不同助留助濾系統(tǒng)對(duì)草漿性能的影響

梁世杰，張 玲，王高升

（中國(guó)輕工業(yè)造紙與生物質(zhì)精煉重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津300457）

隨著國(guó)家禁止洋垃圾政的政策目標(biāo)逐步完成，國(guó)內(nèi)造紙?jiān)隙倘钡膯?wèn)題日益突出，充分利用非木材纖維成了解決這一難題的有效措施之一。 谷物秸稈是我國(guó)數(shù)量最大、分布最廣的秸稈類(lèi)別，其中稻草秸稈過(guò)剩問(wèn)題尤為突出[1]。 目前，草漿應(yīng)用的瓶頸在于原料硅含量高，且雜細(xì)胞組分含量高；另外，在制漿過(guò)程中雜細(xì)胞不易被脫除，導(dǎo)致草漿的洗滌效率低、濾水性能差。 由于草漿的這一特性，助留助濾系統(tǒng)在草漿造紙濕部化學(xué)中有著非常重要的作用，無(wú)論是細(xì)小纖維，還是填料，又或者是其他濕部化學(xué)助劑，都要通過(guò)提高留著率、改善濾水等措施，使其作用效果最佳，達(dá)到預(yù)期的目的[2]。 本文在對(duì)草漿纖維形態(tài)分析的基礎(chǔ)上，探究采用不同助留助濾系統(tǒng)對(duì)草漿濾水性能及紙張強(qiáng)度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

1.1.1 原料

草漿由實(shí)驗(yàn)室制備；助留劑（Percol 8038）、助濾劑（Percol 8442）和聚合氯化鋁（PAC）由上海索理思特種化學(xué)品有限公司提供。

1.1.2 設(shè)備

2500-Ⅱ型高濃盤(pán)磨機(jī)，日本Kumagai Riki Kogyo 公司；HB43-S 型梅特勒水分測(cè)定儀，梅特勒-托利多（上海）有限公司；RK3A-KWT 型紙頁(yè)成型器，奧地利Frank-PTI 公司；02969920 型耐破度測(cè)試儀、SE051 型標(biāo)準(zhǔn)厚度儀、982407 型環(huán)壓強(qiáng)度測(cè)試儀、009 型撕裂度測(cè)試儀、Fiber Fester912 型纖維測(cè)試分析儀、73-18 型疏解器，瑞典Lorentzen & Wettre公司；OLYMPUS-CX41 型光學(xué)顯微鏡，日本Nikon公司；DSC75 型動(dòng)態(tài)濾水儀（DDJ），美國(guó)PRM 公司；DFR－04 型濾水保留測(cè)定儀，瑞典BTG 公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 草漿的處理方法

將實(shí)驗(yàn)室處理過(guò)的麥草用高濃盤(pán)磨機(jī)以一定的間隙和漿濃進(jìn)行磨漿， 得到打漿度為52 °SR 的草漿，然后加水配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的懸浮液。

1.2.2 草漿的微觀結(jié)構(gòu)觀察和形態(tài)分析

用光學(xué)顯微鏡觀察草漿； 用纖維分析儀檢測(cè)草漿纖維和細(xì)小組分。

1.2.3 助留助濾劑的準(zhǔn)備

助留劑加水配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1‰的水溶液待用；助濾劑加水配成體積分?jǐn)?shù)為1‰的水溶液待用；將PAC 配成0.3%水溶液待用。

1.2.4 抄紙

將實(shí)驗(yàn)用紙料稀釋疏解均勻，加入助留劑，攪拌約1 min 后，再加入助濾劑，攪拌約1 min 后，用快速紙頁(yè)成形器抄造定量100 g/m2的手抄片。

1.2.5 助留助濾性能分析方法

（1）細(xì)小組分留著率測(cè)定：用動(dòng)態(tài)濾水儀測(cè)紙料中的細(xì)小組分留著率。 量取500 mL 紙料倒入濾水筒中，在600 r/min 的轉(zhuǎn)速下攪拌10 s 并加入助留劑，800 r/min 轉(zhuǎn)速保持4 s， 在600 r/min 轉(zhuǎn)速下攪拌10 s并加入助濾劑，然后進(jìn)行脫水，取最初的100 mL 濾液，測(cè)定濾液的固形物含量，按式（1）計(jì)算紙料留著率R。

式中：X、Y 分別是500 mL 紙料和100 mL 濾液中的固形物含量，g。

（2）濾水性能分析：采用濾水保留測(cè)定儀分析紙料的動(dòng)態(tài)濾水性能。 量取1000 mL 濃度為1%的草漿倒入DFR 的脫水筒中， 在600 r/min 轉(zhuǎn)速下攪拌10 s 并加入助留劑，800 r/min 轉(zhuǎn)數(shù)保持4 s， 在600 r/min 轉(zhuǎn)速下攪拌10 s 并加入助濾劑， 然后重力脫水60 s，測(cè)定水的體積。

1.2.6 紙張性能的測(cè)定

將抄造的手抄片在23 ℃、相對(duì)濕度50%的條件下放置4 h 以上，然后對(duì)紙張的性能進(jìn)行測(cè)試。 紙張性能的測(cè)試項(xiàng)目及所采用標(biāo)準(zhǔn)為：定量（GB/T 451.2—2002）、抗張強(qiáng)度（GB/T 453—2002）、 耐破強(qiáng)度（GB/T 454—2002）、撕裂度（GB/T 455—2002）、厚度（GB/T 451.3—2002）、環(huán)壓強(qiáng)度(GB/T 2679.8—1995)、耐折強(qiáng)度（GB/T 457—2002）。

2 結(jié)果與討論

2.1 草漿形態(tài)分析

草漿的纖維形態(tài)分析數(shù)據(jù)如表1 所示。 由表1可見(jiàn)：草漿的纖維長(zhǎng)度較短，寬度較大，導(dǎo)致纖維長(zhǎng)寬比較小， 會(huì)使紙張強(qiáng)度下降。 扭結(jié)指數(shù)的數(shù)值較大，有利于提高紙張的物理強(qiáng)度性能[3]。 草漿中細(xì)小組分含量大，為44.70%。

表1 草漿纖維形態(tài)分析數(shù)據(jù)

草漿中細(xì)小組分含量大，大部分是以導(dǎo)管、薄壁細(xì)胞、表皮細(xì)胞等非纖維狀細(xì)胞為主的雜細(xì)胞。如圖1（a）標(biāo)記所示，有一些在盤(pán)磨過(guò)程中破碎的細(xì)胞，其形狀、大小各不相同，此類(lèi)細(xì)胞為薄壁細(xì)胞；如圖1（b）標(biāo)記所示，部分細(xì)胞呈鋸齒狀，此類(lèi)細(xì)胞為表皮細(xì)胞；如圖1（c）標(biāo)記所示，可以觀察到一些棒狀的非纖維狀細(xì)胞，此類(lèi)細(xì)胞為導(dǎo)管。 有研究表明，在草類(lèi)原料中， 一般雜細(xì)胞的含量占細(xì)胞總量的30%～60%（按面積法測(cè)定）[4]

圖1 草漿光學(xué)顯微鏡照片（×40）

2.2 不同助留助濾系統(tǒng)對(duì)草漿性能的影響

2.2.1 單組分和雙組分助留助濾系統(tǒng)

采用不同助留助濾系統(tǒng)時(shí)的草漿濾水性能指標(biāo)見(jiàn)表2。由表2可以看出：當(dāng)草漿不使用助劑時(shí)，其濾水性能差；使用助留劑和助濾劑，可以提高草漿的濾水性能，當(dāng)分別加入0.05%和0.10%的助濾劑時(shí)， 草漿的濾水性能得到了提高， 分別提高了8.55%和9.33%。 當(dāng)分別加入0.05%助濾劑、0.02%助留劑和0.10%助濾劑、0.02%助留劑時(shí)， 草漿的濾水性能得到了進(jìn)一步提高， 分別提高了15.03%和19.43%。

表2 不同助留劑和助濾劑用量時(shí)的草漿濾水性能

采用不同助留助濾系統(tǒng)時(shí)的草漿留著率如表3所示。 由表3 可以看出：?jiǎn)为?dú)使用助濾劑時(shí)，草漿的留著沒(méi)有效果， 這是因?yàn)閱我恢鸀V劑提高留著的原理是通過(guò)吸附架橋形成絮團(tuán)， 但是這種絮團(tuán)被高剪切力破壞后不能有效的恢復(fù)，導(dǎo)致留著效果不好[5]。雙組分助留助濾系統(tǒng)可以解決單組分助留助濾系統(tǒng)經(jīng)高剪切力破壞后不能有效回復(fù)的問(wèn)題， 通過(guò)數(shù)據(jù)可以看出，留著情況得到了改善，首程留著率提高了4.50%。

表3 不同助留劑和助濾劑用量時(shí)的草漿留著率

2.2.2 PAC 對(duì)草漿濾水性能的影響

為了進(jìn)一步改善草漿的濾水性能， 在使用助留劑和助濾劑前先用聚合氯化鋁（PAC）處理草漿，以消除其中的陰離子垃圾，PAC 用量為0.3%。 PAC 對(duì)紙料濾水性能的影響如圖2 所示。 由圖2 可以看出：在草漿中加入PAC，無(wú)論是不添加助留劑和助濾劑、使用單一助濾劑，還是同時(shí)使用助留劑和助濾劑，其濾水性能均得到提高。 細(xì)小纖維和填料懸浮液中顆粒顯負(fù)電性而相互排斥，加入PAC 后，使顆粒的負(fù)電性被中和，粒子間的排斥力減小，當(dāng)粒子發(fā)生碰撞時(shí)就會(huì)發(fā)生凝聚，草漿濾水性能得到明顯提升。

圖2 添加PAC 對(duì)草漿濾水的影響

2.3 助留助濾劑對(duì)紙張性能的影響

添加助留助濾劑對(duì)紙張性能的影響如表4 所示。 由表4 可以看出：在抄紙時(shí)使用單一的助濾劑，只有紙張的環(huán)壓指數(shù)提高，耐破指數(shù)、抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)均下降， 助濾劑的使用嚴(yán)重影響了紙張物理強(qiáng)度；在抄紙時(shí)同時(shí)加入助留劑和助濾劑，紙張的耐破指數(shù)無(wú)明顯變化，但是紙張的抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和環(huán)壓指數(shù)均有提高， 助留劑和助濾劑同時(shí)使用對(duì)紙張的物理強(qiáng)度有積極作用。

表4 助留助濾劑對(duì)紙張性能的影響

3 結(jié)論

（1）草漿中細(xì)小組分含量大，為44.70%，大部分是以導(dǎo)管、薄壁細(xì)胞、表皮細(xì)胞等非纖維狀細(xì)胞為主的雜細(xì)胞，不利于草漿的濾水。

（2）單組分助留助濾系統(tǒng)可以提高草漿的濾水性能，不能增加草漿的首程留著，隨著助濾劑用量的增加，草漿濾水性能提高的程度有限；雙組分助留助濾系統(tǒng)可以使草漿的濾水性能得到明顯改善，首程留著率也得到改善；當(dāng)加入PAC組成三元助留助濾系統(tǒng)時(shí)， 草漿的濾水性能得到進(jìn)一步的提高。

（3）使用單組分助留助濾系統(tǒng)即使用單一的助濾劑，不利于提高紙張的物理性能，使用雙組分助留助濾系統(tǒng)， 對(duì)提高紙張的物理性能有積極作用。