劉士亮

（華南理工大學 ，廣州，510640）

前言

從流體力學角度來看，紙漿的表觀粘度隨紙漿濃度的增加而增大，在濃度較低時（小于0.6%），這種變化呈線性，當濃度超過一定數(shù)值時，就呈非線性變化，從而體現(xiàn)出紙漿流的非牛頓流體程度，濃度越高，非牛頓流動的程度也越大，到中濃范圍時（7%～15%），紙漿就明顯呈現(xiàn)出黏彈性性質[1]。顯然，濃度的改變對紙漿中纖維網(wǎng)絡體的形成、網(wǎng)絡體內部的纖維結合強度以及打漿后的成漿性質具有一系列重要影響。那么，不同紙漿濃度打漿后成漿性質如紙頁物理強度指標、纖維濕重、纖維固有強度、成漿纖維形態(tài)以及打漿電耗有什么影響？本研究采用華南理工大學研究開發(fā)的可適用于中、高濃打漿的新型ZDPS液壓雙盤磨（如圖1）和常見的低濃雙盤磨作對比，探討了低濃打漿和中濃打漿后成漿的各種性質如：纖維細纖維化程度、紙頁抄造性能、纖維形態(tài)變化和打漿能耗的變化。

圖1 新型ZDPS液壓雙盤磨漿機

1 試驗方法

1.1 原料、試驗設備及打漿工藝流程

打漿原料采用生產廠家常用的竹、桉木混合漂白漿。

設備采用本中心研制生產的ZDPS液壓雙盤磨，盤磨功率為280 kW，打漿濃度為10%，生產能力為50～100 t/d，磨片采用造紙與污染控制國家工程研究中心研制磨片，對比打漿設備為傳統(tǒng)低濃雙盤磨，功率為160 kW，打漿濃度為4%。

中濃打漿工藝流程為：

漿板→中濃水力碎漿機→中濃漿泵→漿池→中濃液壓雙盤磨組→成漿→抄片

低濃打漿工藝流程：

漿板→低濃水力碎漿機→低濃漿泵→漿池→低濃雙盤磨組→成漿→抄片

1.2 成漿性質檢測

（1）打漿度及抄片性能、篩分檢測均采用國家標準進行[2-4]。

（2）掃描電鏡觀察：自然沉積纖維在蓋玻片上，風干后用雙面膠固定在噴金臺上，放置于真空鍍膜機上進行噴金處理，在HITACHIS-550掃描電子顯微鏡（日本制造）中觀察。

2 打漿試驗結果及分析

不同濃度、不同臺數(shù)打漿后成漿打漿度、纖維濕重和抄造紙頁物理性能指標見表1。

表1 中、低濃打漿后成漿參數(shù)和抄造紙頁物理性能

2.1 中、低濃打漿對紙頁物理強度指標的影響

從表1可以看出：對于同一種漿種，在不同濃度、不同設備打漿時，打漿效果存在較大的差異：

（1）在達到同樣的打漿度值時，不同濃度打漿所需要的盤磨臺數(shù)是不一樣的。如在打漿至42°SR時，傳統(tǒng)低濃雙盤磨在4%的打漿濃度時，需要經(jīng)過4臺才能達到該打漿度值，而采用ZDPS中濃液壓雙盤磨在10%的打漿濃度上，只需要2臺盤磨即可達到該數(shù)值，這說明ZDPS中濃液壓雙盤磨在中濃狀態(tài)下的打漿效率明顯提高，這種特點對生產廠家特別有利。

（2）在同樣打漿度值時，ZDPS中濃液壓雙盤磨中濃打漿抄造出的紙頁性能明顯優(yōu)于低濃打漿。在4%濃度打漿時，42°SR值下的抄造紙頁裂斷長為4080 m，而在10%濃度打漿時，在43°SR數(shù)值下抄造紙頁的裂斷長就達到5130 m。這說明，生產上采用ZDPS中濃液壓雙盤磨中濃打漿時，可以適當降低打漿后成漿的打漿度數(shù)值而不會影響成紙的強度指標，以有利于濕部紙頁的抄造、濾水以及紙張的回用性能，從而達到降低生產成本的目的。

（3）與傳統(tǒng)的低濃雙盤磨4%濃度打漿相比，ZDPS中濃液壓雙盤磨10%濃度打漿可以較好地保留纖維的濕重和提高成漿保水值。在不同濃度打漿時，在相近打漿度數(shù)值下,中濃打漿后的成漿濕重明顯高于低濃打漿，例如低濃打漿至42°SR時的濕重數(shù)值為3.0克，而ZDPS中濃液壓雙盤磨10%濃度打漿至43°SR時的濕重數(shù)值為4.1克，濕重數(shù)值保留較好說明中濃打漿有利于纖維長度的保留，打漿度的提升主要是內纖維化的結果，對主要使用桉木等短纖維漿種的國內造紙企業(yè)來說，這無疑是個福音。

與低濃打漿相比，中濃打漿過程中，盤磨區(qū)中動片磨齒和定片磨齒之間是有著較強纖維結合能力的纖維網(wǎng)絡體，動片和定片齒槽間也存留著較多的小纖維網(wǎng)絡體，所以，中濃打漿涉及的基本單元已經(jīng)不再是松散的纖維結合體，而是多根纖維彈性彎曲、交叉而形成的具有較強的纖維聯(lián)結強度的網(wǎng)絡體。打漿時，在紙漿湍流中較強的流體剪切應力及磨齒高速交叉運動形成的高脈動剪切力的作用下，纖維網(wǎng)絡體受湍流剪切作用，構成纖維網(wǎng)絡體的纖維之間的某些作用大大增強，同時，磨齒的高速剪切力也對纖維網(wǎng)絡體中的纖維施加很強的剪切摩擦，從而使得中濃紙漿纖維網(wǎng)絡體中的纖維受到劇烈的摩擦、壓縮、拉伸、扭曲等作用，從而賦予纖維間良好的結合力。

2.2 中、低濃成漿纖維篩分分布的影響

在不同濃度、不同設備打漿時，打漿后成漿篩分分布如表2。

表2 不同濃度、不同設備打漿在相近打漿度時的紙漿篩分析

纖維篩分分布在一定程度上反映了紙漿纖維被切斷狀況和纖維長度、纖維固有強度保留的優(yōu)劣[5]。從表2可以看出：10%濃度打漿，成漿濕重保留明顯改觀，就打漿度數(shù)值類似的情況下來看，在4%濃度打漿時保留在100目以上的纖維篩分占62.0%，而過100目的細小纖維組分比例則為38.0%，當打漿濃度升高至10%時，保留在100目以上的較長纖維比例上升到86.9%，而過100目的細小纖維比例則下降至13.1%。

與傳統(tǒng)雙盤磨4%低濃打漿相比，ZDPS中濃液壓雙盤磨10%中濃打漿后的成漿纖維濕重數(shù)值增大，篩分中長纖維組分比例增加。這就說明：ZDPS中濃液壓雙盤磨打漿度數(shù)值的提高大多是由纖維的內、外細纖維化所造成的，纖維幾乎是在固有強度沒有很大損傷的基礎上發(fā)展其氫鍵結合能力的，這就為短纖維漿種抄造高強度、高品質的紙種提供了可能性！

2.3 中、低濃打漿后纖維形態(tài)的比較

通過電子顯微鏡（SEM）對打漿后成漿纖維形態(tài)的觀察，可以直觀地了解到不同濃度、不同設備打漿后的纖維形態(tài)（包括表面細纖維化程度、細纖維化方式、纖維內部結構狀態(tài)變化等）差異，并進而推斷何種打漿方式能獲得較佳抄造性能的成漿纖維形態(tài)，本文對傳統(tǒng)雙盤磨4%濃度打漿和ZDPS液壓雙盤磨10%濃度打漿后的成漿在相似的打漿度值下進行了電子顯微鏡掃描比較（如圖2～圖3）

圖2 傳統(tǒng)雙盤磨4%打漿成漿纖維形態(tài)42°SR

圖3 ZDPS中濃液壓雙盤磨10%打漿成漿纖維形態(tài)43°SR

由圖2～圖3可以看出：與傳統(tǒng)雙盤磨4%低濃打漿相比，ZDPS中濃液壓雙盤磨10%濃度打漿后的成漿纖維結合能力明顯改善，纖維S1層充分脫除，S2層完全暴露，游離于纖維表面的細纖維增多。另外在纖維的內部，纖維的皺折而引起的位移現(xiàn)象、撕裂現(xiàn)象也增加了纖維吸水潤脹的能力，纖維不僅具有良好的細纖維化現(xiàn)象、起毛、分絲尤為明顯，而且纖維表面出現(xiàn)中、高濃打漿特有的縱向壓縮所產生的表面波浪形皺折、位移和扭曲現(xiàn)象。

傳統(tǒng)的低濃打漿很難使纖維產生良好的內外細纖維化，打漿度的上升大多來源于初生壁的破除、纖維的切斷和雜細胞的碎裂。而不是來源于真正的對纖維的細纖維化。由于短纖維漿種在我國造紙原料中所占比例超過85%，故這種現(xiàn)象一直成為制約我國紙張質量和紙種拓展的一個重大障礙。如何使短纖維漿種在保留其固有強度、不損傷纖維長度的基礎上使其纖維間的結合能力“更上一層樓”，從而使得利用短纖維漿種也能抄造出高質量的紙頁，那么采用中濃打漿無疑是一個較好的選擇。

2.4 中、低濃打漿能耗的比較

隨著濃度的增加，紙漿的打漿度數(shù)值升高較快，紙漿纖維保留較好，紙頁的緊度和各項物理強度指標都增強。另外，本研究對不同濃度、不同設備打漿絕干漿通過量和打漿電耗的變化進行了統(tǒng)計（如表3）。

表3 不同濃度、不同設備打漿通過量與比單位打漿能耗的比較

對于竹、桉混合漿來說，濃度由4%增高到10%，從傳統(tǒng)低濃雙盤磨轉換成ZDPS中濃液壓雙盤磨，紙漿的絕干漿通過量是增加的，由4%濃度時的2.10 t/h升高至10%濃度的3.20 t/h，比打漿電耗由6.83 kWh/t.°SR 降為4.87kWh/t.°SR ， 能耗節(jié)省28%以上。

通過上述研究結果可知：對于短纖維漿種而言，與傳統(tǒng)的低濃打漿相比，ZDPS液壓雙盤磨中濃打漿無論是在提高紙頁性能和降低能耗方面都具有顯著的優(yōu)勢，這是由中濃打漿作用機理及ZDPS中濃液壓雙盤磨漿機的設備特點所決定的：首先，中濃打漿對纖維的內外細纖維化主要靠纖維內部的摩擦形變作用來完成[6]，磨齒對纖維的機械剪切作用比較小，從而使得纖維的長度和纖維的固有強度受到的損傷比較小，纖維間的結合能力明顯改善；其次，ZDPS中濃液壓雙盤磨漿機恒量定壓打漿也保證了打漿生產過程中打漿質量的穩(wěn)定，纖維受到的打漿作用不會受到磨片磨損、磨片間隙變化而造成的質量波動；另外，中濃打漿后成漿纖維長度被切斷較少，細碎成分減少，所以網(wǎng)部流失和兩面差減小，纖維長度分布較為均勻，而且纖維的柔韌性和可塑性較好，纖維之間結合緊密而抄造出較好勻度的紙頁。

3 結論

3.1 與傳統(tǒng)的低濃雙盤磨4%濃度打漿相比，ZDPS中濃液壓雙盤磨10%濃度打漿可以有效保留纖維長度和提高抄造紙頁的強度；

3.2 與傳統(tǒng)的低濃雙盤磨4%濃度打漿相比，ZDPS中濃液壓雙盤磨10%濃度打漿成漿的細纖維化較好，纖維結合能力改善；

3.3 與傳統(tǒng)的低濃雙盤磨4%濃度打漿相比，ZDPS中濃液壓雙盤磨10%濃度打漿能耗降低28%以上。

[1]胡楠.漿料輸送與輸送機械 [M].北京：中國輕工業(yè)出版社， 1991：15-85

[2]張振、劉毅編.造紙工業(yè)物理檢驗 [M].北京：輕工業(yè)出版社,1984

[3]造紙工業(yè)產品試驗方法匯編 [G]. 北京：技術標準出版社,1980

[4]李與文 王慧麗編.制漿造紙分析檢驗[M].北京：化學工業(yè)出版社,2005

[5]曹邦威譯.最新紙機抄造工藝 [M].北京：中國輕工業(yè)出版社,1999

[6]劉士亮.利用快速攝影技術觀察磨漿作用規(guī)律及形態(tài)變化 [J].紙和造紙，2006，25（6）：77-79