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)

1、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(guó)家自然科學(xué)基金工程(20776054),廣東省自然科學(xué)基金博士啟動(dòng)工程(8451064101000807),教育部高校博士點(diǎn)基金新老師課題(202205611104),廣東省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點(diǎn)工程(06z002)的資助。近些年來,隨著各種高得率漿的快速開展,高得率漿已廣泛用于消費(fèi)新聞紙、多層紙板、衛(wèi)生紙,或作為化學(xué)漿的局部替代物用于涂布和未涂布印刷紙、書寫紙及其他特種紙等1-2。由于環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的原因,國(guó)內(nèi)外造紙廠逐漸認(rèn)識(shí)到白水封閉循環(huán)回用的重要性,隨著白水封閉循環(huán)程度的不斷進(jìn)步,白水中纖維和細(xì)小纖維的含量與形態(tài)差異必然會(huì)對(duì)紙

2、機(jī)運(yùn)行和紙張性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響,國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)也加強(qiáng)了對(duì)白水封閉循環(huán)過程的纖維及細(xì)小纖維研究3-5。文獻(xiàn)6應(yīng)用循環(huán)白水方法研究了高得率漿細(xì)小纖維及其對(duì)紙張性能的影響。結(jié)果說明,高得率漿中細(xì)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(qiáng)度進(jìn)步93%934%、光學(xué)性能進(jìn)步1%10%。rundlf7等人的研究說明,白水中的細(xì)小纖維與原料中的細(xì)小纖維在種類上有所不同,且兩種細(xì)小纖維的外表化學(xué)組成也不同,白水中細(xì)小纖維的外表吸附有較多的有機(jī)抽出物,兩種細(xì)小纖維其他的化學(xué)組成區(qū)別不大。但他們并未對(duì)漿料與白水中纖維和細(xì)小纖維的形態(tài)做系統(tǒng)的分析研究。近年來隨著測(cè)量技術(shù)的不斷開展,已經(jīng)可以用儀器自

3、動(dòng)快速地測(cè)定造紙纖維的各種形態(tài)。因此纖維形態(tài)的測(cè)定在造紙行業(yè)的科研和消費(fèi)中的應(yīng)用越來越廣泛。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(xì)小纖維的形態(tài),并進(jìn)展了比照,以說明白水中纖維和細(xì)小纖維在形態(tài)上與漿料中纖維和細(xì)小纖維的差異,以及白水在回用過程中對(duì)紙張性能的影響。1實(shí)驗(yàn)11原料及藥品tp漿由華南某漿廠提供(主要為杉木,打漿度為30sr),陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(pa)和陰離子膨潤(rùn)土以及工廠紙機(jī)網(wǎng)下白水都取自湖南某造紙廠。12實(shí)驗(yàn)儀器dfr-04動(dòng)態(tài)濾水儀,德國(guó)btgtek公司消費(fèi);rfipat纖維形態(tài)分析儀,法國(guó)tehpap公司消費(fèi),如圖1所示。13實(shí)驗(yàn)方法131動(dòng)態(tài)濾水實(shí)驗(yàn)首先,將10

4、00l濃度1%的漿料倒入dfr中,在攪拌速度500r/in時(shí)參加pa,過10s后將攪拌速度進(jìn)步到750r/in,再過15s后將攪拌速度下降到500r/in,接著參加陰離子膨潤(rùn)土,再過20s后翻開dfr的出水口搜集前150l濾液。132纖維形態(tài)分析由于對(duì)纖維和細(xì)小纖維的劃分沒有統(tǒng)一的規(guī)定,本實(shí)驗(yàn)規(guī)定長(zhǎng)度在20010,寬度在575的為纖維;長(zhǎng)度小于200的為細(xì)小纖維。最后分別取一定量dfr上的留著漿料和dfr下的白水以及工廠紙機(jī)網(wǎng)下白水到纖維形態(tài)分析儀中分析纖維形態(tài)。2結(jié)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紙機(jī)網(wǎng)下白水纖維的平均特性根本一致,這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)用的動(dòng)態(tài)濾水儀濾網(wǎng)的孔徑與紙

5、機(jī)上濾網(wǎng)的孔徑一致,且采用的漿料、填料以及各種化學(xué)助劑也都一樣。從動(dòng)態(tài)濾水儀濾出的白水纖維根本上可以代表工廠紙機(jī)網(wǎng)下的白水纖維。21漿料與白水中纖維的長(zhǎng)度與寬度分析纖維長(zhǎng)度與寬度是評(píng)價(jià)紙漿質(zhì)量的重要指標(biāo)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(shù)均長(zhǎng)度和重均長(zhǎng)度分別為0607和0922,而白水纖維的長(zhǎng)度要小很多,其數(shù)均長(zhǎng)度和重均長(zhǎng)度分別為0326和0372;但兩種纖維的寬度卻相差不大,分別為404和336。從圖2和圖3纖維長(zhǎng)度的分布來看,漿料中的纖維長(zhǎng)度主要分布在020125的范圍內(nèi),其中有571%的纖維長(zhǎng)度在020050內(nèi);而白水中的纖維長(zhǎng)度主要分布在020050的范圍內(nèi),占總纖

6、維的921%。從圖4和圖5纖維寬度的分布來看,兩者的寬度分布根本一致,都主要分布在2767的范圍內(nèi)。因此,可以得知漿料纖維的數(shù)均長(zhǎng)度根本是白水纖維的2倍,其重均長(zhǎng)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(qiáng)度。22漿料與白水中纖維卷曲與扭結(jié)的分析盤磨機(jī)械漿和預(yù)熱機(jī)械漿等在高濃磨漿過程中,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(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力而發(fā)生彎曲扭結(jié)。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(shù)增加,成紙的抗張強(qiáng)度、耐破度、環(huán)壓強(qiáng)度下降,而紙的透氣度、松厚度、過濾速度和光散射系數(shù)等增加。纖維卷曲指數(shù)一般測(cè)

7、量統(tǒng)計(jì)每根纖維的卷曲狀態(tài)來表示纖維卷曲的程度,并按式(1)計(jì)算。式中:g纖維卷曲指數(shù)a纖維末端對(duì)末端的直線長(zhǎng)度,l纖維的真實(shí)長(zhǎng)度,纖維的扭結(jié)是指由于纖維細(xì)胞壁受損而產(chǎn)生的僵硬的轉(zhuǎn)折。扭結(jié)程度高的纖維在紙張的抗張強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度等性能方面會(huì)受到較大的削弱。纖維的扭結(jié)率表示發(fā)生扭結(jié)的纖維數(shù)占總纖維數(shù)的比值,而纖維的平均扭結(jié)角一般測(cè)量統(tǒng)計(jì)每根纖維扭結(jié)角的平均值,并按式(2)計(jì)算。l=ni=1in(2)式中:l纖維平均扭結(jié)角,()i每根纖維的扭結(jié)角,()n發(fā)生扭結(jié)的纖維總數(shù)通過對(duì)漿料與白水中纖維的測(cè)定統(tǒng)計(jì)(見表1)可知,漿料纖維的平均扭結(jié)角和扭結(jié)率都略大于白水纖維的;而漿料與白水中纖維的卷曲指數(shù)幾乎相近

8、,從圖6、圖7漿料和白水纖維的卷曲指數(shù)分布來看,兩者的卷曲指數(shù)分布也根本一樣,絕大局部都分布在025%?？梢缘弥獌烧叩木砬c扭結(jié)特性差異不大,所以,白水中的纖維在卷曲與扭結(jié)特性方面不會(huì)對(duì)紙張性能產(chǎn)生影響。23漿料與白水中纖維的帚化與切斷分析高得率漿在磨漿過程中,纖維吸水潤(rùn)脹產(chǎn)生細(xì)纖維化,并發(fā)生分裂帚化、外表分絲起毛,而且由于受到剪切力和纖維之間互相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(jié)合,進(jìn)步紙張的強(qiáng)度、緊度和勻度等性能,但纖維的過度切斷會(huì)降低紙張的強(qiáng)度,特別是撕裂度。纖維帚化率可按式(3)計(jì)算。纖維的切斷率可按式(4)計(jì)算。纖維帚化率=ni=1fni=1(f

9、+f)100%(3)式中:f纖維分絲長(zhǎng)度,f纖維長(zhǎng)度,n纖維總數(shù)纖維切斷率=纖維切斷末端總數(shù)1/2纖維末端總數(shù)100%(4)從表1可以看出,白水纖維的帚化率為2694%,要比漿料纖維的高一些;而白水纖維的切斷率為579%,比漿料纖維的切斷率606%要低一些。24漿料與白水中細(xì)小纖維的分析由于高得率漿消費(fèi)的固有特點(diǎn),相當(dāng)一局部纖維在磨漿過程中變?yōu)榧?xì)小纖維,而細(xì)小纖維的含量在造紙過程中的作用很大,不但會(huì)影響到紙機(jī)的運(yùn)行過程,比方留著、濾水、白水回收系統(tǒng)、助劑成效、枯燥速率等,還會(huì)影響到紙張的多種性能,如紙張構(gòu)造、物理強(qiáng)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(zhǎng)度和面積對(duì)細(xì)小纖維進(jìn)展

10、測(cè)定統(tǒng)計(jì),如表2所示。當(dāng)以長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)時(shí),規(guī)定長(zhǎng)度小于200為細(xì)小纖維,測(cè)定結(jié)果說明漿料中細(xì)小纖維的含量為781%,而白水中細(xì)小纖維含量那么到達(dá)了959%。從圖8和圖9的長(zhǎng)度分布來看,兩者的長(zhǎng)度分布根本一致且平均長(zhǎng)度也幾乎相等。由于細(xì)小纖維的外表積比纖維的大很多,而且細(xì)小纖維素分子的葡萄糖基上可游離出大量的羥基,故在抄紙過程中促進(jìn)了纖維間的氫鍵結(jié)合,有利于進(jìn)步紙張強(qiáng)度。因此,僅僅統(tǒng)計(jì)細(xì)小纖維的長(zhǎng)度及分布是不夠的,最重要的是統(tǒng)計(jì)細(xì)小纖維的面積及分布。當(dāng)以面積統(tǒng)計(jì)時(shí),漿料細(xì)小纖維含量為224%,而白水細(xì)小纖維含量卻到達(dá)了728%,從圖10和圖11的面積分布來看,白水細(xì)小纖維的面積分布比擬集中,在278

11、35942范圍內(nèi)的面積均比漿料細(xì)小纖維的含量高,而且白水細(xì)小纖維的平均面積為9842,比漿料細(xì)小纖維的大。這可能是由于漿料經(jīng)過pa和膨潤(rùn)土絮凝后,細(xì)小纖維發(fā)生了微絮凝作用使得外表積有所增大。白水細(xì)小纖維在面積上的特性說明,回用白水中的細(xì)小纖維有利于紙張纖維間的結(jié)合,有利于進(jìn)步紙頁(yè)強(qiáng)度等性能。表2漿料與白水中細(xì)小纖維的含量與特性細(xì)小纖維含量/%以長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)以面積統(tǒng)計(jì)細(xì)小纖維平均長(zhǎng)度/細(xì)小纖維平均面積/2漿料78122443920白水95972844984圖11白水細(xì)小纖維面積分布圖3結(jié)論利用纖維形態(tài)分析儀分析比擬了tp漿料及其白水中纖維的形態(tài),并得到以下結(jié)論。31漿料纖維的數(shù)均長(zhǎng)度根本是白水纖維的

12、2倍,其重均長(zhǎng)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根本一致。32漿料纖維的扭結(jié)角和扭結(jié)率都略大于白水纖維的;而漿料與白水中纖維的卷曲指數(shù)幾乎相近,兩者的卷曲指數(shù)分布也根本一樣。33白水中細(xì)小纖維的含量明顯比漿料中細(xì)小纖維的高,而且白水中細(xì)小纖維的平均面積也更大些,當(dāng)回用白水纖維時(shí),這些特性都有利于紙張纖維間的結(jié)合。參考文獻(xiàn)1周亞軍,張棟基,李甘霖.漂白高得率化學(xué)機(jī)械漿綜述j.中國(guó)造紙,2022,24(5):51.2reisr,nielseng.aspenbtp:prvenperfranej.slu-tins,2001(11):28.3張紅杰,胡惠仁,倪永浩.高得率漿中ds的性質(zhì)及其對(duì)填料留著的影響j.中國(guó)造紙,2022,26(10):1.4文飚,何北海,劉煥彬.新聞紙廠白水封閉循環(huán)的研究()白水封閉后濕部各參數(shù)間的關(guān)系及封閉程度的表征j.中國(guó)造紙,2001,20(3):11.5文飚,何北海,劉煥彬,等.新聞紙廠白水封閉循環(huán)的研究()白水封閉對(duì)濕部狀況和紙頁(yè)強(qiáng)度的影響及其優(yōu)化j.中國(guó)造紙,2001,20(5):37.6施英喬,莉娜.萊斯凱蘭.高