制浆造纸厂树脂沉积的机理及其控制.pdf

综述与专论制浆造纸厂树脂沉积的机理及其控制秦梦华陈嘉翔华南理工大学,广州,摘要介绍了木材和纸浆中树脂的分布、化学组成及其含量,制浆造纸过程中树脂沉积的机理,预见树脂发生沉积潜力的方法,及树脂沉积的控制方法。控制树脂沉积的方法主要有化学法和生物控制法。关锐词树脂沉积树脂控制在制浆造纸过程中,纸浆中的树脂会以多种形式沉积在设备的表面上,产生一 系列树脂问题。例如,树脂的沉积会降低洗涤、筛选、净化和磨浆的效率,幻树脂沉积在浆池和纸机网部上,残 留在毛布中,聚集在压榨辊、烘缸和压光机上川,影 响纸张的匀度,使产品质量下降,及由于断头、清洗和维修而 增 加停机 时间,一。为了防止树脂沉积的发生,工厂中一般加入所谓的树脂控制剂,如滑石粉、硫酸铝、分散剂、赘合剂和助 留剂等。木材和纸浆 中树脂的分布、组成及其含量木材和 纸浆中树脂的分布在针叶木 中,树脂存在于树脂道和薄壁细胞中。在温带阔叶木和大多数热带阔叶木中,由于不存在树脂道,因而树脂几乎全部集中在木射线薄壁 细胞 中一。树脂在 纸浆悬 浮液 中的存在形 式有在薄壁细胞的内部,粘附在纤维、细小纤维和薄壁 细胞 的表面,以胶体状态游离地悬浮在浆液之中。研究表明川,最有可能发生树脂障碍的是第三种类型的树脂,即胶状树脂。存在于薄壁细胞内部和纸浆表面的树脂,可以随纸浆一起留着在纸页之中,因而这两种类型的树脂所产生的树脂问题较少。但是,在制浆过程中,纸浆要经受激烈的机械处理如打年月浆和磨浆等,这两种类型的树脂都有可能转化成胶状树脂,从而进一步形成有害的树脂沉积物。木材中树脂的组成及其含量针叶木和阔叶木中树脂的组成针叶木中的树脂主要由下列类化合物组成游离脂肪酸,如油酸和亚油酸游离树脂酸,如松香酸甘油三酸酷不皂化物,如街醇、三菇烯醇和蜡等。此外,还含有少量的酚类物质。阔叶木的树脂组分和针叶木不尽相 同,在阔叶木中含有相对 较 多 的 中性物和 不皂化物闭。例如对于桦木来说,其不皂化物约为松木的倍。在硫酸盐蒸煮过程中,脂肪酸和树脂酸可以形成可溶性皂,这些皂可以在纸浆洗涤时作为一种表面活性剂有助于不皂化物的溶解和去除一。据报道,为了完全溶解木材抽出物中的不皂化物,皂化组分和不皂化组分的比值必须高于幻。对于 阔叶木来说,其比值远低于大多数针叶木。因此,在 阔叶木硫酸盐制浆过程中,加入表面活性剂对于除去纸浆中的树脂来说是必要的。不同部位的木材的树脂组分木材的抽出物含量随着树干的不 同位置和树木的不同部位而有较大变化。杨木树皮的抽出物约为边材和心材的倍沿着树干,位收稿日期一一修改稿置越高抽出物 含量越高。对木材树脂的研究还表明巨习,树皮抽出物 中的不皂化物约为木材的儿倍到十倍。随着木片中树皮含量的增加,纸浆中不皂化物 含量明显增加,且增加 了发生树脂障碍的机会。木材的风干贮存对树脂组分的影响在木材的风干过程中,由于酶解和氧化反应,树脂可变成水溶性更强的组分,因而更 易在洗涤时除去。而某些有机物质,例如菇烯可以在风干过程中挥发掉仁。杨木是一种富含树脂的木材,丙酮抽出物含量在一之 间。杨木风干个月以后,抽出物含量下降一。红松风干贮存时,非极性组分下降很快,风干个月就从下降到,降低了极性组分一开始增 加,随 后逐 渐减 少,个月降低仁。和木材 的水中贮存相比,以木片的形式风干贮存更易于酶解和氧化反应的发生。风干贮存的主要缺点是导致纸浆白度下降。采伐期对木材树脂含量的影 响对日本红松 的研究表明,木材 中的抽出物含量在冬季一月份最 多,春季开始减少,夏季降到 最低值。从月份到月份,甲醇抽出物 从增至,个月 增 加 了。对非极性组分而言,木材在月份 的含量是月份 的倍。制浆造纸过程中树脂沉积的机理在制浆造纸厂有许多原因可使树脂沉积在设备的表面上,严重 时引起树脂障碍。粘 附在纤维表 面上的树脂的沉积当流动 的纸浆悬浮液中的纤维或薄壁细胞与管道或贮浆池的 内壁接触时,由于摩擦作用可使粘 附在 纸浆表面 的树脂脱落下来,从而沉积在管道和贮浆池 的内壁上川。但是这些沉积的树脂可能 由于和其它纤维表面接触而又重新吸附在纤维上,因此二者存在着一个动态平衡。在通常的条件下,这种类型的树脂不 易发生沉积,刘。然而在流体剪切力密集的区域,如长,网纸机的网子与案板或吸水箱之间,树脂可能从纤维表面脱落下来,这种脱落下来的树脂可以沿着平滑的表面流动,并在低剪切力 的区域发生沉积,。随纤维和 细小纤维一起形成 的沉积纸浆经过压辊时,由于其表面含有粘性树脂,从而可能使纤维、细小纤维或薄壁细胞随树脂一起粘附在压辊表面。该沉积物很容易在压辊上发现,可以用刮刀除去。树脂在压区沉积在毛布中在压区,纸幅中的白水被挤压到毛布中。这些白水中含有少量 的纤维、薄壁细胞和胶状树脂。在压区强烈的压榨下,一定量的树脂可以从纤维表面转移到毛布上。某些薄壁细胞也可能被压碎,从而释放出树脂。研究表明闭,在新闻纸厂,纸浆 中总树脂含量的可沉积在毛布中。这种沉积堵塞毛布的孔隙或在以后的脱水过程中沉积在吸水箱的唇板上。因此,这种沉积在新闻纸厂是最为有害的。在流体剪切力条件下胶状树脂的沉积纸浆悬浮 液在静止的表面 上流动 的过 程中,虽然纸浆 中胶状树脂的负电性和空间位阻使 胶状 树脂 与 静止表 面之 间的 接 触 受到 限制,“,然而在高流体剪切力的条件下,胶状树脂的动量足以克服这些斥力,粘附在静止表面上,从而导致树脂的沉积。流体剪切力的大小是决定是否发生这种沉积的关键,太大或太小的剪切力都不易于该形式沉积的发生川。这种类型的沉积主要发生在 液面以下贮浆池内壁、管道内壁、探头、脱水板和吸水箱上闭。蒸发 引起的胶状树脂的沉积当含有胶状树脂的白水溅到设备 的表面上时,随着 白水 的蒸发,液滴的体积逐渐变小,最后胶状树脂在设备的表面上形成沉积物。这种机理可能是在烘缸或花岗岩辊上形成沉积的原因,也可能是浓缩机护板上形成树脂沉积物的部分原因。乳化和聚结引起的胶状树脂的沉积分散在纸浆 中的胶状树脂,实际上是一种水包油型乳剂。若有足够的时间,这些树脂液中国造纸第期滴就会上升,聚集在空气一水的界面上,从而在界面上形成一层非常浓的乳状液。通过聚结,从而在悬浮液上面形成一层树脂膜。当纸浆液面波动时,就会在浆池 内壁上形成许多层树脂沉积物。这些沉积物经常周期性地从内壁上脱落下来严重时形成树脂球,混入纸浆中,在以后的工段能再次沉积下来而产生一系列树脂问题,例如糊网、粘辊或形成纸病。泡沫的形成和破裂引起的沉积泡沫的浮选过程也能形成树脂膜。若浆料或 白水中混入气泡,或空气由溶解状态释放出气泡,树脂粒子就会附着在这些气泡上一起上升到液面。由于树脂液滴对气泡的稳定作用,气泡到达液面以后不是立即破碎而是形成泡沫。当这些泡沫破裂时,树脂粒子会聚结成粘性薄膜或树脂球。它们本身可以糊网、粘辊,使毛布局部堵塞,粘附在烘缸或压光机上,并可在纸页上产生孔洞或影响纸页的匀度。钙皂的沉积在制浆造纸系统中,含有较多的钙。其中来 自木材,来 自白液,来 自工厂用水。树脂中的树脂酸和脂肪酸,在高条件下形成阴离子皂,它有可能和系统中的钙离子形成不溶性钙皂。然而在一般新闻纸抄造的条件下,似乎不适于不溶性钙皂的形成图。,树脂在磨浆机 内的沉积纸浆在磨浆过程中要 经受激烈 的机械处理,其能量足够磨碎薄壁细胞,从而使树脂从薄壁细胞和树脂腔中游离出来。这些树脂可以沉积在磨浆机内部,脱落下来的树脂可以使以后工序出现树脂问题。与外来物质共同形成的沉积当树脂发生沉积时,某些悬浮在纸浆中的物质也可以粘附在沉积物上面。例如木射线细胞、纤维、细小纤维、沙子、及来 自废纸中的油墨粒子都趋于粘附在树脂表面一起形成沉积。有时这些物质在很大程度上影响沉积物的体积、粘性和外观形态。此外在不存在树脂 的条 件 下,某些消泡剂 有 时 也能产生沉积,“。年月色评价纸浆发生树脂障碍潜力的方法制浆造纸厂所产生的树脂障碍是由纸浆中不同物理状态的树脂引起的,针对不 同类型的树脂障碍就要测定不同物理状态的树脂,因而也就需要不 同的测定方法。法该法是在容器 中用螺旋搅拌器搅拌纸浆悬浮液一段时间,测定沉积在螺旋叶片和容器上的树脂量”。该法所测定的树脂是在剪切力条件下所沉积 的树脂,它是纤维表面的树脂、薄壁细胞树脂和分散树脂的混合物。该法也可测定 白水或纸浆滤液 中的分散的胶状树脂。法测定原 理和所 测 定的 树脂的类型与法类似,只是用一个振荡混合器代替螺旋搅拌。分散树脂计数器该法是先将纸浆过滤,取一滴滤液放在血球计数器上,用显微镜读出已知体积的树脂粒子的数目,索氏抽提法用有机溶剂在索氏抽提器中对纸浆进行抽提,所得的抽出物可代表纸浆中树脂的总量。研究表明,丙酮是抽提原料、纸浆或纸张中树脂成分的良好溶剂,它有可能被采纳为抽提树脂成分的标准溶剂川。其它方法浮选法、皂抽提法、碳纤维吸附法和树脂染色法都可以评价树脂发生沉积的可能性。树脂障碍的控制方法化学控制法滑石粉滑石粉是纸厂常用来控制树脂问题的无机物,它通过吸附憎水的胶状树脂,降低树脂的粘度,从而避免沉积 的发生,剑。由于滑石粉吸附树脂靠的是无规则的接触,因此滑石粉的比表面积越大,纯度越高,就越有利于树脂的吸附,。用滑石粉控制树脂的沉积,最好在树脂处于未絮聚状态时加入。若树脂已发生 了絮聚,滑石粉就会吸附在树脂沉积物的粘性表面上。虽然这样可以使沉积物的粘性降低,防止树脂更进一步的沉积,但当系统 中存在较高的剪切力 时,沉积物就会分裂,暴露出不稳定的粘性树脂表面,于是又沉积在设备表面上川。利用滑石粉控制树脂障碍的优点在于其经济性,且由于部分滑石粉留着在纸页中,因而可以减少系统用水中的树脂含量。此外添加滑石 粉可以改进纸页表面的平滑度和不透明度,而不影 响其机械强度。其缺点是用量较高,磨损设备及操作较为困难。硫酸铝硫酸铝 控 制树脂 障碍的机理 如 下,洲铝离子附着在带有 负 电荷的树脂粒子上,改变其电性。这种带有正 电荷的树脂粒子吸附在带有负电的纤维上,从而最终 留着在成纸中。通常硫酸铝 和氢氧化钠或铝酸钠一起使用,氢氧化钠的加入 可以促 进 对 树 脂沉 积 的 控制 效果。,。硫酸铝是一种有效的絮聚剂,在某些纸种的生产中,尤其是新 闻纸,其控制效果非常显著。硫酸铝 的添 加和计量也较方便,且硫酸铝可以使部分树脂留着在纸 页中从而限制了树脂在 白水中的积聚,。其不利因素是,有部分硫酸铝和树脂沉积在毛布和 吸水箱中铆需严格控制系统的温度和值川增加 了设备的腐蚀。在高浓 条件下,导致脱水和 留着率的下降,对某些木材来说,也会导致白度 的下降川。分散剂当纸浆中加入分散剂或表面 活性剂时,分散剂分子就会吸附在树脂一水界面上,通过电荷和空间位阻来稳定树脂粒子。此外,分散剂还具有软化和“溶解”已形成 的树脂沉积物 的性能。许多研究表明,非离子型的表面 活性剂是最为有效的。非离子型的表面 活性剂已成功地用于解决湿部和 压榨部粘性树脂的沉积沁。某些 阴离子型分散剂也具有良好的控制效果。阴离子型分散剂可以使树脂粒子表面的负电性增加,从而增大了树脂粒子之间的斥力,达到稳定树脂粒子,防止树脂沉积的目的,周。利用阳离子型分散剂来控制树脂的沉积的研究,起步相对较 晚,其控制机理与硫酸铝类似,周。在适当的位置加入分散剂可以很有效地控制中等程度的树脂问题,其操作和计量也很方便,而不需象硫酸铝那样严格控制系统的值和温度侧。然而,分散剂仍似乎不能胜任控制严重的树脂问题某些分散剂具有毒性大多数分散剂除阳离子型外不能使树脂留着在成纸中,从而引起封闭循环用水系统中树脂的积累。赘合剂鳌合剂可以络合系统中的金属离子,如钙、铜、铁和锰等,从而防止它们和系统中的阴离子皂结合而生成沉积物。研究表明,在条件下效果非常显著,足够量的鳌合剂可以获得和非离子型分散剂至少相同的效果。除此之外,某些助留剂,如聚丙烯酞胺和聚氧乙烯醚等也可以控制树脂的沉积。生物控制法利用或处理木片是一种真菌,它能通过木射线细胞从木片的表面彻底侵蚀并渗透到木材内部,从而显著地降低木片表面、树脂道中和木射线薄壁细胞中的树脂,而不使木片的 白度下降,“。用处理木片一天后,可以使木片中的二氯甲烷抽出物降低以上。是一种干粉状的产品。当它以水溶液的形式喷洒在木片上时,能够快速侵蚀渗透到木射线薄壁细胞、管胞和树脂道中,从而在制浆以前除去树脂。实验室的研究表明,能产生胞外脂肪酶和少量半纤维酶,但不产生纤维素酶和木素酶阳。利用处理南方松木片时,通过一分析发现总树脂酸和 总脂肪中国造纸第期酸含量下降及单一树脂组分含量的变化。翎可以有效地除去许多不同种类的木材的树脂,例如多种松木、云杉、按木、桦木、杨木和热带阔叶木混材。用量和处理时间取决于木材的种类和温度阳。落利用脂肪酶处理纸浆许多研究 表明,树脂中 的 甘油三酸 醋是制浆造纸过程中产生树脂障碍的有害组分之一,卜。在纸浆中加入脂肪酶,可以将水解成低粘性的组分而减少树脂的沉积。是一种 来自印的工 业品。在中加入的,可以使水解。该酶在、和、条件下具有稳定的活性。实验室和工厂的实践表明,利用脂肪酶处理纸浆不仅可以控制树脂的沉积,而且可以提高产品的质量,降低产品的成本。其它对木材进行风干处理木材经过风干后,纸浆中的分散树脂的浓度大幅度下降,总树脂含量也下降。此外风干可以改变树脂的化学组成,降低其粘性,减少树脂沉积的发生。良好的洗涤对纸浆进行充分的洗涤,最大程度地除去分散树脂。不同的木材采用不 同的制浆方法将木材进行分类,以便使有害树脂含量高的木材进行硫酸盐制浆,部分树脂皂化后从纸浆中洗涤出去。避免泡沫的产生和积聚这样可以防止分散树脂由于气泡的存在而引起的聚结。定期清洗设备这样可以控制所生成的沉积物的尺寸,使其不易脱落下来,从而防止过大的沉积物在以后工序引起的树脂问题囚。尽量避免温度和值的波动年月因为温度和值的波动会 改变树脂的化学性能,使其易于发生沉积尤其是用硫酸铝作为树脂控制剂时叼。避免过量使用消泡剂研究发现,消泡剂中的物质可以增加树脂发生沉积的趋势。良好的剥皮由于树皮中含有较多的树脂,尤其是不皂化组分,因此良好的剥皮对于树脂沉积的控制是十分必要的,。结语制浆造纸厂发生树脂障碍的原因是多方面的。不同化学性能和物理状态的树脂在沉积过程中的行为和作用也不相同。由于树脂沉积机理的多样性和复杂性,从而不可能仅利用一种控制方法就能全面解决制浆造纸厂的树脂问题,为此必须采用多种方法对树脂进行全面系统的控制。参考文献,一,反,阿部善作纸,考技协志,“”,藤田夕子等,纸川技协志,加,浏,崔起,林赛霞等,中国造纸,二,伴,详,冬,碑,一,社领正树等,纸资技协志,二丹氏任连呀月吮左吐盆匕 了口乙勺,曰,自二左且孟翻内六一匕毖匕左且匀内月 了吕口八八 一一勺,卯,。,上接页,一一一一夕舒,一,了,即,一一一一一,一一一。一,中国造纸第期