）： 51.

[11] Tan Benzhu， Jiang Yanbin， Qian Yu， et al. The Study of Yellowing of OMP DIP Bleaching[J]. Paper Science & Technology， 2002， 21（3）： 14.

譚本祝， 江燕斌， 錢宇， 等. 混合辦公廢紙脫墨漂白漿的返黃研究[J]. 造紙科學與技術(shù)， 2002， 21（3）： 14.

[12] Zhang Lin， Chen Yongchang， Li Xuejun. Research on Resistance to Yellow Changing of Flexo Print[J]. Packaging and Engineering， 2006， 27（5）： 104.

張琳， 陳永常， 李學軍. 柔印印品耐黃變性能的探討[J]. 包裝工程， 2006， 27（5）： 104.

[13] Savoye L， PetitConil M， Meyer V. Mechanisms of TMP peroxide bleaching using Mgbased alkalis[J]. Holzforschung， 2011， 65（6）： 797.

[14] Leduc C， Martel J， Daneault C. Efficiency and effluent characteristics from Mg（OH）2based peroxide bleaching of highyield pulps and deinked pulp[J]. Cellulose Chemistry & Technology， 2010， 44（7/8）： 271.

[15] Mcgarry P， Heitner C， Schmidt J， et al. A dramatic solvent effect on highyield pulp yellowing inhibition for a benzophenonebased ultraviolet absorber[J]. Journal of Photochemistry and Photobiology A： Chemistry， 2002， 151（1）： 145.

[16] Fang G， Castellan A， Shen Z. Brightness stabilizing effect of UVabsorbers and radical trapper on poplar APMP pulps[J]. Chemistry and Industry of Forest Products， 2000， 20（1）： 33.