陳 彬 劉 忠

（天津科技大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，天津，300222）

兩種速生闊葉木混合木片的CTMP制漿

陳 彬 劉 忠

（天津科技大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，天津，300222）

文章介紹了兩種造紙行業(yè)常用的速生闊葉木即楊木和桉木的混合木片的CTMP制漿。尤其重點(diǎn)討論了相同磨漿過(guò)程中兩種原料纖維變化情況、不同配比的混合木片的磨漿和不同磨漿能耗的混合木片的磨漿及不同浸漬條件的混合木片的磨漿。結(jié)果表明，桉木楊木混合CTMP制漿過(guò)程中，桉木纖維受作用后的分絲帚化性能較楊木纖維更差；隨著原料中桉木比例的增加成漿白度和抗張指數(shù)顯著下降，漿張松厚度則略有升高，達(dá)到相近游離度時(shí)磨漿能耗有所降低；而隨著浸漬藥液中燒堿用量的增加，達(dá)相近游離度時(shí)磨漿能耗明顯降低，成漿白度和松厚度下降，纖維束含量略有增加，漿張抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)則有不同程度的提高。

桉木 楊木 木片 CTMP制漿

1 前言

化學(xué)熱磨機(jī)械漿（CTMP）技術(shù)屬高得率制漿技術(shù)范疇，自上世紀(jì)70年代實(shí)現(xiàn)工業(yè)化以來(lái)，得到了快速發(fā)展，并逐漸代替了其它高得率制漿技術(shù)成為了世界高得率制漿技術(shù)的主流，該技術(shù)尤其受到像我國(guó)這樣的森林資源匱乏國(guó)家的青睞。隨著我國(guó)造紙工業(yè)的高速發(fā)展，紙張產(chǎn)能屢創(chuàng)新高，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)定生產(chǎn)，目前高得率制漿原料木片的組成結(jié)構(gòu)逐漸多元化，其中采用混合木片進(jìn)行生產(chǎn)已成為行業(yè)內(nèi)的一種趨勢(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闊葉材的混合木皮，尤其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。為充分了解混合木片的磨漿情況，本文對(duì)當(dāng)下造紙行業(yè)使用最為廣泛的兩種速生闊葉材，即速生桉木和速生楊木的混合木片的CTMP制漿技術(shù)進(jìn)行了研究。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 原料

桉木 為國(guó)家林業(yè)局桉樹(shù)研究中心培育的產(chǎn)自我國(guó)華南雷州半島的速生無(wú)性系桉木 （簡(jiǎn)稱(chēng)桉木），樹(shù)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/cm3，纖維平均寬度22.80μm。

楊木 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(chēng)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/cm3，纖維平均寬度26.25μm。

2.2 設(shè)備與方法

2.2.1 備料

木材削片采用實(shí)驗(yàn)型圓盤(pán)削片機(jī)。削成木片用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。其中合格楊木片如圖1，合格按木片如圖2。

圖1 合格楊木片

圖2 合格按木片

2.2.2 木片預(yù)浸泡

在塑料桶內(nèi)用水浸泡木片，保持水位高過(guò)木片，浸泡12小時(shí)以上。

2.2.3 木片壓力磨漿

經(jīng)過(guò)浸泡的木片采用中國(guó)制漿造紙研究院的CD300型CTMP中試系統(tǒng)進(jìn)行壓力磨漿，即粗磨。

2.2.4 漿料精磨

經(jīng)過(guò)粗磨的漿料采用KRK300型高濃盤(pán)磨機(jī)進(jìn)行常壓精磨處理，KRK300型盤(pán)磨電機(jī)功率30kw，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，喂料方式為可調(diào)速螺旋喂料。

2.2.5 磨漿能耗計(jì)算

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÷絕干漿質(zhì)量。

2.2.6 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，經(jīng)過(guò)多次磨漿后的漿料在塑料桶內(nèi)70～80℃熱水中消潛1小時(shí)。

2.2.7 漿料篩選

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。

2.2.8 漿料抄片

抄片在德國(guó)產(chǎn)Rapid-Kothen紙頁(yè)快速成形器上進(jìn)行。

2.2.9 白度測(cè)定

使用國(guó)產(chǎn)WSB-II（d/0）白度儀進(jìn)行。

2.2.10 漿張性能檢測(cè)

漿張各項(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。

2.3 工藝流程

本論文的工藝路線如圖3所示。楊木和桉木，首先進(jìn)行備料，合格木片進(jìn)入CD-300熱磨機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行汽蒸，經(jīng)過(guò)汽蒸的原料在擠壓螺桿的作用下進(jìn)行擠壓疏松，疏松原料噴淋藥液進(jìn)行化學(xué)浸漬處理，然后經(jīng)過(guò)壓力磨漿機(jī)進(jìn)行粗磨，粗磨漿料進(jìn)行常壓多段KRK磨磨漿，漿料進(jìn)行消潛，然后進(jìn)行篩選并完成相關(guān)檢測(cè)和抄紙以及紙張的性能檢測(cè)[1-4]。

圖3 實(shí)驗(yàn)工藝流程圖

3 結(jié)果與討論

3.1 混合木片CTMP磨漿過(guò)程中纖維形態(tài)的變化

由于桉木和楊木兩種原料的纖維長(zhǎng)寬度和柔軟度不同，兩種纖維在磨漿過(guò)程中所受到的剪切作用必然有所差異。為了解這種差異，本實(shí)驗(yàn)對(duì)原料配比和浸漬條件固定，不同游離度CTMP漿料進(jìn)行顯微觀測(cè)，分析混合原料在磨漿過(guò)程中各自纖維變化情況，觀測(cè)結(jié)果如組圖4～6所示。

由圖4～6可見(jiàn)：在游離度分別為400ml、280ml、180ml的三個(gè)CTMP漿料中，楊木纖維隨著漿料游離度的下降而出現(xiàn)了更多的細(xì)胞壁破損和分絲帚化現(xiàn)象；而桉木纖維的細(xì)胞壁始終較為光滑，沒(méi)有明顯的破損和細(xì)纖維化現(xiàn)象。從這一結(jié)果可以分析，當(dāng)CTMP漿料中桉木纖維比例較多時(shí)，漿料的漿張松厚度勢(shì)必更為理想，漿料較適宜配抄松厚度要求較高的紙張；而當(dāng)CTMP漿料中楊木纖維比例較高時(shí)則漿張強(qiáng)度性能理應(yīng)更為樂(lè)觀，漿料更適宜用于配抄物理強(qiáng)度性能要求較高的紙種。

圖4 游離度400ml的漿料纖維形態(tài)×60

圖5 游離度280ml的漿料纖維形態(tài) ×60

圖6 游離度180ml的漿料纖維形態(tài)×60

3.2 不同原料配比的磨漿

通常原料不同其磨漿性能各異[1,3]。為討論在相同條件下，不同原料組成原料的磨漿及磨成漿料性能變化情況，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。具體結(jié)果如圖7至圖14所示。

圖7 A條件磨漿電耗隨原料中木片比例變化情況

圖8 B條件磨漿電耗隨原料中木片比例變化情況

從圖7和圖8中可以看出，在相同磨漿工藝相同浸漬條件下，達(dá)到相近游離度時(shí)，隨著原料中桉木比例的增加KRK磨漿電耗逐漸下降。如在A浸漬條件下，楊木:桉木為7:3時(shí)達(dá)到200ml的游離度磨漿電耗為760 kW·h/t；而當(dāng)楊木:桉木為5:5時(shí)，達(dá)到相近游離度210ml情況下電耗降至640kW·h/t，電耗降低了近16%；而楊木:桉木變?yōu)?:7時(shí)，達(dá)到相近游離度220ml情況下電耗進(jìn)一步降低至608kW·h/t，電耗降低了20%。其原因可能與桉木材種密度和纖維形態(tài)有關(guān)。由于桉木相對(duì)密度略大 （桉木氣干密度0.4758g/cm3，楊木氣干密度0.3758g/cm3），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。

圖9 CTMP漿料白度隨原料中木片配比變化情況

圖10 CTMP漿料纖維束含量隨原料中木片配比變化情況

對(duì)比表圖9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；且隨著浸漬條件中燒堿用量的增加，其成漿白度隨桉木配入量增加所降低的幅度更大。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成線性關(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)和其它有機(jī)抽出物，導(dǎo)致桉木原始白度相對(duì)楊木較低，僅30%ISO左右。

從圖10中可以看到，在相近游離度相同其他條件下，CTMP漿料的纖維束含量基本一致，都很較少，各原料配比的CTMP成漿纖維束含量均不超0.2%。不同工藝間纖維束含量隨原料配比有略微差異，但差異無(wú)規(guī)律性，而且各工藝間CTMP成漿纖維束含量也都很低。

圖11 CTMP漿張松厚度隨原料中木片變化情況

圖12 CTMP漿張抗張指數(shù)隨原料中木片變化情況

圖13 CTMP漿張撕裂指數(shù)隨原料中木片變化情況

圖14 CTMP漿張耐破指數(shù)隨原料中木片變化情況

分析圖11～14結(jié)果可以看出，在兩個(gè)不同的浸漬條件下漿張性能均表現(xiàn)為：隨著原料中桉木配入量的增加，漿張松厚度逐漸升高，漿張抗張指數(shù)則逐漸下降；而漿張撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)與原料中兩種木材比例的變化并無(wú)明顯的相關(guān)性。漿張松厚度和抗張指數(shù)的相應(yīng)變化與原料中桉木配比的增加有關(guān)。相對(duì)于楊木而言桉木纖維更短小 （桉木纖維平均長(zhǎng)度0.82mm，楊木纖維平均長(zhǎng)度1.16mm），纖維平均寬度更窄（桉木纖維平均寬度22.80μm，楊木纖維平均寬度26.25μm），桉木纖維更挺硬；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，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)增加纖維成紙結(jié)合強(qiáng)度將相對(duì)更大[1-5]。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15～17的顯微鏡圖片中較為直觀的看出。故此，隨著原料中桉木配比量的增加，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，漿張表現(xiàn)為松厚度略有增加而結(jié)合強(qiáng)度降低。

圖15 楊木∶桉木=7∶3CTMP漿料顯微鏡照片

圖16 楊木∶桉木=5∶5CTMP漿料顯微鏡照片

圖17 楊木∶桉木=3∶7CTMP漿料顯微鏡照片

3.3 不同磨漿能耗的磨漿

化機(jī)漿生產(chǎn)中，磨漿能耗占生產(chǎn)成本的較重部分。探討相同原料組成相同浸漬條件不同磨漿能耗磨漿對(duì)磨成漿料性能的影響，找出磨漿能耗與漿料性能的相應(yīng)規(guī)律將有積極的現(xiàn)實(shí)意義。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，成漿情況和漿張結(jié)果如圖18～26。

圖18 楊木∶桉木=7∶3CTMP漿料游離度隨磨漿電耗變化情況

圖19 楊木∶桉木=5∶5CTMP漿料游離度隨磨漿電耗變化情況

圖20 楊木∶桉木=3∶7CTMP漿料游離度隨磨漿電耗變化情況

圖21 磨漿能耗增加CTMP漿料纖維束變化情況

圖22 CTMP漿料白度隨磨漿能耗變化情況

從圖18～22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，纖維束含量逐漸減小。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。與前述結(jié)果一致。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。

圖23 CTMP漿張松厚度隨磨漿電耗變化情況

圖24 CTMP漿張抗張指數(shù)隨磨漿電耗變化情況

圖25 CTMP漿張撕裂指數(shù)隨磨漿電耗變化情況

圖26 CTMP漿張耐破指數(shù)隨磨漿電耗變化情況

從圖23～26的結(jié)果來(lái)看，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，漿張主要物理性能抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)均逐漸提高，尤其以漿張抗張指數(shù)隨磨漿能耗的增加增長(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(pán)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。

3.4 不同浸漬條件的磨漿

眾所周知，不同原料的化學(xué)組成和纖維形態(tài)各異[1-4]。因此，往往不同的制漿原料其制漿工藝各不相同[1,3]。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。相同磨漿工藝不同原料組成不同浸漬條件的磨成漿料情況及漿料的漿張性能結(jié)果示于圖27～33。

圖27 不同工藝CTMP磨漿電耗變化情況

從圖27的結(jié)果可知，相同磨漿工藝相同原料隨著浸漬條件中燒堿用量的增加，達(dá)到相近游離度時(shí)磨漿電耗明顯降低；相同浸漬條件下，隨著原料中桉木比例的增加磨漿電耗有所降低。

圖28 不同工藝CTMP漿張白度變化情況

從不同浸漬條件CTMP漿料白度變化情況來(lái)看，相同原料隨著浸漬液中燒堿比例的增加，成漿白度明顯降低且基本不受原料配比的影響（如圖28），這主要是由于在高堿高溫高壓下，原料受堿性變黑所致[1-7]。

圖29 不同工藝CTMP漿纖維束變化情況

從結(jié)果來(lái)看，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且基本與原料組成無(wú)相關(guān)性，這一現(xiàn)象由圖29可以更為直觀地看出。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(pán)磨機(jī)械力作用時(shí)纖維束和纖維更柔軟更易變形，磨漿時(shí)容易產(chǎn)生打滑，從而部分纖維束未能受到磨盤(pán)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[1-7]。

圖30 不同工藝CTMP漿張松厚度變化情況

圖31 不同工藝CTMP漿張抗張指數(shù)變化情況

圖32 不同工藝CTMP漿張撕裂指數(shù)變化情況

圖33 不同工藝CTMP漿張耐破指數(shù)變化情況

分析圖30～33的結(jié)果可知，相同原料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)，CTMP成漿漿張松厚度顯著降低。但漿張抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)三個(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，漿張成型過(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[1-5]。

4 結(jié)論

4.1 本研究所用楊木氣干密度0.3758g/cm3，纖維平均長(zhǎng)度1.16mm，纖維寬度為25.39μm；桉木氣干密度0.4758g/cm3，纖維平均長(zhǎng)度0.81mm，纖維寬度為22.80μm。相對(duì)于楊木而言桉木纖維更短小，纖維更挺硬。

4.2 桉木與楊木混合原料的CTMP制漿，在相同浸漬條件相同磨漿工藝時(shí)，隨著原料中桉木比例的增加成漿白度和抗張指數(shù)顯著下降，漿張松厚度則略有升高，達(dá)到相近游離度時(shí)磨漿能耗有所降低。

4.3 桉木與楊木混合原料的CTMP制漿，在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下降，漿張抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)則逐漸升高，抗張指數(shù)隨磨漿能耗增加增長(zhǎng)幅度更為顯著。

4.4 桉木與楊木混合原料的CTMP制漿，隨著浸漬藥液中燒堿用量的增加，達(dá)相近游離度時(shí)磨漿能耗明顯降低，成漿白度和松厚度下降，纖維束含量略有增加，漿張抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)則將有不同程度的提高。

[1]謝來(lái)蘇,詹懷宇主編.制漿原理與工程[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,2001

[2]石淑蘭,何福望主編.制漿造紙分析與檢測(cè)[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,2003.

[3]鄔義明等.植物纖維化學(xué)（第二版）[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,1991:252

[4]李元祿.高得率制漿的基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,1991.

[5]Jan Sundbolm.Papermaking Science and Technology (Book 5):Mechanical Pulping[M].Finland Helsinki:Fapet Oy,1999

[6]Giust,W.;McLellan,F.;Whiting,P.Alkali darkening and its Similarities to Thermal Reversion[J].Pulp and Paper Sci.1991,17(3),73-79.

[7]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,2005,24(5):51-60.

2011－11－1

陳彬；天津科技大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院在讀碩士，主要從事制漿與漂白技術(shù)的研究。

二次纖維