兩種商品木漿的紙漿性能研究*

趙金濤 張?jiān)讫?林 瑜 陳克利

（1.云南中煙再造煙葉有限責(zé)任公司，昆明 650106； 2.昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院, 昆明 650500）

據(jù)中國(guó)造紙協(xié)會(huì)調(diào)查資料顯示，預(yù)計(jì)到2020年，全球紙及紙板需求增長(zhǎng)2 724萬(wàn)t，65%的增長(zhǎng)來(lái)自中國(guó)；全球漂白商品紙漿需求增長(zhǎng)670萬(wàn)t，七成的增長(zhǎng)來(lái)自中國(guó)。中國(guó)有龐大的商品木漿需求量，但國(guó)產(chǎn)商品木漿供應(yīng)量?jī)H占20%～22%[1]，需求和供給不平衡。目前，商品針葉木漿和闊葉木漿是造紙企業(yè)的主要生產(chǎn)原料，增加商品針葉木漿和闊葉木漿產(chǎn)量、擴(kuò)大木漿供給是我國(guó)造紙企業(yè)以及附屬行業(yè)的主要任務(wù)，因此，對(duì)針、闊葉木漿性能進(jìn)行分析研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。本研究選取市場(chǎng)上具有代表性的兩種商品針、闊葉木漿進(jìn)行PFI打漿處理，并擬合兩種紙漿的打漿特性，對(duì)比分析在不同打漿梯度下的漿料纖維質(zhì)量、動(dòng)態(tài)濾水性能、Zeta電位、微觀(guān)結(jié)構(gòu)等方面的變化，對(duì)不同比例配抄條件下的成紙性能進(jìn)行考察，從而總結(jié)其特點(diǎn)與規(guī)律，以期為造紙企業(yè)和相關(guān)行業(yè)更好地生產(chǎn)與使用商品針、闊葉木漿提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

針葉木（白云杉和羅奇波爾松）漿（North wood,North wood Pulp & Timber Ltd.），闊 葉 木（桉 木）漿（Bahia Sul, Bahia, Cia.de Cellulose da），均由云南中煙再造煙葉有限責(zé)任公司提供。

1.2 設(shè)備

試驗(yàn)所用儀器與設(shè)備如表1所示。

表1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備Tab.1 Instruments and equipments

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 紙漿PFI打漿處理

將針、闊葉木漿板置于清水中浸泡4 h以上，然后撕成小塊置于疏解機(jī)中使其充分解離，脫水后置于自封袋內(nèi)平衡水分備用；取30 g（絕干漿）調(diào)整漿濃至10%，基于針葉漿初始打漿度13°SR，闊葉漿初始打漿度16°SR前提下，為了更加精確地?cái)M合打漿度和打漿轉(zhuǎn)數(shù)之間的關(guān)系，設(shè)定打漿度間隔為5°SR，按照20、25、30、35、40、45、50、55、60°SR的打漿梯度進(jìn)行打漿，并記錄各打漿度對(duì)應(yīng)的打漿轉(zhuǎn)數(shù)。

1.3.2 紙漿纖維質(zhì)量分析

取適量分散好的紙漿溶液倒入FQA專(zhuān)用測(cè)量杯，設(shè)定測(cè)量纖維數(shù)量4 000根，測(cè)量范圍在0.07～10 mm。按照FQA操作規(guī)程測(cè)定各個(gè)漿料的纖維長(zhǎng)度、寬度、細(xì)小纖維含量等數(shù)據(jù)，每個(gè)試樣測(cè)定5組數(shù)據(jù)后取平均值。

1.3.3 紙漿Zeta電位及動(dòng)態(tài)濾水性能測(cè)定

1）量取漿濃0.1%～3%的漿料樣品500 mL，將測(cè)量單元置于漿樣中，測(cè)定不同打漿度紙漿纖維的Zeta電位，每個(gè)試樣測(cè)定3組數(shù)據(jù)后取平均值。

2）量取1 000 mL漿濃為0.2%的漿料樣品，倒入BTG中，在750 r/min的條件下攪拌30 s后開(kāi)始濾水，測(cè)定800 g濾液量所需時(shí)間。

1.3.4 紙漿纖維微觀(guān)結(jié)構(gòu)觀(guān)察

將漿料纖維進(jìn)行離析分散，用膠頭滴管取少量于載玻片上，并用赫氏試劑進(jìn)行染色，在顯微鏡下觀(guān)察、拍照。

1.3.5 成紙物理指標(biāo)測(cè)定

1）初始打漿度下針、闊葉漿配抄。按預(yù)設(shè)漿料配比（針葉漿：闊葉漿=100:0、85:15、70:30、55:45、40:60、25:75、10:90、0:100），每片取1.33 g絕干漿（抄紙定量：40 g/m2）用快速凱塞法抄片器抄片，并將抄造好的片基置于恒溫恒濕箱內(nèi)平衡水分24 h，然后參照GB T 8942—2016《紙柔軟度的測(cè)定法》、GB/T 22898—2008《紙和紙板 抗張強(qiáng)度的測(cè)定 恒速拉伸法（100 mm/min）》、GB/T 451.3—2002《紙和紙板厚度的測(cè)定》、GB/T 451.2—2002《紙和紙板定量的測(cè)定》分別進(jìn)行片基柔軟度、抗張強(qiáng)度、厚度、定量的測(cè)定。

2）不同打漿度下針、闊葉漿抄片。為了更加準(zhǔn)確和直觀(guān)的反映打漿度對(duì)成紙物理指標(biāo)的影響，避免打漿梯度間隔太小導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果波動(dòng)較大，故設(shè)置打漿間隔為10。SR抄造成紙。將不同打漿度下的針、闊葉木漿分別進(jìn)行抄片并檢測(cè)成紙物理指標(biāo)，檢測(cè)方法同上。

2 結(jié)果與討論

2.1 紙漿打漿度與打漿轉(zhuǎn)數(shù)之間的關(guān)系

圖1 PFI打漿曲線(xiàn)Fig.1 PFI beating curves

由圖1可知：1）針、闊葉漿的打漿度隨著PFI打漿轉(zhuǎn)數(shù)的增加而逐漸上升，打漿度與打漿轉(zhuǎn)數(shù)之間的關(guān)系均符合線(xiàn)性分布：y=17.750 3+0.001 5x，R2=0.991 4（針葉漿）；y=8.898 6+0.002 75x，R2=0.973 4（闊葉漿），且打漿度與打漿轉(zhuǎn)數(shù)之間的相關(guān)性較高。2）打漿初期即從初始打漿度至30°SR，相同打漿轉(zhuǎn)數(shù)條件下，闊葉漿的打漿度上升較快，打漿后期即打漿度30°SR至60°SR，相同打漿轉(zhuǎn)數(shù)條件下，針葉漿的打漿度上升較快，尤其是打漿度50°SR至60°SR過(guò)程中，打漿度隨打漿轉(zhuǎn)數(shù)的增加而快速增加。說(shuō)明在打漿前期，闊葉漿纖維的P層和S1層較針葉漿而言更容易被破除、脫落、碎片化[2]，產(chǎn)生較多的細(xì)小物質(zhì)，纖維表面逐漸暴露，發(fā)生明顯的潤(rùn)脹和細(xì)纖維化，打漿后期若再進(jìn)一步提升打漿度，對(duì)于結(jié)合緊密、不易潤(rùn)脹分絲帚化的S2層紙漿纖維[3]，則需要更強(qiáng)烈的剪切力作用。

2.2 紙漿纖維質(zhì)量分析

2.2.1 紙漿纖維質(zhì)量

表2 不同打漿度針葉漿纖維質(zhì)量Tab.2 Fiber quality of softwood pulps with different beating degrees

表3 不同打漿度闊葉漿纖維質(zhì)量Tab.3 Fiber quality of hardwood pulps with different beating degrees

由表2、3可以看出：隨著打漿度的上升，纖維長(zhǎng)度變短，其中針葉漿由2.037 mm減至1.827 mm，縮短近10%；闊葉漿由0.751 mm減至0.717 mm，縮短近5%。纖維寬度隨著打漿度的上升逐漸變小，其中針葉漿由28.6 mm減至27.8 mm，減少近3%；闊葉漿由16.4 mm減至14.9 mm，減少近9%。細(xì)小組分含量隨著打漿度的上升而增加，且闊葉漿增加較多。說(shuō)明PFI打漿過(guò)程中，磨齒對(duì)纖維進(jìn)行分絲帚化的同時(shí)，不可避免對(duì)纖維有一定程度的切斷、磨碎，導(dǎo)致纖維長(zhǎng)度和寬度減小，細(xì)小組分含量增加。針葉漿纖維較長(zhǎng)，在相同的打漿條件下，受到的打漿作用更強(qiáng)，因此纖維長(zhǎng)度下降，闊葉漿纖維本身長(zhǎng)度較短，而雜細(xì)胞含量較多，雜細(xì)胞在打漿過(guò)程中極易被打碎，在相同的打漿條件下，纖維長(zhǎng)度變化不大，而細(xì)小組分含量增加較快[4]。

2.2.2 紙漿纖維長(zhǎng)度、寬度區(qū)間分布

圖2 不同打漿度針葉漿纖維長(zhǎng)度和寬度分布Fig.2 Distribution of fiber length and width in softwood pulp with different refining degrees

由圖2可知：不同打漿度下的針葉漿纖維長(zhǎng)度分布趨勢(shì)近似單調(diào)遞增的對(duì)數(shù)函數(shù)圖像，且≥1.50 mm范圍的占比較高，而在[0.20,0.53]、[0.53,0.85]、[0.85,1.18]、[1.18,1.50]mm長(zhǎng)度區(qū)間內(nèi)的纖維占比隨著打漿度的升高而增加，說(shuō)明針葉漿纖維以長(zhǎng)纖維為主，在打漿過(guò)程中難以避免纖維被切斷、磨碎，而導(dǎo)致纖維長(zhǎng)度下降、細(xì)小組分含量升高；不同打漿度下的針葉漿纖維寬度分布呈現(xiàn)以區(qū)間[27,47]μm為對(duì)稱(chēng)軸、開(kāi)口向下的拋物線(xiàn)圖像，且在[27,47]μm 寬度區(qū)間內(nèi)的纖維占比最大，≤27、≥47 μm兩個(gè)區(qū)間內(nèi)的纖維占比基本相同，說(shuō)明針葉漿的纖維寬度大多為[27,47]μm，此外PFI打漿對(duì)針葉漿寬度的影響并不明顯。

從圖3可以看出：不同打漿度闊葉漿纖維長(zhǎng)度和寬度分布與針葉漿截然不同，不同打漿度下的闊葉漿纖維長(zhǎng)度分布趨勢(shì)為“前大后小”，且[0.53,0.85]mm長(zhǎng)度區(qū)間的纖維占比最大，約為50%，[0.20,0.53]、[0.85,1.18]mm兩個(gè)區(qū)間的纖維占比近20%，這也反映出闊葉漿纖維多為短纖維。不同打漿度下的闊葉漿纖維寬度分布呈現(xiàn)近似單調(diào)遞減的對(duì)數(shù)函數(shù)圖像，且[5,17]μm范圍內(nèi)的纖維占比超過(guò)60%，此外，隨著寬度區(qū)間的增加占比逐漸減小。

圖3 不同打漿度闊葉漿纖維長(zhǎng)度和寬度分布Fig.3 Distribution of fiber length and width in hardwood pulp with different refining degrees

2.3 紙漿Zeta電位及動(dòng)態(tài)濾水性能

2.3.1 紙漿Zeta電位

打漿時(shí)，纖維素纖維主要發(fā)生兩個(gè)方面的變化。一是纖維素纖維的表面積增加，暴露出更多的羧基，纖維的表面電荷增多，同時(shí)使負(fù)電荷物質(zhì)的吸附增強(qiáng)。另一方面纖維受電中性的溶劑化作用增強(qiáng)了，因此在纖維周?chē)纬梢粋€(gè)厚層，使離子化層的運(yùn)動(dòng)變得困難。在這兩方面的作用下，漿料Zeta電位負(fù)值可能隨打漿度的升高而增加或減小。由圖4可知，10～20 °SR范圍內(nèi)，針、闊葉漿的Zeta電位快速上升且針葉漿比闊葉漿快，然后隨著打漿度繼續(xù)升高，Zeta電位基本不變。說(shuō)明10～20 °SR范圍內(nèi)Zeta電位的增幅最大，此時(shí)負(fù)電荷的增加是主要的，20 °SR以后Zeta電位隨著打漿度的升高變化不大，說(shuō)明兩種作用基本達(dá)到平衡[5-6]。

圖4 不同打漿度針、闊葉漿Zeta電位Fig.4 Zeta potential of softwood and hardwood pulps with different beating degrees

2.3.2 紙漿動(dòng)態(tài)濾水性能

圖5 不同打漿度針、闊葉漿動(dòng)態(tài)濾水曲線(xiàn)Fig.5 Dynamic filtration curves of softwood and hardwood pulps with different beating degrees

從圖5可以看出，隨著打漿度的升高，針、闊葉漿的濾水速度逐漸減慢，這就說(shuō)明了纖維分絲帚化、細(xì)纖維化程度加劇，形成的氫鍵越多使纖維相互結(jié)合更加緊密，成形過(guò)程中有更多的細(xì)小纖維被截留，填補(bǔ)了網(wǎng)絡(luò)空隙，使纖維積層變得嚴(yán)密、空隙減小，因而濾水性能下降。相同打漿度條件下，闊葉漿的濾水速率稍快于針葉漿，這可能是針葉漿纖維自身較長(zhǎng)且粗，易于分絲帚化、細(xì)纖維化，成形過(guò)程中纖維積層變得嚴(yán)密，而闊葉漿纖維本身較短，雖然細(xì)小組分含量較多，但是組成濕紙幅的纖維間留有一定的間隙所致。

2.4 紙漿纖維微觀(guān)結(jié)構(gòu)

圖6 不同打漿度針葉漿纖維微觀(guān)結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructure of softwood pulp fibers with different beating degrees

圖7 不同打漿度闊葉漿纖維微觀(guān)結(jié)構(gòu)Fig.7 Microstructure of hardwood pulp fibers with different beating degrees

從圖6、7可以看出：針葉漿纖維長(zhǎng)且粗，纖維壁較厚，纖維碎片及細(xì)小組分較少，纖維細(xì)胞呈紡錘狀，管胞上面還有具緣紋孔，端部呈肘形，纖維表面光滑，這對(duì)于改善纖維本身及纖維間的結(jié)合性有益。經(jīng)過(guò)PFI打漿后，纖維長(zhǎng)度、細(xì)小組分含量變化并不大，但纖維的分絲帚化明顯。闊葉漿纖維纖細(xì)，纖維碎片及細(xì)小組分較多，含有導(dǎo)管，端部尖削，纖維表面光滑。經(jīng)過(guò)PFI打漿后，纖維長(zhǎng)度變化不大，而細(xì)小組分含量變化顯著，較針葉漿而言，纖維的分絲帚化程度較弱。

2.5 成紙物理性能

2.5.1 初始打漿度下針、闊葉漿配抄成紙物理性能

圖8 初始打漿度下針、闊葉漿配抄成紙物理性能Fig.8 Physical properties of the softwood and hardwood pulps with initial beating degree

從圖8可以看出：初始打漿度下，隨著針葉漿比例減少、闊葉漿比例增加，成紙的抗張強(qiáng)度先下降再增加，厚度逐漸下降至不變，定量逐漸增加，柔軟度逐漸下降。試驗(yàn)結(jié)果表明：長(zhǎng)且粗的針葉漿有利于成紙抗張強(qiáng)度的提高，隨著針葉漿比例的減少、闊葉漿比例的增加，紙張自身的抗張強(qiáng)度隨之下降；闊葉漿細(xì)且短，脫水過(guò)程中截留細(xì)小組分，片基結(jié)合緊密、表面光滑，厚度逐漸下降，而定量逐漸增加；相對(duì)于較長(zhǎng)且粗、挺硬的針葉漿纖維來(lái)說(shuō)，纖細(xì)的闊葉漿紙張更加柔軟。

由圖9、10、11 可知，1）柔軟度：P值均大于0.05，柔軟度的實(shí)測(cè)值符合正態(tài)分布，在針：闊=85：15的配比條件下，成紙柔軟度標(biāo)準(zhǔn)差最大，反映出該條件下數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，其余條件下數(shù)據(jù)波動(dòng)較接近，在針：闊=70：30、55：45兩個(gè)配比條件下，數(shù)據(jù)的AD值最小，說(shuō)明該條件下，數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)值與擬合值較為接近。2）厚度：P值均大于0.05，厚度的實(shí)測(cè)值符合正態(tài)分布，且數(shù)據(jù)較為集中、波動(dòng)較小，這也反映出在成紙定量一定的條件下，改變針、闊葉漿的配比，對(duì)成紙厚度的影響較小。3）抗張強(qiáng)度方面：在針：闊=55：45、40：60 兩個(gè)配比條件下，P值小于0.05，說(shuō)明該配比條件下的抗張強(qiáng)度數(shù)據(jù)分布不符合正態(tài)分布。總體來(lái)看，抗張強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差和AD值也較大，說(shuō)明數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，實(shí)測(cè)值與擬合值之間的差異較大。此外，成紙的抗張強(qiáng)度受纖維間的結(jié)合力以及纖維自身的強(qiáng)度影響較大，在配比不變的前提下，成型過(guò)程直接制約著片基的物理強(qiáng)度，因此，這從另一個(gè)角度反映出片基的成型均勻性不是很好。

圖9 95%置信區(qū)間柔軟度正態(tài)分布圖Fig.9 Normal distribution of 95% confidence interval softness

圖10 95%置信區(qū)間層積厚度正態(tài)分布圖Fig.10 Normal distribution of 95%confidence interval layer thickness

圖11 95%置信區(qū)間抗張強(qiáng)度正態(tài)分布圖Fig.11 Normal distribution of 95% confidence interval tensile strength

2.5.2 不同打漿度下針、闊葉漿成紙物理性能

圖12 不同打漿度下針、闊葉漿成紙物理性能Fig.12 Physical properties of the softwood and hardwood pulps with different beating degrees

從圖12可以看出：隨著打漿度的升高，針葉漿成紙的柔軟度逐漸下降，闊葉漿成紙先升高再逐漸降低，這可能是打漿使得挺硬的針葉漿分絲、柔軟，而對(duì)于細(xì)短的闊葉漿來(lái)說(shuō)，使得片基結(jié)合更加緊密。兩種紙漿的成紙抗張強(qiáng)度增加，且針葉漿成紙?jiān)黾铀俾瘦^快，一方面是因?yàn)獒樔~漿纖維自身的強(qiáng)度較好，另一方面針葉漿分絲帚化較好，利于纖維間的結(jié)合；兩者的厚度、定量均逐漸下降。

3 結(jié)論

1）針、闊葉漿的打漿度隨著PFI打漿轉(zhuǎn)數(shù)的增加而逐漸上升，打漿度與打漿轉(zhuǎn)數(shù)之間的關(guān)系均符合線(xiàn)性分布：y=17.750 3+0.001 5x，R2=0.991 4（針葉漿）；y=8.898 6+0.002 75x，R2=0.973 4（闊葉漿），且二者的相關(guān)性較高。

2）針、闊葉漿經(jīng)PFI打漿后，纖維長(zhǎng)度、寬度變化較小，細(xì)小組分含量變化明顯。

3）隨著打漿度的升高，針、闊葉漿的濾水性能下降，10～20°SR范圍內(nèi)，針、闊葉漿的Zeta電位快速上升且針葉漿比闊葉漿快，然后隨著打漿度繼續(xù)升高，Zeta電位基本不變。

4）初始打漿度下針、闊葉漿配抄成紙物理性能，隨著針葉漿比例的減少、闊葉漿比例的增加，成紙的抗張強(qiáng)度先下降再增加，厚度逐漸下降至不變，定量逐漸增加，柔軟度逐漸下降。

5）不同打漿度下針、闊葉漿成紙物理性能，隨著打漿度的升高，成紙抗張強(qiáng)度增大，厚度、定量逐漸下降，針葉漿成紙的柔軟度逐漸下降，闊葉漿成紙柔軟度先升高再逐漸降低。