打浆过程pH调控对浆料特性的影响研究.pdf

摘要：对化学针叶木浆和化学阔叶木浆打浆前进行pH调控，研究了pH值对浆料打浆度、纤维形态及手抄片内结合强度、耐折度等浆料特性的影响。结果表明：在pH 46较强酸性和pH9的较强碱性条件下打浆，两种纸浆的浆料性能变化趋势基本一致；在酸碱作用下，纸浆中的细小纤维含量降低，滤水性变好，但内结合力和耐折度则变差；在pH 78.5的范围内打浆，可获得最好的打浆效果。关键词：打浆；pH值；打浆度；纤维形态；强度指标Abstract:The pH regulation was performed before the beating of chemical softwood pulp and chemical hardwood pulp.And the effect of the pulp beating pH on beating degree,fiber morphology,internal bonding strength and folding strength of hand-sheet was analyzed.The results show that the properties change of the two samples was similar.The pulp filtration property became better since fines content decreased at higher acid or alkaline condition.Whats more,internal bonding strength and folding strength were also decreased at lower pH or higher pH.The best beating effect were gained in the range of pH 7-8.5.Key words:pulping;pH;beating degree;fiber morphology;strength index中图分类号：TS752;TS734+.1 文献标志码：A 文章编号：1007-9211(2023)14-0022-04打浆过程pH调控对浆料特性的影响研究 董栓 邹家豪*张尊照 陈光照 丁欣 刘胜华（万国纸业太阳白卡纸有限公司，山东济宁272100)The Effect of pH Adjustment During Beating Process on Pulp Properties Dong Shuan,Zhou Jiahao*,Zhang Zunzhao,Chen Guangzhao,Ding Xin,Liu Shenghua(International Paper&Sun Cartonboard Co.,Ltd.,Jining,Shandong 272100,China)作者简介：董栓先生，公司生产总监；主要从事白卡纸技术的研发与生产管理工作。通讯作者：邹家豪先生，研发工程师；主要从事白卡纸技术的研究开发。研究开发R&D打浆作为抄纸过程中一个重要环节，其效果的好坏很大程度影响着最终成纸的品质，因此，在行业里有句俗语“纸是打浆打出来的”1。影响打浆的工艺参数有许多，目前的研究主要集中在打浆设备、浓度、比压、温度等方面2-6，而对打浆pH的研究很少有报道。随着造纸过程由酸性抄造向中性抄造转变，再加上白水封闭循环程度不断提高，pH值已成为生产过程中一项重要的监测参数；而循环白水p H的变化，也就造成了打浆系统p H的波动，进而对成纸产生影响，不利于生产指标的稳定。本文以化学针叶木浆和化学阔叶木浆为原料，通过在打浆前调整pH值，研究pH对浆料游离度和纤维形态的影响，并进一步对浆料进行抄片，探究p H值变化对纸张强度指标的影响，以期为生产调控提供参考。1 实验部分1.1原料化学针叶木浆板(凯 利普，产地加拿大，干度88.13%)，化学阔叶木浆板(巴丝，产地巴西，干度91.69%)，硫酸铝溶液(恒源，液体，浓度18%)，氢氧化钠22第44卷第14期 2023年7月浆板使用标准疏解器疏解，转数为30,000 r/min，用硫酸铝溶液和氢氧化钠溶液调节浆料p H（范围区间49，梯度0.5），期间使用pH计实时测量并记录。然后，将调节后的浆料用PFI磨浆机在固定转数为2,000 r/min下进行打浆，将磨后浆料稀释，供检测分析使用。1.4浆料抄纸打浆后的浆料按标准60g/m2的定量抄片，然后用压榨器在60PSI下压榨3 min后，再用平板干燥器在105 下干燥10min；最后，将手抄片放于恒温恒湿实验室(温度231，湿度50%2%)，平衡水分24 h。1.5性能检测游离度CSF(ml)根据 GB/T 12660-2008纸浆滤水性能测定“加拿大标准”游离度法测量，然后通过对比表，换算得到肖氏打浆度(SR)；纤维长度根据GB/T29779-2013纸浆纤维长度的测定 非偏振光法 测量；手抄片耐折度(times)和内结合强度(J/m2)指标，分别根据 GB/T 457-2008 纸和纸板耐折度的测定 和 GB/T26203-2010纸和纸板内结合强度的测定 方法测量。2 结果与讨论(分析纯，国药集团化学有限公司)。1.2仪器电子天平(沈阳龙腾，2k g)；p H计(梅特勒，型号FE20)；加拿大游离度仪(T MI，型号33-23-00)；标准疏解器(PTI，型号95568)；PFI磨浆机(Realisations，型号1200)；抄片器(R e a lis a tio n s，型号1600)；压榨器(R e a l i s a t io n s，型号1800)；平板干燥器(Realisations，型号1000)；耐折度仪(四川长江，型号DCP-MIT135)；内结合度测试仪(DMT，型号T-10A)；纤维分析仪(L&W，型号981799)。1.3浆料打浆图1 不同pH值打浆所得浆料的游离度?研究开发 R&D图2 酸性pH值下纤维素的酸性水解(a)和碱性剥皮反应(b)23第44卷第14期 2023年7月称“化阔”），其打浆度在初始阶段均随着打浆pH的增加而升高，在pH=80.5左右打浆度最高，而后打浆度又有所下降。这主要是因为纸浆纤维的主要成分是纤维素，而纤维素是由D-葡萄糖基构成的直链状高分子化合物，如图2a所示，其内部存在大量的分子内氢键（O3-H基环O5，O2-HO6）和分子间氢键（O3O6-H）7，在酸性条件下，H+会破坏纤维素链上的氢键，从而加速纤维素分子的解离与降解8；而在碱性条件下（图2b），OH-会导致纤维素发生剥皮反应，导致纤维素分子的解聚9。也就是说，在较强的酸性或碱性条件下，都会导致纤维素的降解，特别是细小纤维，因其分子链短会被优先降解溶出，因而浆料滤水性变好，打浆度降低；而且，从图1可以看到，相对化学针叶木浆，阔叶木浆的打浆度变化更为显著，这也是与其细小纤维含量较高有关。2.2不同pH值打浆对浆料纤维形态的影响纸浆纤维的形态参数主要包括纸浆纤维的长度、宽度及细小纤维含量等，这些参数是评价纤维质量的主要指标，通过对纸浆纤维形态进行分析，可为生产过程纸浆纤维配比的合理性和可操作性提供支撑，进而提高产品质量10，降低生产成本。表1和表2分别代表不同p H值打浆对化学针叶木浆2.1不同pH值打浆对浆料打浆度的影响打浆度是反映浆料滤水性能的关键指标，打浆度越高表明浆料的游离度越低，滤水性能就越差，图1显示了不同pH下浆料打浆度的变化趋势。从图1可以看出，打浆前的浆料仅调控pH一个变量，在经过相同打浆处理后，浆料的打浆度变化非常明显。不论是化学针叶木浆（简称“化针”）还是化学阔叶木浆（简表1 化针浆不同打浆pH下的纤维长度pH值4.064.565.015.556.036.517.027.487.968.509.02纤维宽度/m29.229.229.028.928.628.327.827.627.928.328.4纤维长度/mm2.1302.1052.0972.1702.0422.0192.0282.0352.1182.1262.118细小纤维含量/%3.63.83.83.93.94.04.04.04.03.93.9表2 化阔浆不同打浆pH下的纤维长度pH值3.944.444.965.536.016.536.967.458.088.529.01纤维宽度/m18.518.318.218.218.117.717.617.417.617.817.8纤维长度/mm0.7530.7480.7420.7360.7300.7280.7230.7220.7230.7250.731细小纤维含量/%4.84.84.84.84.95.35.35.35.24.94.8图3 纤维细胞壁的吸水润胀图5 不同pH下纸张耐折度变化趋势?图4 不同pH下纸张内结合强度变化趋势?研究开发R&D24第44卷第14期 2023年7月和化学阔叶木浆纤维长度的影响。对于两种浆料，在较强酸性（pH46）和较强碱性（pH9）的条件下纤维长度要高于中性条件下的纤维长度，而细小纤维含量则相反，这进一步说明酸碱条件下细小纤维优先降解溶出，导致纤维平均长度增加，这和打浆度的变化是一致的。另外，从纤维宽度变化来看，在酸或碱的作用下，因离子浓度差，水分子更容易渗入纤维细胞壁中，使纤维细胞发生吸水润胀11（图3），进而变得柔软，增加了纤维的韧性，纤维分丝帚化增加，表现出打浆度上升，这也有利于纤维之间的氢键结合，增加成纸的结合力。2.3不同pH值打浆对纸张内结合强度的影响纸浆纤维在抄造过程中彼此相互交织、相互结合而形成纸张，纤维之间的这种相互结合力称之为纤维的内结合力。如图4所示，纸张内结合强度随不同打浆pH的变化趋势与打浆度的变化趋势相似，这主要是因为随着打浆度的提高，纤维的细纤维化增加了纤维间的相会扭结和物理交织，同时纤维间的氢键作用增强，使内结合强度增大12。2.4不同pH值打浆对纸张耐折度的影响纸和纸板的耐折能力主要取决于纤维长度、纤维自身强度和纤维之间的结合力。图5显示了纸张耐折度随不同打浆pH值的变化趋势，可以看出通过调节不同的打浆p H值，纸张耐折度呈现先升后降的趋势，与浆料打浆度和纸张内结合强度变化基本一致。而且，相对化学针叶木浆，化学阔叶木浆耐折度最高不到20次，在较强酸性条件下耐折度仅有1次，显示出酸性处理的纸张脆性大13。因此，在生产中要特别注意避免酸性打浆。3 结论在相同的打浆条件下，调节打浆pH值对浆料的打浆度、纤维形态、内结合强度和耐折度都有显著影响，且对化学针叶木浆和化学阔叶木浆的变化趋势基本一致。打浆时pH值过高和过低都会使纤维发生降解，导致细小纤维含量降低，滤水性增强，打浆度降低；同时，纤维的结合力和耐折度也较差。对于抄纸生产而言，未调整好pH值而直接根据游离度判断打浆效果，会对生产造成误导，最终影响到成纸指标。收稿日期:2023-06-19参考文献1MichaelJKocurek,范景阳.浆料制备过程中打浆的优化及其对纸机运行和纸张性能的影响C.2004中国造纸学会学术报告会论文集,2004.2方刚,林涛,王志杰,等.不同打浆设备对二次细小纤维产生及质量的影响J.中华纸业,2010(22):38-42.3徐永建,王家泳,闫瑛.不同打浆设备对漂白针叶木浆纤维细纤维化程度的影响J.陕西科技大学学报:自然科学版,2015(6):10-144武书彬,谢来苏.打浆浓度对麦草浆纸页初期湿抗张能量吸收指数的影响J.中国造纸,1992,11(2):25-29.5陈瑜,刘永清,谢益民,等.针叶木长纤高浓与低浓打浆的比较研究J.中华纸业,2017(22):39-45.6杜春宇.打浆的影响因素及对成纸性能的影响J.黑龙江造纸,2017(3):20-22.7PinkertAndr,MarshKenneth,PangShusheng,etal.IonicliquidsandtheirinteractionwithcelluloseJ.ChemicalReviews,2009,109,6712-28.8李沅,孙衍宁,班卫平.纤维素在酸及酶催化作用下的降解特性J.大连轻工业学院学报,2000,19(3):169-171.9HashimMY,RoslanMN,AminAM,etal.Mercerizationtreatmentparametereffectonnaturalfibrereinforcedpolymermatrixcomposite:AbriefreviewJ.WorldAcademyofScience,EngineeringandTechnology,InternationalJournalofChemical,Molecular,Nuclear,MaterialsandMetallurgicalEngineering,2012(6):778-784.10汪运涛.纤维质量分析仪在制浆造纸工业中分析测试能力的扩展D.山东:山东轻工业学院,2010.11WangY,AzharS,LindstrmME,etal.Stabilizationofpolysaccharidesduringalkalinepre-treatmentofwoodcombinedwithenzyme-supportedextractionsinabiorefineryJ.JournalofWoodChemistryandTechnology,2015,35:91-10112桑益洲,刘忠.纸张内结合强度的影响因素J.西南造纸,2005(1):44-45.13闫智培,易晓辉,田周玲,等.影响纸张老化的因素及缓解措施初探J.文物保护与考古科学,2018,30(2):110-120.研究开发 R&D25第44卷第14期 2023年7月