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        不同助留助濾系統(tǒng)對草漿性能的影響

        2020-12-22 01:16:28梁世杰王高升
        天津造紙 2020年1期
        關(guān)鍵詞:濾水助濾劑細(xì)小

        梁世杰,張 玲,王高升

        (中國輕工業(yè)造紙與生物質(zhì)精煉重點(diǎn)實驗室,天津市制漿造紙重點(diǎn)實驗室,天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院,天津300457)

        隨著國家禁止洋垃圾政的政策目標(biāo)逐步完成,國內(nèi)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(shù)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(yīng)用的瓶頸在于原料硅含量高,且雜細(xì)胞組分含量高;另外,在制漿過程中雜細(xì)胞不易被脫除,導(dǎo)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(xué)中有著非常重要的作用,無論是細(xì)小纖維,還是填料,又或者是其他濕部化學(xué)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(dá)到預(yù)期的目的[2]。 本文在對草漿纖維形態(tài)分析的基礎(chǔ)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(qiáng)度的影響。

        1 實驗

        1.1 實驗原料及設(shè)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(xué)品有限公司提供。

        1.1.2 設(shè)備

        2500-Ⅱ型高濃盤磨機(jī),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(biāo)準(zhǔn)厚度儀、982407 型環(huán)壓強(qiáng)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(xué)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(jī)以一定的間隙和漿濃進(jìn)行磨漿, 得到打漿度為52 °SR 的草漿,然后加水配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的懸浮液。

        1.2.2 草漿的微觀結(jié)構(gòu)觀察和形態(tài)分析

        用光學(xué)顯微鏡觀察草漿; 用纖維分析儀檢測草漿纖維和細(xì)小組分。

        1.2.3 助留助濾劑的準(zhǔn)備

        助留劑加水配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1‰的水溶液待用;助濾劑加水配成體積分?jǐn)?shù)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(xì)小組分留著率測定:用動態(tài)濾水儀測紙料中的細(xì)小組分留著率。 量取500 mL 紙料倒入濾水筒中,在600 r/min 的轉(zhuǎn)速下攪拌10 s 并加入助留劑,800 r/min 轉(zhuǎn)速保持4 s, 在600 r/min 轉(zhuǎn)速下攪拌10 s并加入助濾劑,然后進(jìn)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(zhuǎn)速下攪拌10 s 并加入助留劑,800 r/min 轉(zhuǎn)數(shù)保持4 s, 在600 r/min 轉(zhuǎn)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(jìn)行測試。 紙張性能的測試項目及所采用標(biāo)準(zhǔn)為:定量(GB/T 451.2—2002)、抗張強(qiáng)度(GB/T 453—2002)、 耐破強(qiáng)度(GB/T 454—2002)、撕裂度(GB/T 455—2002)、厚度(GB/T 451.3—2002)、環(huán)壓強(qiáng)度(GB/T 2679.8—1995)、耐折強(qiáng)度(GB/T 457—2002)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 草漿形態(tài)分析

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

        表1 草漿纖維形態(tài)分析數(shù)據(jù)

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

        圖1 草漿光學(xué)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(biāo)見表2。由表2可以看出:當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(jìn)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(dú)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(tuán), 但是這種絮團(tuán)被高剪切力破壞后不能有效的恢復(fù),導(dǎo)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(jīng)高剪切力破壞后不能有效回復(fù)的問題, 通過數(shù)據(jù)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(jìn)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(xì)小纖維和填料懸浮液中顆粒顯負(fù)電性而相互排斥,加入PAC 后,使顆粒的負(fù)電性被中和,粒子間的排斥力減小,當(dāng)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(shù)提高,耐破指數(shù)、抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)均下降, 助濾劑的使用嚴(yán)重影響了紙張物理強(qiáng)度;在抄紙時同時加入助留劑和助濾劑,紙張的耐破指數(shù)無明顯變化,但是紙張的抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和環(huán)壓指數(shù)均有提高, 助留劑和助濾劑同時使用對紙張的物理強(qiáng)度有積極作用。

        表4 助留助濾劑對紙張性能的影響

        3 結(jié)論

        (1)草漿中細(xì)小組分含量大,為44.70%,大部分是以導(dǎo)管、薄壁細(xì)胞、表皮細(xì)胞等非纖維狀細(xì)胞為主的雜細(xì)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(dāng)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(jìn)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。

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