梁世杰，張 玲，王高升

（中國輕工業(yè)造紙與生物質精煉重點實驗室，天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學輕工科學與工程學院，天津300457）

隨著國家禁止洋垃圾政的政策目標逐步完成，國內造紙原料短缺的問題日益突出，充分利用非木材纖維成了解決這一難題的有效措施之一。 谷物秸稈是我國數量最大、分布最廣的秸稈類別，其中稻草秸稈過剩問題尤為突出[1]。 目前，草漿應用的瓶頸在于原料硅含量高，且雜細胞組分含量高；另外，在制漿過程中雜細胞不易被脫除，導致草漿的洗滌效率低、濾水性能差。 由于草漿的這一特性，助留助濾系統(tǒng)在草漿造紙濕部化學中有著非常重要的作用，無論是細小纖維，還是填料，又或者是其他濕部化學助劑，都要通過提高留著率、改善濾水等措施，使其作用效果最佳，達到預期的目的[2]。 本文在對草漿纖維形態(tài)分析的基礎上，探究采用不同助留助濾系統(tǒng)對草漿濾水性能及紙張強度的影響。

1 實驗

1.1 實驗原料及設備

1.1.1 原料

草漿由實驗室制備；助留劑（Percol 8038）、助濾劑（Percol 8442）和聚合氯化鋁（PAC）由上海索理思特種化學品有限公司提供。

1.1.2 設備

2500-Ⅱ型高濃盤磨機，日本Kumagai Riki Kogyo 公司；HB43-S 型梅特勒水分測定儀，梅特勒-托利多（上海）有限公司；RK3A-KWT 型紙頁成型器，奧地利Frank-PTI 公司；02969920 型耐破度測試儀、SE051 型標準厚度儀、982407 型環(huán)壓強度測試儀、009 型撕裂度測試儀、Fiber Fester912 型纖維測試分析儀、73-18 型疏解器，瑞典Lorentzen & Wettre公司；OLYMPUS-CX41 型光學顯微鏡，日本Nikon公司；DSC75 型動態(tài)濾水儀（DDJ），美國PRM 公司；DFR－04 型濾水保留測定儀，瑞典BTG 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 草漿的處理方法

將實驗室處理過的麥草用高濃盤磨機以一定的間隙和漿濃進行磨漿， 得到打漿度為52 °SR 的草漿，然后加水配成質量分數為1%的懸浮液。

1.2.2 草漿的微觀結構觀察和形態(tài)分析

用光學顯微鏡觀察草漿； 用纖維分析儀檢測草漿纖維和細小組分。

1.2.3 助留助濾劑的準備

助留劑加水配成質量分數為1‰的水溶液待用；助濾劑加水配成體積分數為1‰的水溶液待用；將PAC 配成0.3%水溶液待用。

1.2.4 抄紙

將實驗用紙料稀釋疏解均勻，加入助留劑，攪拌約1 min 后，再加入助濾劑，攪拌約1 min 后，用快速紙頁成形器抄造定量100 g/m2的手抄片。

1.2.5 助留助濾性能分析方法

（1）細小組分留著率測定：用動態(tài)濾水儀測紙料中的細小組分留著率。 量取500 mL 紙料倒入濾水筒中，在600 r/min 的轉速下攪拌10 s 并加入助留劑，800 r/min 轉速保持4 s， 在600 r/min 轉速下攪拌10 s并加入助濾劑，然后進行脫水，取最初的100 mL 濾液，測定濾液的固形物含量，按式（1）計算紙料留著率R。

式中：X、Y 分別是500 mL 紙料和100 mL 濾液中的固形物含量，g。

（2）濾水性能分析：采用濾水保留測定儀分析紙料的動態(tài)濾水性能。 量取1000 mL 濃度為1%的草漿倒入DFR 的脫水筒中， 在600 r/min 轉速下攪拌10 s 并加入助留劑，800 r/min 轉數保持4 s， 在600 r/min 轉速下攪拌10 s 并加入助濾劑， 然后重力脫水60 s，測定水的體積。

1.2.6 紙張性能的測定

將抄造的手抄片在23 ℃、相對濕度50%的條件下放置4 h 以上，然后對紙張的性能進行測試。 紙張性能的測試項目及所采用標準為：定量（GB/T 451.2—2002）、抗張強度（GB/T 453—2002）、 耐破強度（GB/T 454—2002）、撕裂度（GB/T 455—2002）、厚度（GB/T 451.3—2002）、環(huán)壓強度(GB/T 2679.8—1995)、耐折強度（GB/T 457—2002）。

2 結果與討論

2.1 草漿形態(tài)分析

草漿的纖維形態(tài)分析數據如表1 所示。 由表1可見：草漿的纖維長度較短，寬度較大，導致纖維長寬比較小， 會使紙張強度下降。 扭結指數的數值較大，有利于提高紙張的物理強度性能[3]。 草漿中細小組分含量大，為44.70%。

表1 草漿纖維形態(tài)分析數據

草漿中細小組分含量大，大部分是以導管、薄壁細胞、表皮細胞等非纖維狀細胞為主的雜細胞。如圖1（a）標記所示，有一些在盤磨過程中破碎的細胞，其形狀、大小各不相同，此類細胞為薄壁細胞；如圖1（b）標記所示，部分細胞呈鋸齒狀，此類細胞為表皮細胞；如圖1（c）標記所示，可以觀察到一些棒狀的非纖維狀細胞，此類細胞為導管。 有研究表明，在草類原料中， 一般雜細胞的含量占細胞總量的30%～60%（按面積法測定）[4]

圖1 草漿光學顯微鏡照片（×40）

2.2 不同助留助濾系統(tǒng)對草漿性能的影響

2.2.1 單組分和雙組分助留助濾系統(tǒng)

采用不同助留助濾系統(tǒng)時的草漿濾水性能指標見表2。由表2可以看出：當草漿不使用助劑時，其濾水性能差；使用助留劑和助濾劑，可以提高草漿的濾水性能，當分別加入0.05%和0.10%的助濾劑時， 草漿的濾水性能得到了提高， 分別提高了8.55%和9.33%。 當分別加入0.05%助濾劑、0.02%助留劑和0.10%助濾劑、0.02%助留劑時， 草漿的濾水性能得到了進一步提高， 分別提高了15.03%和19.43%。

表2 不同助留劑和助濾劑用量時的草漿濾水性能

采用不同助留助濾系統(tǒng)時的草漿留著率如表3所示。 由表3 可以看出：單獨使用助濾劑時，草漿的留著沒有效果， 這是因為單一助濾劑提高留著的原理是通過吸附架橋形成絮團， 但是這種絮團被高剪切力破壞后不能有效的恢復，導致留著效果不好[5]。雙組分助留助濾系統(tǒng)可以解決單組分助留助濾系統(tǒng)經高剪切力破壞后不能有效回復的問題， 通過數據可以看出，留著情況得到了改善，首程留著率提高了4.50%。

表3 不同助留劑和助濾劑用量時的草漿留著率

2.2.2 PAC 對草漿濾水性能的影響

為了進一步改善草漿的濾水性能， 在使用助留劑和助濾劑前先用聚合氯化鋁（PAC）處理草漿，以消除其中的陰離子垃圾，PAC 用量為0.3%。 PAC 對紙料濾水性能的影響如圖2 所示。 由圖2 可以看出：在草漿中加入PAC，無論是不添加助留劑和助濾劑、使用單一助濾劑，還是同時使用助留劑和助濾劑，其濾水性能均得到提高。 細小纖維和填料懸浮液中顆粒顯負電性而相互排斥，加入PAC 后，使顆粒的負電性被中和，粒子間的排斥力減小，當粒子發(fā)生碰撞時就會發(fā)生凝聚，草漿濾水性能得到明顯提升。

圖2 添加PAC 對草漿濾水的影響

2.3 助留助濾劑對紙張性能的影響

添加助留助濾劑對紙張性能的影響如表4 所示。 由表4 可以看出：在抄紙時使用單一的助濾劑，只有紙張的環(huán)壓指數提高，耐破指數、抗張指數和撕裂指數均下降， 助濾劑的使用嚴重影響了紙張物理強度；在抄紙時同時加入助留劑和助濾劑，紙張的耐破指數無明顯變化，但是紙張的抗張指數、撕裂指數和環(huán)壓指數均有提高， 助留劑和助濾劑同時使用對紙張的物理強度有積極作用。

表4 助留助濾劑對紙張性能的影響

3 結論

（1）草漿中細小組分含量大，為44.70%，大部分是以導管、薄壁細胞、表皮細胞等非纖維狀細胞為主的雜細胞，不利于草漿的濾水。

（2）單組分助留助濾系統(tǒng)可以提高草漿的濾水性能，不能增加草漿的首程留著，隨著助濾劑用量的增加，草漿濾水性能提高的程度有限；雙組分助留助濾系統(tǒng)可以使草漿的濾水性能得到明顯改善，首程留著率也得到改善；當加入PAC組成三元助留助濾系統(tǒng)時， 草漿的濾水性能得到進一步的提高。

（3）使用單組分助留助濾系統(tǒng)即使用單一的助濾劑，不利于提高紙張的物理性能，使用雙組分助留助濾系統(tǒng)， 對提高紙張的物理性能有積極作用。