楊 波 侯慶喜 溫 浩

(天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室,天津,300457)

速生材楊木 P-RC AP MP漿和桉木漂白化學漿間的協同效應

楊 波 侯慶喜 溫 浩

(天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室,天津,300457)

兩種不同游離度 (CSF)(480 mL和 250 mL CSF)的速生材楊木 P-RC APMP漿分別與桉木漂白硫酸鹽漿 (BKP)(CSF 425 mL)混合,通過研究混合漿在物理性能和光學性能方面的變化,探討了楊木 P-RC APMP漿和桉木 BKP漿之間的協同效應。研究結果表明,低游離度的楊木 P-RC APMP漿與桉木BKP漿混合后,能夠在抗張強度、抗張能量吸收、濕抗張強度和撕裂度等方面產生協同效應;混合漿的松厚度和不透明度隨楊木 P-RC APMP漿配比量的增加而增加;但是混合漿的白度會受到較低白度的楊木 P-RC APMP漿的影響。

楊木 P-RC APMP漿;桉木BKP漿;協同效應;混合

由于環(huán)保要求日益嚴格和資源充分利用的需要,闊葉木高得率漿的使用越來越受到重視。高得率漿良好的松厚度和不透明度,可以賦予紙張更好的尺寸穩(wěn)定性以及印刷適性[1]。相對于完全的機械漿 (SG W、T MP),高得率漿具有較好的強度性能,因而已逐步應用于傳統不含機械漿紙品的生產,例如部分替代闊葉木硫酸鹽漿生產不含機械漿的涂布原紙[2]。

研究表明[3-4],闊葉木高得率漿與闊葉木化學漿混合配抄時會在物理性能方面出現協同效應。Eric Xu等[5-6]研究了樺木化學機械漿和楊木漂白硫酸鹽漿間的協同效應,以及加拿大楊木 P-RC APMP漿及其漂白硫酸鹽漿之間的協同效應。結果證明,這兩組不同的漿料間均存在物理強度方面的協同效應;在闊葉木漂白化學漿中配用部分闊葉木高得率漿,可以改善紙張的松厚度、光散射性和不透明度。目前,我國一些造紙生產企業(yè)較多地應用了國產速生材楊木P-RC APMP漿和桉木漂白硫酸鹽漿 (BKP),但是二者間是否也存在著協同效應,速生材楊木 P-RC APMP漿的游離度對混合漿料的性能影響是否明顯,以及不同游離度的速生材楊木 P-RC AP MP漿配用比例對混合漿料有何影響,目前尚不十分清楚。本實驗旨在研究速生材楊木 P-RC APMP漿與桉木 BKP漿的混合漿的物理性能和光學性能,探討其協同效應的產生規(guī)律。

1 實 驗

1.1 原料

速生材楊木 P-RC AP MP漿取自山東某廠,原漿游離度 (CSF)為 480 mL (相當于 26°SR);桉木BKP漿取自江蘇某廠,原漿 CSF為 700 mL。

1.2 設備與儀器

PFI打漿機,Lorentzen&Wettre Co.Ltd.,瑞典;1107型漿料疏解器,Lorentzen&Wettre Co.Ltd.,瑞典;7407S型標準紙頁成形器,Mavis EngineeringLtd.,英國;SE 009型撕裂度測試儀,Lorentzen&Wettre Co.Ltd.,瑞典;SE 062型抗張強度測定儀,Lorentzen&Wettre Co.Ltd.,瑞典;萬能拉力機 (配有 Finch裝置),Albert-Thwing Co.Ltd.,美國;CO I C電腦攝影生物顯微鏡,重慶光電有限公司,中國。

1.3 實驗方法

將速生材楊木 P-RC APMP原漿板浸泡 4 h,在漿料疏解器疏解 30000轉后,用布氏漏斗濃縮 (標記為HYP480),取部分樣品測定游離度;在 PFI打漿機中將部分漿樣打漿至 CSF 250 mL (標記為 HYP250);桉木 BKP商品漿板浸泡 4 h,疏解 30000轉后,用布氏漏斗濃縮,在 PFI打漿機中打漿至 CSF 425 mL。漿料纖維質量分析采用 L&W Fiber Tester 912型,瑞典Lorentzen&Wettre Co.Ltd.。兩種游離度的楊木P-RC APMP漿分別與桉木 BKP漿 (CSF 425 mL)在實驗室條件下配抄手抄片,其中,楊木P-RC APMP漿配比依次為 0、10%、15%、20%和 100%;抄片在標準紙頁成形器上進行,抄出的手抄片在專用的手抄片干燥裝置上干燥。手抄片測試前在相對濕度(50±2)%,溫度 (23±1)℃下平衡4 h以上。各操作過程均嚴格參照相關標準。

2 結果與討論

桉木 BKP漿與楊木 P-RC APMP漿打漿前后的性能指標如表1所示。

2.1 楊木 P-RC APMP漿配比對混合漿松厚度的影響

漿料松厚度的提高對于改善印刷用紙的印刷適印性和紙板的挺度都是有益的。本實驗所用速生材楊木P-RC APMP漿在 CSF 480 mL和 250 mL下的松厚度分別為 2.34 cm3/g和 1.91 cm3/g,大大高于 100%桉木 BKP漿的 1.52 cm3/g。由圖1可見,楊木 P-RC APMP漿與桉木BKP漿的混合漿張松厚度均比 100%桉木BKP漿的高。隨著楊木 P-RC APMP漿配比的增加,混合漿的松厚度呈明顯增加的趨勢。當楊木 PRC APMP漿配比為 20%時,HYP480和 HYP250分別與桉木BKP漿配比后,混合漿的松厚度分別比 100%桉木 BKP漿的增加了 14.7%和 7.6%。

圖1 楊木 P-RC APMP漿配比對混合漿松厚度的影響

2.2 楊木 P-RC APMP漿配比對混合漿白度和不透明度的影響

由于楊木 P-RC APMP漿纖維在很大程度上保留了木材原料中木素,漿料本身白度只有 74.6%,比桉木BKP漿低很多。楊木 P-RC APMP漿配比對混合漿白度和不透明度的影響見圖2。由圖2可以看出,隨著楊木 P-RC APMP漿配比的增加,混合漿的白度呈逐漸下降的趨勢。顯然,低白度的楊木 P-RC APMP漿與桉木 BKP漿混合后,不能與桉木 BKP漿在白度上產生協同效應。由于楊木 P-RC APMP漿白度是影響混合漿白度的主要因素,因此要提高混合漿的白度,應首先考慮提高楊木 P-RC AP MP漿的白度。

隨著楊木 P-RC APMP漿配比的增加,混合漿的不透明度提高很明顯,尤其在楊木 P-RC APMP漿配比 15%時,HYP480和 HYP250分別與桉木BKP漿的混合漿的不透明度較 100%桉木BKP漿的不透明度分別提高了 3.9個百分點和 3.2個百分點。高得率漿本身具有較高的不透明度,其較高的細小組分含量,也賦予紙張較高的光散射能力。較高的不透明度可以防止印刷時紙張的透印,這對于新聞紙等印刷紙種非常重要,在紙張定量較低時仍可以保證有較高的不透明度。對于給定白度和游離度范圍的漿種,其不透明度與松厚度有關,不透明度隨松厚度的提高而提高[7]。

表1 PFI打漿前后漿料的性能指標

圖2 楊木 P-RC APMP漿配比對混合漿白度和不透明度的影響

2.3 楊木 P-RC APMP漿配比對混合漿強度性能的影響

2.3.1 楊木 P-RC APMP漿對混合漿抗張強度和抗張能量吸收的影響

將兩種不同 CSF(480 mL和 250 mL)的楊木P-RC APMP漿分別與桉木 BKP漿配比后,實驗測得的混合漿抗張指數 (HYP480與 HYP250)和根據混合漿兩組分各自抗張指數計算的加權值之和(Weighted480和 Weighted250)如圖3所示。以HYP480在配比 15%時的實驗數據為例,兩種漿料混合后兩組分各自的抗張指數加權值之和 (Weighted480)為:

式中:41.2為桉木 BKP漿 (30°SR)的抗張指數值;15.9為楊木 P-RC APMP漿在 CSF 480 mL下的抗張指數值;15%為楊木 P-RC APMP漿的配比;(1-15%)為桉木 BKP漿的配比。

從圖3可以看出,盡管楊木 P-RC APMP漿的抗張強度比桉木 BKP漿的低,但是混合漿的抗張強度始終高于兩種漿各自的抗張指數加權值之和。這一現象表明,楊木 P-RC APMP漿和桉木 BKP漿發(fā)生了協同效應,并且楊木 P-RC APMP漿的游離度和配比不同,協同效應發(fā)生的程度差異較大。當 HYP480在配比低于 18%和 HYP250在配比不超過 20%時,它們的抗張強度不僅高于兩種漿各自的抗張指數加權值之和,而且還超過了 100%桉木 BKP漿的抗張強度,是發(fā)生協同效應最顯著的區(qū)域。圖3顯示,兩種混合漿的最高抗張強度分別出現在楊木 P-RC APMP漿配比為 15% (HYP480)和 10% (HYP250)的條件下,它們分別比 100%桉木 BKP漿的抗張強度高出25.3%和 13.6%。當楊木 P-RC APMP漿的配比超過21%以后,兩種混合漿的抗張強度都迅速下降并低于100%桉木BKP漿的抗張強度。

圖3 楊木 P-RC APMP漿配比對混合漿抗張強度的影響

此外,圖3中 HYP250與桉木 BKP漿混合時的抗張強度始終比 HYP480與桉木 BKP漿混合時的高,說明與桉木 BKP漿配比的楊木 P-RC APMP漿的結合強度越高 (或游離度越低),兩者發(fā)生協同效應的效果越好。由此可見,用于配抄的高得率漿本身的強度性質是十分重要的,這與 Eric Xu[3-4]之前的研究結果是一致的。

圖4 楊木 P-RC APMP漿配比對混合漿抗張能量吸收的影響

速生材楊木 P-RC APMP漿和桉木 BKP漿之間的協同效應也會表現在抗張能量吸收方面。如圖4所示,雖然楊木 P-RC APMP漿的抗張能量吸收比桉木BKP漿低很多 (一般在 20 J/m2以下),但是除了HYP480在配比 13%～16%的小范圍內與桉木 BKP漿混合后出現了協同效應外,對于HYP250而言,當配比小于 20%時,基本上都有協同效應的發(fā)生。當HYP250配比為 10%時,混合漿的抗張能量吸收達到了 88.9 J/m2,大大高出了 100%桉木 BKP漿 (82.3 J/m2)及此時混合漿兩組分加權值之和Weighted250(75.6 J/m2)。

值得注意的是,與 HYP250相比,HYP480僅在較小的配比區(qū)間(13%～16%)內發(fā)生協同效應。這表明,楊木 P-RC AP MP漿的游離度

大小對于其能否與桉木 BKP漿在抗張能量吸收方面發(fā)生協同效應有著重要的影響。

此外,從圖3和圖4中還可以看出,HYP250與桉木BKP漿在抗張強度和抗張能量吸收方面發(fā)生協同效應的最佳配比為 10%～15%。HYP250配比低于10%時,不利于生產實際中更多地使用高得率漿和減少闊葉木化學漿的使用量;HYP250配比大于 15%后,由于混合漿中楊木 P-RC APMP漿纖維的結合強度較低,加之漿中細小纖維含量的大幅增加,將會降低混合漿纖維間的結合強度,導致成紙抗張強度和抗張能量吸收的快速下降。

2.3.2 楊木 P-RC APMP漿配比對混合漿撕裂指數的影響

圖5 楊木 P-RC APMP漿配比對混合漿撕裂強度的影響

圖6 速生材楊木 P-RC APMP漿打漿前后的纖維顯微形態(tài) (×100)

漿料的撕裂度主要受纖維平均長度的影響,其次是纖維間的結合強度。從圖5可以看出,只有HYP250的混合漿撕裂指數仍然大于混合漿兩組分加權值之和Weighted250,并且在配比 10%左右時甚至高出 100%桉木BKP漿的撕裂指數,體現出較好的協同效應。而 HYP480的混合漿其撕裂指數在配抄范圍內始終低于兩組分加權值之和 Weighted480,即在CSF 480 mL的條件下,楊木 P-RC APMP漿不能夠與桉木BKP漿在撕裂強度方面產生協同效應。究其原因,楊木 P-RC APMP漿在 PFI打漿前后,盡管HYP480和 HYP250在纖維長度和寬度上未發(fā)生較大的變化 (見表1),但是它們的纖維結合強度卻發(fā)生了較大改變。這可以從以下兩方面得到證實:①從實驗測得的漿料抗張強度看,HYP480和 HYP250的抗張強度分別為 15.9 N·m/g和 27.2 N·m/g(表1或圖3),HYP250抗張強度較 HYP480提高了 71%,二者相差懸殊;②從顯微鏡下觀測到的兩種漿料的纖維表面的顯微形態(tài) (見圖6)看,經過 PFI打漿后的纖維表面起毛較多,說明纖維的外部細纖維化程度有一定程度的增加,有利于提高纖維間的結合強度。另外,打漿后由于漿料纖維的比表面積比打漿前有所增加,纖維表面的半纖維素含量也相應地有所增加,進一步促進了纖維間結合強度的提高。

2.4 楊木 P-RC APMP漿配比對混合漿濕抗張強度的影響

圖7 楊木 P-RC APMP漿配比對混合漿濕抗張強度的影響

楊木 P-RC APMP漿配比對混合漿濕抗張強度的影響見圖7。由圖7可以看出,只有 HYP250與桉木BKP漿配比時,混合漿的濕抗張強度出現協同效應,并在 HYP250配比為 10%時,混合漿的濕抗張強度達到最高。而 HYP480與桉木 BKP漿配比時,混合漿的濕抗張強度總是低于兩種漿的加權值之和,說明HYP480和桉木 BKP漿在濕抗張強度方面沒有出現協同效應。漿張的濕抗張強度與其漿張結構有很大的關系。在其他條件不變的情況下,漿張結構越密實,即緊度越大,其抗張強度越能得到較大程度的保留。因此,配比高松厚度 HYP480后的混合漿的濕抗張強度明顯不及配比 HYP250后的混合漿。

3 結 論

3.1 兩種不同游離度 CSF(480 mL和 250 mL)的速生材楊木 P-RC APMP漿分別與桉木 BKP漿混合,混合漿的松厚度和不透明度均隨著楊木 P-RC APMP漿配比的增加而增加,白度較低的楊木 P-RC APMP漿會影響混合漿的白度。

3.2 游離度較低的速生材楊木 P-RC APMP漿與桉木BKP漿混合,混合漿可以在抗張強度、抗張能量吸收、撕裂強度以及濕抗張強度等方面產生較好的協同效應。但是游離度較高的楊木 P-RC APMP(如HYP480)與桉木BKP混合卻不能產生或僅能產生較弱的協同效應。

3.3 楊木 P-RC APMP漿游離度的高低是影響其與桉木BKP混合后發(fā)生協同效應的重要因素。楊木 P-RC APMP漿的游離度越低,纖維結合強度越大,越有利于混合漿產生較強的協同效應。

[1] 周亞軍,袁志潤,江智華.高得率漿的特點和應用[J].國際造紙,2007,26(1):1.

[2] 喬 民,黃 馳.楊木 HYP替代 HBKP抄造不含磨木漿的低定量涂布紙[J].造紙化學品,2008,20(2):68.

[3] Xu C,Zhou Y.Synergistic effects between chemicalmechanicalpulps and chemicalpulps from hardwoods[J].TappiJournal,2007,6:4.

[4] Xu C,Teubner D.Comparison of chemical and chemimechanical pulps from hardwoods[J].Appita,2004,57(1):43.

[5] Xu C,Zhou Y.Synergistic effects between P-RC APMP and bleached kraft pulps from Canadian aspen[J].Appita,2005,58(6):481.

[6] Xu C,Zhou Y.Synergistic effects between birch chemicalmechanical pulps and aspenbleached kraft pulp[J].Journal of Tianjin University of Science and Technology,2004,19:7.

[7] 周亞軍,張棟基,李甘霖.漂白高得率化學機械漿綜述[J].中國造紙,2005,24(5):55.

Synergistic Effects of Fast-grow ing Poplar P-RC APM P and Bleached Eucalyptus Kraft Pulp

YANGBo HOU Qing-xi＊WEN Hao
(Tianjin Key Lab of Pulp and Paper,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin,300457)

The fast-growing poplar P-RC APMP with two different freenesses were mixed respectively with a bleached eucalyptus kraft pulp(BKP).The synergistic effect between the poplar P-RC APMP and eucalyptusBKPwas explored by investigating the changesof the physical and optical properties of the blended pulps.The results showed that after blending the low-strength poplar P-RC APMP and eucalyptusBKP,a synergistic effects of the tensile strength,tensile energy absorption(T.E.A),re-wet tensile strength,tear strength,and so on could be occurred.The bulk and opacity of the blended pulp increased as the blending ratio of the poplar P-RC APMP increased.About 14%～25%increase in tensile strength of the blended pulp could be obtained compared to the eucalyptus BKP alone.However,the brightness of the blended pulp was impacted by that of the poplar P-RC APMP.

poplar P-RC APMP;eucalyptusBKP;synergistic effect;blending

TS749+.1

A

0254-508X(2011)06-0001-05

楊 波先生,在讀碩士研究生;主要研究方向:清潔制漿和污染控制。

(＊E-mail:qingxihou@tust.edu.cn)

2011-01-04(修改稿)

本課題得到科技部中加國際科技合作項目 (2008DFA91290)和天津市科技創(chuàng)新體系及條件平臺建設計劃項目 (10SYSYJC28000)資助。

(責任編輯:陳麗卿)