田 超 陳 彬 呂衛(wèi)軍

(中國制漿造紙研究院，北京，100020)

滲透劑在CTMP制漿過程化學預浸漬段的應用初探

田 超 陳 彬 呂衛(wèi)軍

(中國制漿造紙研究院，北京，100020)

為探索改善CTMP制漿過程化學預浸漬效果的可能途徑，實驗考察了在CTMP制漿過程化學預浸漬段添加滲透劑對制漿性能的影響。實驗結(jié)果表明，在化學預浸漬段添加滲透劑后，CTMP漿纖維平均長度提高，長度分布更加集中，集中區(qū)域向較高的長度區(qū)間移動，成漿纖維束和細小纖維含量有明顯下降，漿張白度、松厚度、抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)均有不同程度提高，磨漿電耗有所降低。

滲透劑;CTMP;化學預浸漬

化學預浸漬是CTMP和APMP等化學機械法制漿工藝的重要組成部分。相對化學法制漿，化學機械漿的化學預浸漬條件非常溫和，其目的是以潤脹和軟化漿料為主，而不是脫除纖維胞間層和細胞壁內(nèi)的木素。因此，化學預浸漬對纖維原料的潤脹和軟化效果極大地影響著后續(xù)磨漿過程中纖維剝離的難易程度、完整程度、分絲帚化程度，進而對磨漿電耗和成漿質(zhì)量產(chǎn)生影響［1］。

在實際生產(chǎn)中，出于提高漿料得率、控制廢水污染負荷以及減少堿性發(fā)黑等目的，化學預浸漬用堿量往往會控制在盡可能低的水平，因此就無法避免磨漿電耗高、漿料磨解不夠充分或較多纖維被強行切斷等問題，特別是采用密度較大的桉木、相思木等材種作為制漿原材料時。為此，本實驗初步探討了在CTMP制漿過程化學預浸漬段添加滲透劑來改善化學預浸漬效果的可能性，期望通過加強化學藥品向原料內(nèi)部的滲透和潤脹軟化作用，來達到降低磨漿能耗、改善成漿質(zhì)量的目的［2-3］。

1 實驗原料

1.1 木材原料

實驗采用混合闊葉木為原料，由楊木木片和桉木木片按7∶3的質(zhì)量比均勻混合而成。楊木產(chǎn)自北京，樹齡5年，桉木為多個品種的混合木片，樹齡4～5年，產(chǎn)地廣東湛江。

1.2 滲透劑

實驗共搜集了6種滲透劑，滲透劑的主要化學成分及性狀描述如表1所示。

表1 滲透劑情況簡介

2 實驗方法

實驗流程見圖1所示。

2.1 滲透劑的初步篩選

根據(jù)工藝要求，用于化機漿預浸漬的滲透劑應滿足下列條件:可均勻分散于水中;耐堿，不與化學浸漬藥品反應;耐溫＞140℃;無毒。

為了初步驗證這些滲透劑的效果，篩查掉不適于化機漿制漿或作用較差的樣品，以減少不必要的制漿實驗工作量，本實驗首先對表1所列的6種滲透劑進行了滲透性能測定。

2.1.1 測定原理

液體對木片都有一定的浸透能力，通過比較一定規(guī)格木片中的孔隙被浸漬液填充的程度 (以下稱浸透程度，以百分比表示)，即可間接評價不同浸漬液浸透能力的大小。

2.1.2 測定方法

將60 mm×60 mm×3 mm的紅松木片，浸沒在溫度80℃、含有2%NaOH和0.5%滲透劑的浸漬液中60 min，取出后輕輕拭干木片上掛著的水滴，通過稱量浸漬前后木片的質(zhì)量，然后帶入已經(jīng)建立的代表浸漬液質(zhì)量與浸透程度之間關(guān)系的數(shù)學模型，計算出木片的浸透程度［4］。

圖1 實驗流程

式中:I為木片被浸漬液浸透的程度;

m1/mdc為木片中水分與木片絕干質(zhì)量的比值;

ρ1為浸漬液的密度，g/m3;

ρdc為木材的絕干密度，g/m3;

ρw為木材的骨架密度，g/m3。

2.2 備料

取7 kg(絕干)混合闊葉木木片，用清水浸泡12 h，制漿前撈出瀝水。

2.3 CD-300熱磨機

對原料的汽蒸、擠壓疏解、化學浸漬、粗磨全部由CD-300熱磨機完成，具體工藝參數(shù)如下:

汽蒸時間10 min;螺旋壓縮比4∶1;化學浸漬時間10 min，壓力0.11～0.12 MPa，液比1∶4，化學藥品 3%NaOH+3%Na2SO3［5-6］;粗磨壓力 0.12 MPa，盤磨間隙1 mm，濃度20%。

2.4 KRK精磨

采用KRK高濃磨漿機對熱磨機噴出的粗漿進行精磨，第一段精磨磨漿濃度為15%、盤磨間隙0.4 mm，其余各段磨漿濃度20%、盤磨間隙0.1 mm，磨漿段數(shù)根據(jù)目標游離度確定。

2.5 消潛

將精磨后的漿料用80～90℃的熱水浸泡30 min，漿濃5%，以消除磨漿過程對纖維造成的撓曲。

2.6 篩選

用陜西科技大學制造的ZQS5型篩漿機篩除漿料中的纖維束，篩縫0.15 mm，精漿脫水，供抄紙使用。

2.7 纖維形態(tài)分析

成漿纖維形態(tài)采用L＆W纖維分析儀進行分析測定。

2.8 纖維束和細小纖維含量的測定

纖維束含量采用KRK標準方篩測定，取10 g絕干漿，篩選10 min;細小纖維含量用Bauer-Menett篩分儀測定，取10 g絕干漿，篩選20 min。

2.9 抄紙

使用德國產(chǎn)Rapid-Kothen紙頁成形器抄造手抄片，手抄片定量60 g/m2。

2.10 檢測

漿張性能定量、厚度、亮度、抗張強度、撕裂度按國家相關(guān)標準測定。

3 結(jié)果與討論

3.1 滲透劑性能

對表1所列的6種滲透劑的滲透性能測定結(jié)果如表2所示。

由表2可見，在所列6種滲透劑中，滲透劑1#和滲透劑2#對浸透程度的改善最為明顯，分別比空白試樣提高了14.3%和10.8%，MA-240和OEP-70效果相對較差，GRK 1#雖然使浸透程度比空白試樣提高了8.4%，但是其加入到堿性浸漬液中后使浸漬液呈黏稠的膠體狀，不適宜制漿使用，GRK 2#加入到浸漬液中后使浸漬液呈乳濁液，且對浸透程度的提高不明顯，也不適合制漿使用。因此，后續(xù)制漿實驗將采用對浸透程度提高最為明顯的滲透劑1#來考察滲透劑對CTMP制漿過程化學浸漬效果的影響，以下簡稱為滲透劑。

表2 滲透劑的滲透性能測定結(jié)果

3.2 滲透劑對CTMP制漿的影響

實驗中分別考察了在CTMP制漿過程化學浸漬段添加滲透劑對成漿纖維長度分布、纖維束和細小纖維含量、漿張物理性能等成漿質(zhì)量指標以及磨漿電耗的影響。為了更加明顯地體現(xiàn)滲透劑的影響，每組實驗均增加了一個不添加滲透劑的空白試樣作為對比。

3.2.1 對成漿纖維長度分布的影響

滲透劑用量對CTMP漿成漿纖維長度分布的影響如圖2所示。

由圖2可見，空白試樣的纖維長度分布相對分散，在0.2～0.4 mm、0.4～0.6 mm、0.6～0.8 mm、0.8～1.0 mm的4個長度區(qū)間內(nèi)分布比例均超過15%，而在化學浸漬段中加入滲透劑后，成漿纖維長度在0.2～0.6 mm的區(qū)間內(nèi)的分布明顯減少，并向0.6～1.0 mm的區(qū)間集中。從測得各漿樣的平均纖維長度來看，空白試樣的平均纖維長度為0.69 mm，添加0.5%和1.0%用量滲透劑的漿樣纖維長度分別為0.76 mm和0.74 mm。由此可見，在化學浸漬段中添加滲透劑可以減少成漿中較短纖維的比例，使纖維長度分布頻率向較高的長度區(qū)間集中，體現(xiàn)在宏觀方面，就是提高了成漿纖維的平均長度和均勻性。

圖2 滲透劑用量對CTMP漿纖維長度分布頻率的影響

另外還可以發(fā)現(xiàn)，當滲透劑用量從0.5%提高至1.0%時，成漿纖維的分布頻率變化不大，說明滲透劑對成漿質(zhì)量的改善效果并不與用量呈線性關(guān)系，需要在后續(xù)實驗中對滲透劑用量進行優(yōu)化。

3.2.2 對成漿纖維束和細小纖維含量的影響

添加滲透劑前后CTMP漿纖維束和細小纖維含量的變化如圖3所示。

圖3 滲透劑用量對CTMP漿纖維束和細小纖維含量的影響

由圖3可見，在化學浸漬段添加滲透劑后，CTMP漿纖維束含量和細小纖維含量有明顯的降低，且細小纖維含量隨滲透劑用量的增加繼續(xù)有小幅下降，但將滲透劑用量從0.5%提高至1.0%并沒有使纖維束含量繼續(xù)降低，反而略有上升。分析認為，滲透劑通過改善化學浸漬段對漿料的潤脹、軟化效果，降低了磨漿過程中漿料纖維被強行切斷的幾率，從而使成漿細小纖維含量有所降低。對于纖維束，滲透劑一方面通過改善漿料的潤脹、軟化程度，起到降低纖維束含量的作用，但另一方面，滲透劑的主要成分為表面活性物質(zhì)，過多的滲透劑加入有可能導致磨漿過程中漿料之間的摩擦系數(shù)下降，使部分浸漬不夠充分的纖維束更難被磨解而得以保留［7］。

3.2.3 對漿張白度的影響

研究證明，機械漿的初始白度對于后續(xù)漂白有至關(guān)重要的影響。因此本實驗對滲透劑用量與CTMP漿白度的關(guān)系進行了研究，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 滲透劑用量對CTMP漿白度的影響

由圖4可見，在化學浸漬段添加0.5%用量的滲透劑后，CTMP成漿白度比空白試樣提高了2.9個百分點，將滲透劑用量增加至1.0%，成漿白度比空白試樣提高了3.6個百分點。分析認為，滲透劑對成漿白度的提高作用主要來自于兩個方面，一個是表面活性成分對漿料中的發(fā)色物質(zhì)的輔助凈洗作用，另一個是加強了NaOH和Na2SO3對漿料的抽提、反應能力，使更多的發(fā)色物質(zhì)被改性或溶出。

3.2.4 對漿張松厚度的影響

滲透劑用量對漿張松厚度的影響如圖5所示。

圖5 滲透劑用量對CTMP漿張松厚度的影響

由圖5可見，在化學預浸漬段添加滲透劑后，CTMP漿張松厚度并沒有呈現(xiàn)預計的下降趨勢，反而比空白試樣有所提高，滲透劑用量從0.5%增加至1.0%后，漿張松厚度繼續(xù)有小幅提高。原因目前尚不確定，可能與成紙纖維長度分布的變化有關(guān) (參見3.2.2)，也就是說，滲透劑的加入使?jié){的纖維形態(tài)保持的更加完好、細小纖維含量明顯降低，減少了細小纖維對漿張孔隙結(jié)構(gòu)的填充，最終體現(xiàn)為漿張松厚度的提高。

3.2.5 對漿張強度的影響

滲透劑用量對CTMP漿抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)的影響如圖6所示。

圖6 滲透劑用量對CTMP漿張強度性能的影響

由圖6可見，與空白試樣相比，在化學浸漬段分別添加用量為0.5%和1.0%的滲透劑后，漿張抗張指數(shù)由33.7 N·m/g分別提高至34.4 N·m/g和35.8 N·m/g，說明滲透劑對提高漿張抗張強度有一定作用，但效果并不顯著。而添加滲透劑對漿張撕裂指數(shù)的提高是非常明顯的，撕裂指數(shù)在添加0.5%用量的滲透劑后由2.80 mN·m2/g提高至3.20 mN·m2/g，提高幅度為14.3%，滲透劑用量增加至1.0%時撕裂指數(shù)提高至3.44 mN·m2/g，提高幅度為22.9%。

抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)等強度性能都是由多重因素共同決定的。本實驗中，CTMP漿張的抗張指數(shù)提高主要得益于纖維平均長度的增加以及纖維束含量的降低，而細小纖維含量降至一定水平后則有可能影響纖維間的結(jié)合強度，對抗張指數(shù)的提高產(chǎn)生負面作用［8］;撕裂指數(shù)則更加偏重于受纖維長度的影響。因此CTMP制漿在化學浸漬段添加滲透劑后，撕裂指數(shù)會比抗張指數(shù)獲得更大的升幅。

3.2.6 對磨漿電耗的影響

電耗高是機械法制漿的重要特征，在化學浸漬段添加滲透劑的一個重要目的就是希望通過改善漿料的潤脹、軟化效果來降低磨漿電耗［9］。滲透劑用量對CTMP磨漿電耗的影響如表3所示。

表3 滲透劑用量對CTMP磨漿電耗的影響

由表3可見，在化學浸漬段分別添加0.5%和1.0%用量的滲透劑后，磨漿電耗比空白漿樣分別下降了146 kWh/t和215 kWh/t，降幅分別為8.6%和12.7%。由此說明，滲透劑在化學浸漬段的應用能夠在一定程度上降低CTMP磨漿電耗。

4 結(jié)論

本實驗對滲透劑在CTMP制漿過程化學浸漬段中的應用進行了簡單的探索，得到了一些初步的實驗結(jié)果，其中一些現(xiàn)象的發(fā)生機理還有待驗證。另外，對諸如使用滲透劑的費效比、用量優(yōu)化、浸漬廢水的污染負荷變化等問題，還需要進行進一步的實驗研究。

4.1 在CTMP制漿過程化學浸漬段添加滲透劑可以提高CTMP漿的纖維平均長度，并使纖維長度分布向較高的長度區(qū)間集中，同時降低成漿中的纖維束和細小纖維含量，獲得形態(tài)相對均一的漿料纖維。

4.2 滲透劑通過加強NaOH和Na2SO3對CTMP漿的抽提、反應能力以及借助表面活性成分對漿料中發(fā)色物質(zhì)的凈洗作用，可以提高CTMP漿的白度。

4.3 在CTMP制漿過程化學浸漬段添加滲透劑可以提高漿張的抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)，其中對撕裂指數(shù)的提高較為顯著，同時松厚度略有增加，磨漿電耗有一定程度的下降。

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Preliminary Study on the Application of Penetrant in Preimpregnation Stag of CTMP Production

TIAN Chao*CHEN Bin LV Wei-jun
(China National Pulp and Paper Research Institute，Beijing，100020)

In this paper，in order to find a feasible way to enhance the preimpregnation effectively，the effect of penetrant application in preimpregnating stage of CTMP process was studied．It was found that，compared to the control sample，the sample with using penetrant has longer mean length of CTMP fiber，and the fiber length distribution is more concentrated to a region with longer length value．The shives and fines are decreased significantly，while the whiteness，bulk，tensile index and tear index are improved in various degrees with a lower refining energy consumption．

penetrant;CTMP;preimpregnation

TS743+.2

A

0254-508X(2011)05-0011-05

田 超先生，工程師;主要研究方向:造紙原料材性分析及制漿、漂白工藝、纖維素材料綜合利用技術(shù)。

(*E-mail:ptrc2008@163．com)

2010-12-03(修改稿)

“十一五”國家科技支撐計劃課題“速生材高得率制漿技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應用”(2006BAD32B04)。

(責任編輯:馬 忻)