紙漿打漿技術研究進展

紙漿打漿技術研究進展摘要：在實驗室條件下，分析了不同的打漿程度和打漿方式對纖維形態(tài)的作用，探討目前的打漿的基本方式，討論了亟待解決的關鍵技術和對策，并對其發(fā)展進行了展望。關鍵字：打漿纖維形態(tài)打漿方式前言利用物理方法使懸浮于水中的紙漿纖維受到機械作用（即剪切力作用），統稱為打漿。漿料在送往抄紙前，需進行打漿，其目的是根據紙張和紙板質量要求和使用要求[1-2]的紙漿種類和特點，經過打漿機的前期處理，改變纖維形態(tài)。打控可以控制紙料在網上的濾水性，來保證抄成的紙達到預期效果，對于最終形成的紙具有決定性影響，同時必須滿足造紙機生產的基本要求[3]。常用的大打漿設備是單球磨（Lampenmill）、六罐磨（Lokromill）、瓦利打漿機（Valleybeater）、PFI磨（PFImill）等1打漿對纖維的作用[4-5]1.1初生壁和次生壁外層部分破除在植物纖維化學中，木材的纖維細胞為厚壁細胞且是停止生長的死細胞，其細胞壁可分為胞間層（ML層）、初生壁（P層）、次生壁外層（S1層）、次生壁中層（S2層）、次生壁內層（S3層）。根據前人實驗分析得出，無論在物理結構還是化學組成上，纖維各層細胞壁都各有不同，所以就具有不同的特性。例如[6]，胞間層位于兩個細胞間，是兩細胞所共有，且木素濃度最高。初生壁是一層多孔的薄膜，它的厚度為0.1~1μm，其細纖維成網狀的排列，與胞間層統稱為復合胞間層（CML層）。至于次生壁外層，是介于初生壁與次生壁中間的一個過渡層，在物理結構和化學組成上比較接近初生壁的性質。次生壁中層是纖維的主要部分，占S層厚度的70%~90%。S層的厚度決定細胞壁厚度的主要部分，整個S層決定著物理、化學及力學的性質性質。S2層的細纖維同心層受到打漿時的機械作用發(fā)生彎曲、位移和形變，造成纖維間間隙擴大，使得水分子更易進入，為纖維潤張創(chuàng)造條件，纖維變得柔軟，對于初生壁和次生壁的破除具有積極的促進作用。但根據制漿工藝和纖維原料的不同，P層和S1層破除難易程度也各不相同。1.2吸水潤脹所謂潤脹是指高分子化合物在吸收極性液體的過程中，伴隨著體積膨脹，內聚力變小，纖維變軟，但仍保持外觀形態(tài)的一種物理現象。纖維吸水潤脹屬于結晶區(qū)間的潤脹。潤脹劑極性小，只能進入纖維素的無定形區(qū)發(fā)生潤脹，潤脹后X-射線圖不變，晶格不變。紙漿纖維之所以有潤脹能力，主要原因是由于纖維素和半纖維素的分子結構中含有極性羥基與水分子，它們發(fā)生極性吸引，因而能在極性性液體中發(fā)生潤脹。纖維潤脹在打漿過程中是一個重要問題[7]。在打漿過程中，纖維首先吸水而發(fā)生潤脹，纖維細胞壁內部結構變得尤為松弛，內聚力則有所下降，纖維比容和表面積增加，從而提高了纖維的柔軟性和可塑性。纖維吸水潤脹與原料組成，制漿方法和半纖維素含量等因素密切相關。例如，半纖維素含量高的亞硫酸鹽漿容易潤脹，而硫酸鹽漿就比亞硫酸鹽漿潤脹程度小些。木素含量高的紙料不易潤脹，因此漂白能改進這種紙料的潤脹能力。1.3細纖維化纖維的細纖維化是指在打漿過程中，打漿機的機械物理作用在細胞壁P層和S1層被部分破除，在纖維吸水潤脹后大量產生，并分離出細纖維，而且使纖維產生起毛現象。一般認為[8]，細纖維化可分為外部細纖維化和內部細纖維化。在纖維發(fā)生潤脹的情況下，內部細纖維化使纖維內聚力下降，次生壁同心層間產生滑動，使纖維剛性減弱，同時增加了纖維的柔韌性和可塑性。外部細纖維化則使纖維分離出細纖維、微纖維、微細纖維，提高纖維間的交織能力。在抄紙的干燥過程中，增大纖維的外比表面，產生更多的氫鍵結合，提高了紙張的強度和緊度，有助于提高填料的留著，對紙頁性質影響極大，也是打漿的重要作用之一。由于S2層纖維素含量多，所以細纖維化主要發(fā)生在S2層。在打漿過程中，S1層斷裂，纖維吸水潤脹，受到剪切力作用，次生壁同心層間的相鄰纖維素分子間的氫鍵發(fā)生斷裂，纖維間內聚力減小，細胞壁同心層間產生滑動和分裂現象。綜上所述可知，纖維的細纖維化和纖維的潤脹是互相促進的。吸水潤脹使得細胞壁內部結構變得松弛，為纖維的細纖維化創(chuàng)造有利條件；反之，纖維的細纖維化是水分更易滲入纖維間，又能進一步促進纖維吸水潤脹。在整個打漿過程中，這樣反復的相互影響，這兩個作用也是互相促進的。1.4切斷切斷是指纖維受到足夠大的剪切力的作用，而發(fā)生橫向的現象。纖維受到橫向切斷，主要是由于打漿設備的剪切力和纖維間摩擦造成纖維橫向發(fā)生斷裂的結果。纖維的橫向切斷跟吸水潤脹有一定的關系。在相同的打漿條件下，當纖維吸水潤脹情況比較好，纖維變得柔軟和可塑，這樣就不再容易受到橫向切斷，而是較容易發(fā)生細纖維化作用。反之，纖維被切斷后，斷口的增加更加有利水分的滲入，有促進纖維潤脹的發(fā)生。1.5產生纖維碎片打漿過程中產生纖維碎片有三方面：（1）纖維初生壁和次生壁外層破除纖維受到打漿設備的機械摩擦力和纖維間的摩擦力，似的纖維初生壁和次生壁外層被磨碎而脫落，有的甚至被磨成碎片，麥草將尤為明顯。（2）紙漿中的雜細胞被打碎由于雜細胞短而粗，所以在打漿過程中易打成碎片。大多是薄壁細胞。（3）橫向切斷纖維產生碎片若將纖維兩端部分切斷，也會產生碎片。在實際生產中，由于各種因素影響，纖維受到的作用是不同的。例如[9]維吸水潤脹和細纖維化較好，也有的纖維則會受到較強烈的切斷作用，這主要是由于各根纖維所受外力不同。當纖維受到較大的摩擦力時，其初生壁和次生壁外層除去較容易些，因而纖維吸水潤脹和細纖維化就較好；反之，有的纖維在破除初生壁和次生壁外層之前，就受到較強的剪切刀作用，纖維受到橫間切斷的可能性就較大。在打漿過程中往往出現如下的現象[10]：在打漿初期即有一小部分纖維吸水潤脹并產生細纖維化，而在打漿后期還有的纖維的初生壁和次生壁外層尚未被破除。如果后一現象較多時，即說明打漿很不均勻?？傊?，在打漿過程中，應盡量采取措施，保證打漿的均勻性。2打漿工藝紙張的種類很多，且具有不同的性質。首先找到最適合紙種的打漿方式，制定好工藝條件，執(zhí)行操作規(guī)程，達到提高產量，保證質量，降低能耗和充分發(fā)揮設備效率的目的[11,12]。在生產實踐中，由于不同的漿種和打漿設備的不同，會生成不同的產品。因此根據紙張不同的性質，結合紙料特性和設備的特點，如何打漿是我們如今更加應該去探討的工藝。2.1打漿方式根據打漿過程中，纖維發(fā)生細胞壁的位移和變形、初生壁和次生壁外層的破除、纖維的吸水潤脹和細纖維化、橫向切斷等作用，將以橫向切斷纖維，降低纖維長度為主的打漿方式稱為游離狀打漿；而以縱向分裂纖維使之吸水潤脹，細纖維化為主的，則稱為粘狀打漿。所以將打漿方式分為四種類型：（1）長纖維游離狀打漿；（2）短纖維游離狀打漿；（3）長纖維粘狀打漿；（4）短纖維粘狀打漿。長纖維游離狀打漿方式要求以疏解為主，將紙料分散成為單纖維，并適當地切短纖維，以保證打漿生產的紙料在網上容易脫水。由于纖維長，其成紙組織勻度欠佳，缺乏透明性，表面不甚平滑，不透明度高，具有較強撕裂度和耐破度，多用于制成具有一定的機械強度成紙。如：牛皮紙等。短纖維游離狀打漿方式要求在將纖維分散的基礎上，同時切斷纖維，避免紙漿潤脹和細纖維化。這種紙料脫水較容易，但纖維交織能力相當差，而成紙的組織較均勻，紙頁松軟，強度小，吸收能力較強。適宜于生產濾紙、吸墨紙等吸收性強紙類。長纖維粘狀打漿要求纖維細纖維化，紙漿潤脹，盡可能避免纖維發(fā)生橫向切斷，使纖維具有一定長度。這種紙料打漿度高，脫水困難，上網時易發(fā)生絮聚，影響成紙勻度，所以在抄紙時，紙料必須加水稀釋至較低濃度。長纖維粘狀打漿的紙料適合于生產強度大的薄紙，例如卷煙紙、字典紙以及電話用紙等。短纖維粘狀打漿則要求將纖維潤脹和細纖維化，同時又對纖維進行適當的切斷作用。這種紙料有滑膩感，上網脫水則更難，但易在網上形成組織均勻的濕紙。成紙吸收性小，并有相當大的強度。短纖維粘狀打漿的紙料適合于生產一般證券紙、電纜紙等[13]?？偨Y在造紙工業(yè)中，早期工藝經過洗滌、篩選、漂白和凈化后，未打漿的漿料含有許多纖維束。由于存在纖維粗長，表面光滑挺硬且富有彈性，纖維比表面積小不宜結合的性能。將未打漿的紙漿用于抄造，不能均勻分布，不易成紙，表面粗糙起毛，結合強度低，紙頁性能差，不能滿足紙廠的基本要求。因此，打漿是造紙中重要組成部分，有效的打漿有利于紙張的抄造。[14]參考文獻[1]大連輕工業(yè)學院：打漿與調料[M].輕工業(yè)出版社，1984年[2]陳蘇平，皮道映，孫優(yōu)賢.打漿過程控制的現狀和趨勢[J].中國造紙，第三期，51-56[3]Dumont．GA．ChallengersandOpportunistsinPulpandPaperProcessControlProc.Amer.Contr．Conf．1959-1964.1989[4]Bethune．J．H.andMercier．E．SpecificEnergyControlofSymposiumOnSCMPRefinersatNBIP．Pulp&PaperCanada．88(10)：66-68,1987[5]Arjas．A．．ConstantversusVariableRotationalSpeedduringinRefining，ProcessandtheAdapt-setSystem．Preprints.InternationalonFundamentalsConceptsofRefining，Appleton：264-265．1980[6]EbelingK.ACriticalReviewofCurrentTheoriesfortheRefiningofChemicalPulps[C].InternationalSymposiumonFundamentalConceptsofRefining.Appleton,1980[7]RunkleraTA,GerstorferbE,SchlangcM,etal.Modelingandoptimizationofarefiningprocessforfibreboardproduction[J].ControlEngineeringPractice,2003,11(11):1229[8]JulesThibault,DavidTaylor,CoreyYanofsky,etal.MulticriteriaoptimizationofahighyieldpulpingprocessWithroughsets[J].ChemicalEngineeringScience,2003,58(1):203[9]孟效,繆海峰,姜麗波.盤磨控制的改進及專家系統在其中的應用[J].中國造紙,2007,26(1):37[10]Hourani．M,．FiberFlocculationinPulpSuspensionFlow.Part2;ExperimentalResults,Tappi．7