混合木片cmp制漿機(jī)漿性能研究

自20世紀(jì)70年代實(shí)現(xiàn)工業(yè)化以來(lái)，化學(xué)熱磨機(jī)械漿（ctmp）迅速發(fā)展，并逐漸取代了其他高得率生產(chǎn)技術(shù)，成為世界上高得率生產(chǎn)技術(shù)的主導(dǎo)趨勢(shì)。尤其是森林資源匱乏的國(guó)家。隨著我國(guó)造紙工業(yè)的高速發(fā)展,紙漿的需求量更是與日俱增。然而,適宜CTMP技術(shù)的木材資源日趨緊張,采用優(yōu)質(zhì)的單一材種木片進(jìn)行CTMP制漿已不現(xiàn)實(shí)。為了保障產(chǎn)能穩(wěn)定,高得率制漿原料木片的組成結(jié)構(gòu)逐漸多元化,其中采用混合木片生產(chǎn)已成為一種趨勢(shì)。目前,我國(guó)較為成熟的規(guī)模型高得率制漿企業(yè)的原料木片通常是兩種或以上材種木片混合而成,其中較為普遍的是速生桉木和速生楊木的混合原料(包括其枝椏材木片)。復(fù)雜的原料組成對(duì)磨漿工藝和磨漿條件提出了更嚴(yán)格的要求。為此,本實(shí)驗(yàn)對(duì)由速生桉木和速生楊木組成的混合木片的CTMP制漿技術(shù)進(jìn)行了研究。1原材料1.1立木、桉木、濕木材為國(guó)家林業(yè)局桉樹研究中心培育的產(chǎn)于我國(guó)華南雷州半島的速生無(wú)性系桉木(簡(jiǎn)稱桉木),樹齡4～5年,來(lái)料為帶皮濕木材段。測(cè)得其纖維平均長(zhǎng)度0.82mm,氣干密度0.4758g·cm-3,纖維平均寬度22.80μm。1.2楊樹來(lái)料概況為北京林業(yè)大學(xué)培育的5～6年齡速生三倍體毛白楊(簡(jiǎn)稱楊木),來(lái)料為帶皮濕木材段。測(cè)得其纖維平均長(zhǎng)度1.16mm,氣干密度0.3758g·cm-3,纖維平均寬度26.25μm。2設(shè)備和方法2.1準(zhǔn)備材料木材削片采用實(shí)驗(yàn)型圓盤削片機(jī),削后木片用1.2×1.2cm2的孔篩篩選,將留于篩板上的合格片料用密封袋包裝,均勻水分備用。2.2預(yù)浸泡在塑料桶內(nèi)用水浸泡木片,保持水沒(méi)過(guò)木片,浸泡12h。2.3木片的壓力磨砂漿經(jīng)過(guò)浸泡的木片采用CD300型CTMP中試系統(tǒng)進(jìn)行壓力磨漿,即粗磨。2.4盤磨機(jī)的精磨化經(jīng)過(guò)粗磨的漿料采用KRK300型高濃盤磨機(jī)進(jìn)行常壓精磨處理,KRK300型盤磨電機(jī)功率30kW,轉(zhuǎn)速為3000r·min-1,喂料方式為可調(diào)速螺旋喂料。2.5計(jì)算混合能耗的能耗磨漿能耗僅指磨漿時(shí)所消耗的功,電機(jī)空轉(zhuǎn)不計(jì)入內(nèi)。計(jì)算方法為:電機(jī)功(kWh)÷絕干漿(kg)。2.6多次磨漿后消潛由于磨漿時(shí)部分纖維產(chǎn)生了扭曲或糾纏,為消除這種扭曲潛能,發(fā)揮漿料的最佳強(qiáng)度性能,漿料經(jīng)過(guò)多次磨漿后在70～80℃熱水中2.0%濃度下消潛1h。2.7砂漿材料的篩選經(jīng)消潛的漿料采用KRK方框型振動(dòng)篩篩選,篩縫寬0.1mm,過(guò)篩良漿收集備用,未過(guò)篩的即為纖維束。2.8原料漿糊的提取抄片在Rapid-Kothen紙頁(yè)快速成形器上進(jìn)行。2.9白測(cè)量使用WSB-II(d/0)白度儀進(jìn)行。2.10性能試驗(yàn)紙漿各項(xiàng)物理性能檢測(cè)按《制漿造紙分析與檢測(cè)》中相關(guān)方法進(jìn)行。3結(jié)果與討論3.1浸漬條件對(duì)原料配比的影響通常原料組成不同其磨漿性能各異。為討論在其他條件相同的情況下,原料組成對(duì)磨漿及成漿料性能的影響,對(duì)相同浸漬條件、相同磨漿工藝下、不同原料組成的原料進(jìn)行了磨漿,磨成漿料性能見(jiàn)表1,其漿張性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。從表1看出,在相同磨漿工藝和浸漬條件下,達(dá)到相近游離度時(shí),隨著原料中桉木比例的提高,磨漿能耗逐漸下降。如A浸漬條件下,楊木:桉木為7:3時(shí)達(dá)到200mL的游離度,磨漿能耗為760kW·h·t-1;而當(dāng)楊木:桉木為5:5時(shí),達(dá)到相近的游離度210mL情況下能耗降至640kW·h·t-1,降低了近16%;而楊木:桉木變?yōu)?:7時(shí),達(dá)到相近的游離度220mL情況下,能耗進(jìn)一步降低至608kW·h·t-1,降低了20%。從表1中B浸漬條件結(jié)果看出,改變浸漬條件磨漿總能耗有所變化,但是仍表現(xiàn)為隨著原料中桉木比例的增加磨漿能耗逐漸下降。其原因可能與桉木材種密度和纖維形態(tài)有關(guān)。由于桉木木片相對(duì)密度略大(桉木氣干密度0.4758g·cm-3,楊木氣干密度0.3758g·cm-3),原料中桉木比例的增加,相同浸漬條件和磨漿工藝下生產(chǎn)同質(zhì)量絕干漿料所需的磨漿時(shí)間更短,導(dǎo)致同質(zhì)量原料的磨漿耗能更低;同時(shí)相對(duì)于楊木而言,桉木纖維略短小(桉木纖維平均長(zhǎng)度0.82mm,纖維平均寬度22.80μm;而楊木纖維平均長(zhǎng)度1.16mm,纖維平均寬度26.25μm),更短小的纖維原料在同一進(jìn)料螺旋作用下有利于進(jìn)料。對(duì)比表1結(jié)果可知,隨著原料中桉木配入量的增加,成漿白度逐漸降低。這恰與CTMP制漿方法的技術(shù)特性有關(guān)。通常在CTMP制漿過(guò)程中,成漿初始白度與所用原料本身白度基本呈線性關(guān)系,即原料自身白度越高,未漂CTMP漿白度通常亦愈高。歷史研究得知,通常楊木原料的木材白度在50%ISO左右,而桉木因木材中含有更多的發(fā)色基團(tuán)和其他有機(jī)抽出物,其原始白度僅30%ISO左右。從表1還看到,在兩種制漿條件下,各原料成漿纖維束含量均低于0.20%,但漿料纖維束含量變化與原料配比變化之間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的規(guī)律性。分析表2結(jié)果看出,在兩個(gè)不同的浸漬條件下磨漿成紙性能均表現(xiàn)為:隨著原料中桉木比例的增加,松厚度逐漸升高,抗張指數(shù)則逐漸下降。松厚度和抗張指數(shù)的相應(yīng)變化與原料中桉木比例增加有關(guān)。相對(duì)于楊木而言,桉木纖維更短小,纖維平均寬度更窄(22.80μm),故纖維更挺硬;在磨漿過(guò)程中纖維受壓潰少,分絲帚化程度低,成漿纖維經(jīng)過(guò)磨漿后基本仍保持其原狀,纖維成紙結(jié)合強(qiáng)度將較低;而楊木纖維更長(zhǎng),纖維平均寬度相對(duì)更大(26.25μm),經(jīng)磨漿后其纖維的壓潰和分絲帚化程度更高,纖維表面積增大,氫鍵結(jié)合點(diǎn)增加,成紙結(jié)合強(qiáng)度將相對(duì)更大。不同原料經(jīng)過(guò)磨漿后桉木和楊木纖維的變化情況亦可從圖1～圖3的顯微鏡圖片中較為直觀地看出,隨著原料中桉木比例的增加,成漿中未得到良好細(xì)纖維化的桉木纖維比例增加,而受到較好分絲帚化的楊木纖維的比例降低,成紙松厚度略有增加而結(jié)合強(qiáng)度有一定幅度的降低。從表2結(jié)果來(lái)看,兩種浸漬條件下,混合原料CTMP漿成紙撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)與原料中桉木和楊木的比例變化均沒(méi)有明顯的相關(guān)性。雖然,楊木的纖維平均長(zhǎng)度略大于桉木纖維的平均長(zhǎng)度(桉木纖維平均長(zhǎng)度0.82mm,楊木纖維平均長(zhǎng)度1.16mm);但相對(duì)于針葉材和闊葉材材種屬性間的纖維平均長(zhǎng)度差異而言(湖南馬尾松纖維平均長(zhǎng)度1.98mm、湖南杉木2.38mm),同屬闊葉材的楊木和桉木間的纖維平均長(zhǎng)度差別甚微。3.2磨漿能耗分析化機(jī)漿生產(chǎn)中,磨漿能耗占生產(chǎn)成本的較大部分。為此,對(duì)相同原料組成、相同浸漬條件、不同磨漿能耗的磨漿進(jìn)行了探討,成漿情況見(jiàn)表3,磨成漿的漿張性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。從表3結(jié)果可知,隨著磨漿能耗的增加,CTMP漿料的游離度逐漸降低,纖維束含量逐漸減少。而隨著磨漿原料中桉木配比量的增加,則磨漿能耗也逐漸降低,這與前文結(jié)果一致。比較不同原料配比、相近游離度下成漿磨漿能耗可以看出,達(dá)到相同游離度時(shí),原料中桉木配比量的增加則磨漿所需能耗更低。分析表3的結(jié)果,與前述結(jié)果一樣:隨著原料中桉木配比量的增加,CTMP成漿白度降低;隨著磨漿能耗的增加漿料,游離度降低,但成漿白度基本不變。即在本研究所討論的游離度范圍內(nèi),漿料白度幾乎不受磨漿能耗的影響。從表4中結(jié)果看出,相同原料組成、相同浸漬條件下,隨著磨漿能耗增加,成漿游離度逐漸降低,成紙的抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)均逐漸提高,尤其以抗張指數(shù)隨磨漿能耗的增加的增長(zhǎng)幅度最為明顯。這主要是磨漿能耗增加,漿料受擠壓揉搓和磨盤處理的幾率增加,纖維壓潰和分絲帚化的程度增加,漿料表現(xiàn)為濾水性能下降(即游離度增加),纖維間的結(jié)合強(qiáng)度增加表現(xiàn)為漿張物理性能提升。3.3浸漬液中燒堿比例對(duì)ctmp漿料色的影響為眾所周知,不同原料的化學(xué)組成和纖維形態(tài)各異,因此,不同的原料其制漿工藝各不相同。為更全面、更系統(tǒng)地掌握不同桉木與楊木配比原料的磨漿情況,對(duì)不同桉木與楊木配比的原料進(jìn)行了相同磨漿工藝條件下不同浸漬條件的磨漿。在相同磨漿工藝下,不同原料組成、不同浸漬條件的磨成漿料情況見(jiàn)圖4～圖6,各漿料的漿張性能列于表5。用量的增加,達(dá)到相近游離度時(shí)磨漿能耗明顯降低。相同浸漬條件下,隨著原料中桉木比例的增加,磨漿能耗有所降低。從不同浸漬條件CTMP漿料白度變化情況來(lái)看,對(duì)于相同原料,隨著浸漬液中燒堿比例的增加,成漿白度明顯降低,這主要是由于在高堿高溫高壓下,原料受堿性變黑所致。而相同原料磨漿至相近游離度時(shí),隨著浸漬液中燒堿比例的增加,成漿纖維束含量略有升高。其原因可能是浸漬液中高堿含量時(shí),纖維束和纖維均得到了更充分的軟化,受盤磨機(jī)械力作用時(shí)纖維束和纖維更柔軟更易變形,從而部分纖維束未受到磨盤充分地剪切而分散成單根纖維以纖維束形態(tài)留存于成漿中。分析表5結(jié)果看出,隨著浸漬藥液中燒堿比例的增加,在磨漿至相近游離度時(shí)成漿松厚度顯著降低。但抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)3個(gè)主要物理性能則隨浸漬藥液中燒堿用量的增加而逐漸提高。由于燒堿用量的增加,在浸漬過(guò)程中有更多的木素等物質(zhì)溶出,同時(shí)纖維素和半纖維素得到更充分的軟化,磨漿過(guò)程中纖維更易于分絲帚化,漿張成形過(guò)程中氫鍵結(jié)合點(diǎn)增加,漿張緊度增加,松厚度下降,結(jié)合強(qiáng)度升高,漿張抗張指數(shù)和耐破指數(shù)增加。4不同配比ctmp制漿效果對(duì)比4.1本研究所用楊木的氣干密度0.3758g·cm-3,纖維平均長(zhǎng)度1.16mm,纖維寬度25.39μm;桉木氣干密度0.4758g·cm-3,纖維平均長(zhǎng)度0.81mm,纖維寬度22.80μm。相對(duì)于楊木而言,桉木纖維更短小,纖維更挺硬。4.2桉木與楊木混合木片的CTMP制漿,在相同浸漬條件和相同磨漿工藝時(shí),隨著原料中桉木比例的增加,成漿白度下降,抗張指數(shù)顯著下降,松厚度則略有升高,達(dá)到