预浸渍对桦浆影响研究

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本文作者：宋顺喜张美云

最高蒸煮温度会影响化学反应速率、离子扩散速率和浆料的均一性。随着最高蒸煮温度的升高，蒸煮化学品的消耗速率高于相应的扩散速率，减少了活性碱的流动，从而降低了浆料的均一性。硫酸盐蒸煮初期，碱消耗速率最快。在达到最高蒸煮温度前，采用预浸渍可使蒸煮药液渗入木片，从而减轻质量传递所受限制。预浸渍会影响蒸煮浆料的均一性及粗渣率。良好的预浸渍效果有利于蒸煮，可在较低的H-因子条件下获得目标卡伯值。目前，尚未广泛研究浆料的不均一性对成纸性能的影响，主要是因为其部分结论具有争议。浆料的不均一性会降低浆料的可漂性和成纸强度。有研究表明，针叶木的脱木素变化率会造成针叶木浆得率和强度的损失。而一些研究却表明，浆料的不均一性对浆张强度无影响。芬兰的一家制浆厂面临蒸煮系统的运行操作问题，因此开始研究预浸渍时间对浆料质量的影响。为了解决这个问题，该厂决定尝试通过改变预浸渍塔内的木片浸渍高度来改善蒸煮系统的操作。因为在生产速率一定的条件下，浸渍高度和木片停留时间是成比例的，所以木片浸渍高度的改变对应着预浸渍时间的变化。控制预浸渍时间为5～60min，研究预浸渍时间对浆料及其成纸性能的影响。

1试验

试验是在一个工业化规模的硫酸盐浆厂中进行。该厂采用单独的浸渍塔连接传统的连续蒸煮系统，该蒸煮系统包括一个顺流蒸煮区和高温逆流洗涤区。采用3个预浸渍时间（58、29、5min，分别对应充分、中度和轻度预浸渍）进行操作。最短预浸渍时间（5min）是通过测量木片在水中完全浸渍时的下降速率得到的估值。通过改变木片在预浸渍塔中的浸渍高度来改变浸渍时间，由于生产速率最大保持在83%～93%，所以浸渍时间和木片浸渍高度基本成线性关系。试验过程中，浆料的目标卡伯值、残碱及在漂白段的浆料目标白度都保持不变。通过控制最高蒸煮温度、在预浸渍塔及蒸煮系统循环传递过程中添加的白液来控制不同预浸渍时间的浆料卡伯值和残碱。在氧脱木素段和漂白段，通过调整化学品用量来使浆料达到目标白度。试验用原料均为当地产的桦木。试验过程中，从制浆生产线的不同位置采集浆料和黑液。在5h内采集样品，这与过程延迟模型同步进行。该模型通过测量流速、浓度以及容器的体积计算出浆料在反应容器内的停留时间。分析前，对所有的未漂浆和氧脱木素浆进行洗涤和离心脱水，用于磨浆研究的漂白浆不进行离心处理或预处理。分析纸张性能时，采用Voith-Sulzer磨浆机磨浆，浆浓4.0%，比边缘负荷为1.0J/m。按SCAN-N30：85标准测定有效碱消耗量，按ISO302：2004、ISO5351：2004和ISO2469：2007标准分别测定浆料的卡伯值、黏度和白度，按ISO5269标准抄造纸张，按ISO534、ISO1924-2和ISO1974标准分别测定纸张的紧度、抗张强度和撕裂度。纤维长度和卷曲度采用美卓FS300分析仪进行分析，同时对纤维饱和点进行测量。碳水化合物组分根据TAPPIT-249cm—85标准在其全部水解后用液相色谱法进行测定。己烯糖醛酸含量采用Hausalo和Tenkanen提出的方法测定。通过去除一定厚度的纤维最外层来确定细胞壁中的半纤维素，同时分析半纤维素的组分。

2结果

2.1工艺条件

预浸渍时间的改变会影响浸渍塔和蒸煮器内有效碱（即OH）的消耗量。试验过程中OH浓度的变化趋势见图1。在预浸渍过程中，特别是在预浸渍的初始阶段，有效碱消耗量较高。在前5min内，约有50%的OH用于化学反应或吸附到木片中。结果表明，在特定的目标卡伯值下，预浸渍段碱的消耗量越少，则蒸煮段碱的消耗量就越多，因此，总碱消耗量几乎不变。该结果无法评价蒸煮条件的改变对碱消耗量的影响。在预浸渍和蒸煮段碱的加入量和消耗量的关系如表1所示。预浸渍过程中的反应是放热反应，所以预浸渍阶段的温度会升高（见表1）。碱的消耗量、预浸渍过程中温度的升高均与预浸渍时间有很大的相关性。缩短预浸渍时间，则需较高的蒸煮温度和较大的H-因子。H-因子大的原因还未确定，但可能与蒸煮装料量有关。通过减少预浸渍木片量来降低装料量会造成木片在蒸煮设备内停留时间缩短，这就要求较高的蒸煮温度。

2.2纸浆性能

本研究的主要目的是考察预浸渍时间是否对浆料性能有影响。表2列出了浆料性能指标。粗渣率通过在线测量和试验筛选（包括经过解离和未经解离的浆料）方法测得。较短的预浸渍时间会造成粗渣率提高（见表2）。虽然粗渣率与分析方法有关，但所有的分析方法均证实预浸渍时间对粗渣率有影响。湿浆解离对粗渣率有明显影响。基于浆厂的实际经验，认为在线检测可反映最真实、最准确的粗渣率。浆料卡伯值的变化与粗渣率有关。蒸煮目标卡伯值是16.5，但在蒸煮过程中浆料卡伯值发生了微小变化（见表2）。尽管在最短的预浸渍时间下有效碱浓度更高，但浆料卡伯值相对较高，而己烯糖醛酸的含量则基本没有变化。缩短预浸渍时间会使未漂浆白度轻微降低，浆料卡伯值的变化可用来解释这些现象。虽然氧脱木素可减少浆料间性能的差异，但相对于充分浸渍和中度浸渍的浆料，轻度浸渍的浆料白度仍较低。缩短预浸渍时间通常会增加氧脱木素和漂白的难度，即增加漂白化学品用量。氧脱木素段的氧气总加入量约20kg/t（风干浆）；漂白段的ClO2加入量通常为34～41kg/t（风干浆）。纤维质均长度是与成纸性能相关的重要指标。试验过程中纤维质均长度变化很小。在氧脱木素和漂白过程中，纤维质均长度有一定程度的减小。延长预浸渍时间会降低纤维质均长度。通过纤维质均长度分布曲线可以确定没有针叶木纤维，而纤维宽度的分布基本相同。试验过程中，纤维卷曲度稍有变化，并且充分浸渍后的纤维卷曲度最高。通过对碳水化合物的分析确定了半纤维素的组分，其结果通过木糖与葡萄糖的摩尔比表示。桦木中半纤维素以聚木糖为主。本研究中，木糖与葡萄糖的摩尔比并不受预浸渍时间的影响。在轻度和中度预浸渍的浆料中发现了少量的甘露糖。轻度预浸渍时，水解残物中甘露糖的含量最多，为0.7%，与半纤维素的平均含量相近。纤维饱和点和己烯糖醛酸含量无明显差异。不同预浸渍时间的浆料的聚木糖在细胞壁上的分布是不同的（见图2）。通常，聚木糖含量在纤维外层较高。相对于轻度和中度预浸渍的浆料，充分预浸渍的浆料表面的半纤维素含量最低。轻度和中度预浸渍浆料表面的半纤维素含量基本相同，而中度预浸渍浆料中的聚木糖含量最高。

2.3成纸性能

本研究还考察了预浸渍时间对浆料成纸性能的影响。对不同预浸渍时间的漂白浆进行磨浆，磨浆能耗为0～200kWh/t。打浆过程中纸张抗张强度的变化如图3所示。纸张抗张强度随磨浆能耗的增加而提高。与充分预浸渍浆料相比，轻度预浸渍浆料的成纸抗张强度更好。低磨浆能耗时，中度预浸渍浆料与轻度预浸渍浆料的成纸抗张强度相近；而在高磨浆耗能时，中度预浸渍浆料的成纸性能更接近于充分预浸渍浆料的。用抗张指数与打浆度作图时发现，不同预浸渍时间的浆料的成纸抗张强度的变化趋势是相似的。随着磨浆能耗的增加，纸张紧度呈线性增大。当磨浆能耗为50kWh/t时，采用插值法得出充分、中度、轻度预浸渍浆料的成纸紧度分别为0.79、0.80、0.78g/cm3。与抗张强度变化类似，随磨浆能耗的增加和紧度的增大，成纸抗张挺度也增大。纸张抗张挺度和磨浆能耗的关系如图4所示。随磨浆能耗的增加，抗张挺度指数（即单位弹性模量）增大。在给定的磨浆能耗下，较短预浸渍时间的浆料的成纸抗张挺度指数大。当磨浆能耗为50kWh/t时，与充分浸渍浆相比，中度浸渍浆的成纸抗张挺度指数大9%，而轻度浸渍浆的成纸抗张挺度指数大12%。伸长率与抗张指数的关系如图5所示。由图5可知，当抗张指数为70Nm/g时，与轻度预浸渍浆相比，中度预浸渍浆的成纸伸长率大7%，而充分浸渍浆的大17%。在给定的抗张强度下，撕裂度通常用来表示浆料强度性能。撕裂指数与抗张指数的关系如图6所示。成纸撕裂度与预浸渍时间没有明显的相关性。抗张指数为70Nm/g时，轻度预浸渍浆的成纸撕裂度最大，而中度预浸渍浆的最小。

3讨论

浆厂的环境复杂，因此无法认识和控制所有影响试验结果的因素。浆厂的研究对于确认实验室检测结果十分重要。本试验的结果与文献中提到的结果一致，即在预浸渍段初期有效碱的消耗量很高，而在整个试验过程中总碱的消耗量没有受到明显的影响。预浸渍段是放热反应，缩短预浸渍时间则要求较高的蒸煮温度。足够长的预浸渍时间对于提高蒸煮均匀性及降低粗渣率是必要的。所研究的浆料中，碳水化合物组分无显著性差异，这可能与浆料卡伯值保持不变及总有效碱的消耗量没有显著变化有关。预浸渍时间对全漂浆的黏度没有影响。尽管浆料成分无显著性差异，预浸渍却会影响浆料的成纸性能。较短的预浸渍时间可提高成纸抗张强度。抗张挺度和伸长率也存在明显差异，较短的预浸渍时间可明显提高成纸抗张挺度。虽然不能从得到的结果中推测出原因，但可通过以下方面来解释这些结果。

3.1浆料得率

浆料的抄纸性能取决于纤维粗度。由于浆料得率影响纤维粗度，所以浆料得率会直接影响浆料性能。在浆料量一定的情况下，纤维粗度的降低会增加纤维的数量。浆料得率也与纤维的其他性能相关，如纤维细胞壁弹性对纸张性能有影响。本研究中，随预浸渍时间的缩短，浆料得率降低，粗渣率提高。可是无法确定连续蒸煮过程中的浆料得率，因此其不能对本试验结果做出解释。

3.2纤维间的不均一性

另一个假设是由于蒸煮不均一性造成的差异。通常，对浆料的分析都是采用测量平均值，因此这些分析结果不能反映不同纤维间的差异。Rayel和Malkov等的研究表明，不同纤维的卡伯值不同。Aurell曾报道，桦木浆的半纤维素含量取决于脱木素程度和用碱量。假设除了不同纤维间卡伯值不同，均一性不好的浆料纤维间的半纤维素含量也不同。由于在氧脱木素段和漂白段相对良好的选择性，即使忽略浆料卡伯值的变化，仍可假设漂白浆内不同纤维间的半纤维素含量是变化的。粗渣率可反映出蒸煮过程中浆料的不均一性，通过纤维间的半纤维素含量来体现。只能推测出预浸渍对半纤维素的分布是否有影响，对纤维细胞壁弹性和纤维的膨胀或收缩性能也可能有影响。

3.3单根纤维的不均一性

Procter和Saka指出，脱木素过程中单根纤维细胞壁上的脱木素程度不同。脱木素初始阶段，大多数木素从纤维细胞壁内层开始溶解；脱木素后期，纤维初生壁和胞间层的木素的溶解速率加快。纤维细胞壁中脱木素程度的不同可能与纤维素和半纤维素降解的不均一性有关，这可能会导致纤维细胞壁最外层组分的含量与平均值不同。也有研究表明，纤维细胞壁最外层组分与纤维抄纸性能有关。据Sjberg报道，纤维表面的半纤维素含量对于成纸抗张强度、抗张挺度和伸长率等性能特别重要。本研究中，不同预浸渍时间浆料的成纸抗张强度、抗张挺度和伸长率不同，纤维表面的半纤维素含量的差异并不明显。纤维表面半纤维素含量的影响可能无法解释中度预浸渍和轻度预浸渍浆料性能的不同，因为它们的差异很小。但纤维表面半纤维素含量可能有助于分析充分预浸渍浆与中度和轻度预浸渍浆的不同。除了半纤维素降解外，纤维细胞壁内纤维素的降解也是不均一的。Berggren指出，在给定的浆料黏度下，蒸煮条件的不同可能造成纤维素分子大小分布不同。Sjholm提出，零距抗张强度不完全取决于浆料黏度。因此在本研究中，尽管浆料黏度的差异很小，但纤维固有强度可能会受预浸渍时间的影响。

3.4木片的浸渍压力

了解充分预浸渍和中度预浸渍浆间的差异与中度预浸渍和轻度预浸渍浆间的差异一样重要。浸渍过程中的反应速率应是一个常数，硫酸盐法制浆过程中很少有零级反应。木片的浸渍高度和浸渍时间线性相关，可通过木片的压缩压力来解释该试验结果。高压缩压力可能会对纤维造成损伤，如纤维卷曲，从而降低纸张的抗张强度。试验过程中发现，延长预浸渍时间会降低纤维的长度并且使纤维卷曲更严重。可这一假设无法从获得的结果中得到证实。

4结论

在一条具有工业规模的生产线上，通过改变预浸渍时间进行了一系列的试验，并且探究了预浸渍对浆料及其成纸性能的影响。结果表明，充分预浸渍对以粗渣率衡量的蒸煮均一性是很重要的，而短时间的预浸渍则需要更加严格的蒸煮条件。预浸渍时间对碳水化合物组分的影响不显著，这可能是因为在试验过程中浆料的卡伯值和白度都保持不变，漂白浆黏度也基本恒定。但预浸渍时间对浆料某些抄纸性能有显著影响。缩短预浸渍时间可提高纸张的抗张挺度，但降低伸长率。撕裂度和抗张指数的关系表明，预浸渍时间的影响不显著。预浸渍时间影响成纸抗张挺度的机理并不清楚，因此，必须提出新假设来解释试验结果。该结果可通过缩短预浸渍时间会造成浆料得率降低来说明。此外，脱木素程度的差异可能会影响纸张性能。不同纤维间半纤维素含量的不同可能会影响干燥过程中纤维的活化性能，进而影响纸张抗张挺度。改进后的浸渍条件也可能会影响纤维细胞壁的蒸煮均一性。木片的浸渍压力可能会对纤维造成损伤，体现在浆料抄纸性能变差。