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試論利用新型纖維形態(tài)分析儀分析杉木CTMP漿纖維形態(tài)
本研究受到國家自然科學(xué)基金項目(20776054),廣東省自然科學(xué)基金博士啟動(dòng)項目(8451064101000807),教育部高校博士點(diǎn)基金新教師課題(200805611104),廣東省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項目(06Z002)的資助。
近些年來(lái),隨著(zhù)各種高得率漿的快速發(fā)展,高得率漿已廣泛用于生產(chǎn)新聞紙、多層紙板、衛生紙,或作為化學(xué)漿的部分替代物用于涂布和未涂布印刷紙、書(shū)寫(xiě)紙及其他特種紙等[1-2]。由于環(huán)保和經(jīng)濟的原因,國內外造紙廠(chǎng)逐漸認識到白水封閉循環(huán)回用的重要性,隨著(zhù)白水封閉循環(huán)程度的不斷提高,白水中纖維和細小纖維的含量與形態(tài)差異必然會(huì )對紙機運行和紙張性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響,國內外各研究機構也加強了對白水封閉循環(huán)過(guò)程的纖維及細小纖維研究[3-5]。
文獻[6]應用循環(huán)白水方法研究了高得率漿細小纖維及其對紙張性能的影響。結果表明,高得率漿中細小纖維含量在20%以上;用循環(huán)白水比用清水制得的紙張物理強度提高9·3% ~93·4%、光學(xué)性能提高1% ~10%。M·Rundlof[7]等人的研究表明,白水中的細小纖維與原料中的細小纖維在種類(lèi)上有所不同,且兩種細小纖維的表面化學(xué)組成也不同,白水中細小纖維的表面吸附有較多的有機抽出物,兩種細小纖維其他的化學(xué)組成區別不大。但他們并未對漿料與白水中纖維和細小纖維的形態(tài)做系統的分析研究。
近年來(lái)隨著(zhù)測量技術(shù)的不斷發(fā)展,已經(jīng)可以用儀器自動(dòng)快速地測定造紙纖維的各種形態(tài)。因此纖維形態(tài)的測定在造紙行業(yè)的科研和生產(chǎn)中的應用越來(lái)越廣泛。本研究使用先進(jìn)的纖維形態(tài)分析儀分析漿料和白水中纖維和細小纖維的形態(tài),并進(jìn)行了對比,以說(shuō)明白水中纖維和細小纖維在形態(tài)上與漿料中纖維和細小纖維的差別,以及白水在回用過(guò)程中對紙張性能的影響。
1 實(shí) 驗
1·1 原料及藥品
CTMP漿由華南某漿廠(chǎng)提供(主要為杉木,打漿度為30°SR),陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM)和陰離子膨潤土以及工廠(chǎng)紙機網(wǎng)下白水都取自湖南某造紙廠(chǎng)。
1·2實(shí)驗儀器
DFR-04動(dòng)態(tài)濾水儀,德國B(niǎo)TGMütek公司生產(chǎn);MorfiCompact纖維形態(tài)分析儀,法國Techpap公司生產(chǎn),如圖1所示。
1·3 實(shí)驗方法
1·3·1 動(dòng)態(tài)濾水實(shí)驗首先,將1000 mL濃度1%的漿料倒入DFR中,在攪拌速度500 r/min時(shí)加入CPAM,過(guò)10 s后將攪拌速度提高到750 r/min,再過(guò)15 s后將攪拌速度下降到500 r/min,接著(zhù)加入陰離子膨潤土,再過(guò)20 s后打開(kāi)DFR的出水口收集前150 mL濾液。
1·3·2 纖維形態(tài)分析由于對纖維和細小纖維的劃分沒(méi)有統一的規定,本實(shí)驗規定長(cháng)度在200μm~10mm,寬度在5~75μm的為纖維;長(cháng)度小于200μm的為細小纖維。最后分別取一定量DFR上的留著(zhù)漿料和DFR下的白水以及工廠(chǎng)紙機網(wǎng)下白水到纖維形態(tài)分析儀中分析纖維形態(tài)。
2 結果與討論
由表1可以得知,動(dòng)態(tài)濾水儀下的白水纖維與工廠(chǎng)紙機網(wǎng)下白水纖維的平均特性基本一致,這是因為實(shí)驗用的動(dòng)態(tài)濾水儀濾網(wǎng)的孔徑與紙機上濾網(wǎng)的孔徑一致,且采用的漿料、填料以及各種化學(xué)助劑也都相同。從動(dòng)態(tài)濾水儀濾出的白水纖維基本上可以代表工廠(chǎng)紙機網(wǎng)下的白水纖維。
2·1 漿料與白水中纖維的長(cháng)度與寬度分析纖維長(cháng)度與寬度是評價(jià)紙漿質(zhì)量的重要指標之一。
漿料與白水中的纖維形態(tài)分析如表1所示,漿料纖維的數均長(cháng)度和重均長(cháng)度分別為0·607 mm和0·922 mm,而白水纖維的長(cháng)度要小很多,其數均長(cháng)度和重均長(cháng)度分別為0·326 mm和0·372 mm;但兩種纖維的寬度卻相差不大,分別為40·4μm和33·6μm。
從圖2和圖3纖維長(cháng)度的分布來(lái)看,漿料中的纖維長(cháng)度主要分布在0·20~1·25 mm的范圍內,其中有57·1%的纖維長(cháng)度在0·20~0·50 mm內;而白水中的纖維長(cháng)度主要分布在0·20~0·50 mm的范圍內,占總纖維的92·1%。從圖4和圖5纖維寬度的分布來(lái)看,兩者的寬度分布基本一致,都主要分布在27~67μm的范圍內。因此,可以得知漿料纖維的數均長(cháng)度基本是白水纖維的2倍,其重均長(cháng)度是白水纖維的3倍,但白水中纖維的含量很低,所以,將白水中的纖維回用不會(huì )影響最終紙張的強度。
2·2 漿料與白水中纖維卷曲與扭結的分析盤(pán)磨機械漿和預熱機械漿等在高濃磨漿過(guò)程中,由于熱和高頻脈沖的作用以及磨齒的搓捻等作用,纖維承受了很高的熱應力和機械應力而發(fā)生彎曲扭結。
所謂纖維卷曲,是指纖維平直方向的彎曲。在一定程度上,纖維卷曲指數增加,成紙的抗張強度、耐破度、環(huán)壓強度下降,而紙的透氣度、松厚度、過(guò)濾速度和光散射系數等增加。纖維卷曲指數一般測量統計每根纖維的卷曲狀態(tài)來(lái)表示纖維卷曲的程度,并按式(1)計算。
式中:Cg———纖維卷曲指數A———纖維末端對末端的直線(xiàn)長(cháng)度, mmL———纖維的真實(shí)長(cháng)度, mm纖維的扭結是指由于纖維細胞壁受損而產(chǎn)生的生硬的轉折。扭結程度高的纖維在紙張的抗張強度、撕裂強度等性能方面會(huì )受到較大的削弱。纖維的扭結率表示發(fā)生扭結的纖維數占總纖維數的比值,而纖維的平均扭結角一般測量統計每根纖維扭結角的平均值,并按式(2)計算。
Cl=∑ni=1ΔCin(2)式中:Cl———纖維平均扭結角, (°)Ci———每根纖維的扭結角, (°)n———發(fā)生扭結的纖維總數通過(guò)對漿料與白水中纖維的測定統計(見(jiàn)表1)可知,漿料纖維的平均扭結角和扭結率都略大于白水纖維的;而漿料與白水中纖維的卷曲指數幾乎相近,從圖6、圖7漿料和白水纖維的卷曲指數分布來(lái)看,兩者的卷曲指數分布也基本相同,絕大部分都分布在0~25%�？梢缘弥獌烧叩木砬c扭結特性差別不大,所以,白水中的纖維在卷曲與扭結特性方面不會(huì )對紙張性能產(chǎn)生影響。
2·3 漿料與白水中纖維的帚化與切斷分析高得率漿在磨漿過(guò)程中,纖維吸水潤脹產(chǎn)生細纖維化,并發(fā)生分裂帚化、表面分絲起毛,而且由于受到剪切力和纖維之間相互摩擦作用造成纖維橫向斷裂,從而使纖維被切斷。纖維的分絲帚化有利于纖維的結合,提高紙張的強度、緊度和勻度等性能,但纖維的過(guò)度切斷會(huì )降低紙張的強度,特別是撕裂度。
纖維帚化率可按式(3)計算。纖維的切斷率可按式(4)計算。
纖維帚化率=∑ni=1f∑ni=1(f+F)×100%(3)式中:f———纖維分絲長(cháng)度, mmF———纖維長(cháng)度, mmn———纖維總數纖維切斷率=纖維切斷末端總數1/2纖維末端總數×100% (4)從表1可以看出,白水纖維的帚化率為2·694%,要比漿料纖維的高一些;而白水纖維的切斷率為57·9%,比漿料纖維的切斷率60·6%要低一些。
2·4 漿料與白水中細小纖維的分析由于高得率漿生產(chǎn)的固有特點(diǎn),相當一部分纖維在磨漿過(guò)程中變?yōu)榧毿±w維,而細小纖維的含量在造紙過(guò)程中的作用很大,不但會(huì )影響到紙機的運行過(guò)程,比如留著(zhù)、濾水、白水回收系統、助劑功效、干燥速率等,還會(huì )影響到紙張的多種性能,如紙張結構、物理強度性能、光學(xué)性能、印刷性能等[8]。
纖維形態(tài)分析儀還能分別以長(cháng)度和面積對細小纖維進(jìn)行測定統計,如表2所示。當以長(cháng)度統計時(shí),規定長(cháng)度小于200μm為細小纖維,測定結果表明漿料中細小纖維的含量為78·1%,而白水中細小纖維含量則達到了95·9%。從圖8和圖9的長(cháng)度分布來(lái)看,兩者的長(cháng)度分布基本一致且平均長(cháng)度也幾乎相等。
由于細小纖維的表面積比纖維的大很多,而且細小纖維素分子的葡萄糖基上可游離出大量的羥基,故在抄紙過(guò)程中促進(jìn)了纖維間的氫鍵結合,有利于提高紙張強度。因此,僅僅統計細小纖維的長(cháng)度及分布是不夠的,最重要的是統計細小纖維的面積及分布。當以面積統計時(shí),漿料細小纖維含量為22·4%,而白水細小纖維含量卻達到了72·8%,從圖10和圖11的面積分布來(lái)看,白水細小纖維的面積分布比較集中,在278~3594μm2范圍內的面積均比漿料細小纖維的含量高,而且白水細小纖維的平均面積為984μm2,比漿料細小纖維的大。這可能是由于漿料經(jīng)過(guò)CPAM和膨潤土絮凝后,細小纖維發(fā)生了微絮凝作用使得表面積有所增大。白水細小纖維在面積上的特性表明,回用白水中的細小纖維有利于紙張纖維間的結合,有利于提高紙頁(yè)強度等性能。
表2 漿料與白水中細小纖維的含量與特性細小纖維含量/%以長(cháng)度統計以面積統計細小纖維平均長(cháng)度/μm細小纖維平均面積/μm2漿料78·1 22·4 43 920白水95·9 72·8 44 984圖11 白水細小纖維面積分布圖
3 結 論
利用纖維形態(tài)分析儀分析比較了CTMP漿料及其白水中纖維的形態(tài),并得到以下結論。
3·1 漿料纖維的數均長(cháng)度基本是白水纖維的2倍,其重均長(cháng)度是白水纖維的3倍,漿料纖維的寬度及其分布與白水纖維的基本一致。
3·2 漿料纖維的扭結角和扭結率都略大于白水纖維的;而漿料與白水中纖維的卷曲指數幾乎相近,兩者的卷曲指數分布也基本相同。
3·3 白水中細小纖維的含量明顯比漿料中細小纖維的高,而且白水中細小纖維的平均面積也更大些,當回用白水纖維時(shí),這些特性都有利于紙張纖維間的結合。
參 考 文 獻
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