濕法預(yù)處理OCC對其成漿物理性能的影響

崔舉鋒 臧永華 許 英 劉洪斌

(天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457)

濕法預(yù)處理OCC對其成漿物理性能的影響

崔舉鋒 臧永華 許 英 劉洪斌

(天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457)

提出了一種新的OCC預(yù)處理方法，即在碎解前將OCC在NaOH處理液中做浸泡處理或者在堿性條件下碎解。濕法預(yù)處理可以在不改變常規(guī)造紙流程的條件下改善再生纖維的潤脹性能，以NaOH溶液浸泡-清水碎解處理方式所得紙張的力學(xué)性能指數(shù)提高較為明顯，與相同打漿轉(zhuǎn)數(shù)下清水碎解處理方式相比，裂斷長、環(huán)壓指數(shù)和耐破指數(shù)增幅分別達22.4%、20.5%和32.0%。濕法預(yù)處理同時縮短了OCC碎解時間，提高了廢紙碎解效率。

濕法預(yù)處理;NaOH浸泡;OCC;力學(xué)性能;碎解效率

隨著人們環(huán)保意識的日益增強，現(xiàn)代造紙工業(yè)充分利用回收廢紙為主要纖維原料。但是，回收纖維的角質(zhì)化嚴重影響了紙張的力學(xué)和光學(xué)性能等［1-3］。幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者不斷探索提高二次纖維結(jié)合性能的方法。大量研究結(jié)果證明了NaOH和生物酶處理有助于油墨的脫除和重施膠紙張的離解，有助于纖維的潤脹，使纖維更加柔韌且結(jié)合更好，能夠提高紙張的物理強度性能［4-9］。但是，這些化學(xué)方法或者生物酶處理方法都是處理碎解后的紙漿。一方面，這些處理方法不但費用高，而且需要改變常規(guī)的廢紙造紙流程(例如增加了在碎解之后化學(xué)或者酶處理的工藝)，增加了生產(chǎn)負荷;另一方面，未經(jīng)處理的廢紙干強度較大，直接碎解廢紙的能耗較高，碎解效率低。

本實驗研究了利用濕法預(yù)處理，即在碎解前將OCC按一定的工藝條件在NaOH或者生物酶處理液中做浸泡處理，提高紙張物理強度性能的可行性。

1 實驗

1.1 原料和化學(xué)藥品

韓國進口OCC，將OCC撕成30 mm×30 mm的小紙片，放入密封容器中平衡水分24 h，測量水分，備用;NaOH(分析純)，有效成分≥96%。

1.2 主要儀器設(shè)備

H273M型高濃水力碎漿機，美國Adirondack Machine Corporation公司;0.25 mm篩板篩漿機;267型PFI磨漿機，挪威紙漿造紙研究中心;標(biāo)準(zhǔn)紙頁成形器，德國Estanit GmbH公司;DCP-KY3000型環(huán)壓強度測試儀，四川長江造紙儀器有限公司;標(biāo)準(zhǔn)纖維解離器，SE062抗張強度測試儀，耐破強度測試儀，瑞典Lorentzen＆Wettre公司。

1.3 實驗方法

濕法預(yù)處理在室溫下進行，(23±2)℃;浸泡預(yù)處理漿濃為10%。濕法預(yù)處理的4種方式為:①清水浸泡-清水碎解 (WW);②清水浸泡-加 NaOH碎解 (WA);③NaOH溶液浸泡-含堿液碎解 (AA);④NaOH溶液浸泡后加清水碎解 (AW)。其中，AW處理方式中，NaOH溶液預(yù)處理的OCC濾除堿液后補加適量清水碎解，由于濾出的OCC仍含有部分堿液，所以碎漿時的pH值在8～9。對照漿的處理方式為未浸泡，清水碎解 (W)。

稱取50 g絕干OCC。經(jīng)浸泡或未經(jīng)浸泡OCC在水力碎漿機中碎解，碎解頻率為30 Hz，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為671 r/min。碎解后的廢紙漿用篩縫為0.25 mm的篩板篩選 (洗滌用水量一定)，收集粗渣和良漿并分別按式 (1)和式 (2)計算粗渣率和良漿率。稱取一定量良漿，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)纖維解離器疏解后 (15000轉(zhuǎn))，在標(biāo)準(zhǔn)紙頁成形器上抄成定量為 (100±2)g/m2的手抄片。手抄片在標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕條件下放置24 h后按照國家標(biāo)準(zhǔn)方法進行物理強度性能檢測。

1.4 分析與檢測

對手抄片進行物理強度性能檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕法預(yù)處理中主要工藝參數(shù)的初步優(yōu)化

2.1.1 NaOH用量對良漿率和手抄片物理強度性能的影響

采用AA預(yù)處理方式，NaOH用量對OCC制漿的良漿得率的影響見圖1，NaOH用量對手抄片物理強度性能的影響見表1。

表1 NaOH用量對手抄片物理強度性能的影響

圖1 NaOH用量對良漿得率的影響

由圖1可見，在相同的碎解時間下，經(jīng)過堿液浸泡的OCC制漿的良漿得率比未經(jīng)過堿液浸泡的OCC有明顯提高。當(dāng)NaOH用量為1%時，良漿得率由清水浸泡的77.4%提高到84.1%;隨著NaOH用量的繼續(xù)增加，良漿得率出現(xiàn)下降趨勢，當(dāng)NaOH用量為2%時下降緩慢，而NaOH用量為3%時下降明顯。圖1說明，經(jīng)過堿液浸泡的OCC更容易碎解，并且在NaOH用量1%～2%時良漿得率明顯提高。

由表1可知，隨著NaOH用量的不斷增加，手抄片的物理強度性能都有不同程度的提高。當(dāng)NaOH用量增加到2%時，各物理強度性能都有明顯提高。表1說明，使用堿液浸泡OCC可以改善纖維的潤脹性能，有助于增加纖維間的交織黏合力，提高手抄片的物理強度性能。綜合分析，NaOH用量對良漿得率和紙張物理強度性能的影響，NaOH用量以2%為宜。

2.1.2 堿液處理時間對手抄片物理強度性能的影響

圖2 堿液處理時間對手抄片物理強度性能的影響

處理溫度與處理時間是一對相關(guān)參數(shù)，實驗考察了常溫下堿液浸泡時間對手抄片物理強度性能的影響，結(jié)果見圖2。由圖2可見，隨著堿液浸泡時間的不斷增加，手抄片的各項物理強度性能指標(biāo)都相應(yīng)地有所提高，并在2 h時達到一個較高點。但是當(dāng)處理時間超過2 h時，裂斷長和耐破指數(shù)增長緩慢，并呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢，且裂斷長下降較為明顯;而環(huán)壓指數(shù)變化緩慢，并保持在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)。由此說明，堿液在一定時間范圍內(nèi)，能夠改善二次纖維的潤脹性能，增強纖維交織黏合能力。如果處理時間過長就會對纖維造成不同程度的損傷，導(dǎo)致手抄片物理強度性能下降。由此考慮，處理時間以不超過2 h為宜。

綜合分析，得出濕法預(yù)處理的適宜工藝條件為:NaOH用量2%，浸泡時間2 h，漿濃10%，溫度(23±2)℃。

2.2 濕法預(yù)處理方式對手抄片物理強度性能的影響

在浸泡時間2 h條件下以不同濕法預(yù)處理方式處理OCC，考察不同濕法預(yù)處理方法對手抄片物理強度性能的影響，結(jié)果見表2。

表2 不同濕法預(yù)處理方式對手抄片物理強度性能的影響

由表2可見，WW處理方式對手抄片物理強度性能影響不大，說明將OCC在水中浸泡不能有效地改善纖維的潤脹能力;經(jīng)過NaOH預(yù)處理后的紙張物理強度性能都有不同程度的提高，以AW處理方式所得紙張的裂斷長、環(huán)壓指數(shù)、耐破指數(shù)都有明顯的提高，增幅分別達到22.4%，20.5%，32.0%。研究表明，除了纖維長度和纖維自身強度的影響外，纖維的結(jié)合力也是影響成紙強度的一個重要因素，其主要取決于纖維表面的細纖維化和纖維的柔順性 (柔順性主要取決于纖維內(nèi)部的細纖維化)兩個主要因素［10］。表2說明，堿液浸泡預(yù)處理可能有利于增加纖維的柔順性，提高纖維之間的交織結(jié)合強度。這是因為OH－破壞了廢紙纖維中的部分氫鍵，一旦內(nèi)部氫鍵斷裂，水就能進入纖維使纖維潤脹，從而增加了纖維的柔順性和可塑性［7］。

2.3 濕法預(yù)處理后打漿對手抄片物理強度性能的影響

在浸泡時間2 h條件下，OCC分別經(jīng)過W和AA濕法預(yù)處理 (NaOH用量為2%)后，采用PFI磨漿機進行打漿處理，并比較了手抄片的物理強度性能指標(biāo)，結(jié)果見表3。

由表3可見，在相同的打漿轉(zhuǎn)數(shù)下，經(jīng)過濕法預(yù)處理后的手抄片的物理強度性能得到明顯提高。在經(jīng)過360轉(zhuǎn)PFI打漿處理后，裂斷長、環(huán)壓指數(shù)和耐破指數(shù)分別達到4.89 km、9.99 N·m/g、3.38 kPa·m2/g。主要原因是由于OCC經(jīng)過濕法預(yù)處理后，纖維的潤脹性能得到改善，在打漿過程中更加有利于細纖維化，纖維表面會產(chǎn)生更多的游離羥基，使纖維間的氫鍵結(jié)合力進一步增強，提高了紙張的物理強度性能。同時可知，在獲得相同的物理強度時經(jīng)濕法預(yù)處理的漿料比未處理漿料的打漿轉(zhuǎn)數(shù)少。經(jīng)過濕法預(yù)處理后，未經(jīng) PFI打漿處理，環(huán)壓指數(shù)達到9.10 N·m/g，而原漿需要經(jīng)過約400～500轉(zhuǎn)PFI打漿處理才可達到，說明濕法預(yù)處理OCC有助于提高后序的打漿效率，可在一定程度上降低打漿過程中的能耗。

2.4 濕法預(yù)處理方式對粗渣率的影響

通過堿液浸泡處理后，OCC得到一定程度的軟化，在碎解過程中更容易被離解成為單根纖維。不同濕法預(yù)處理方式對碎解效率的影響不同，實驗在浸泡時間2 h條件下考察了各濕法預(yù)處理方式在不同的碎解時間下對粗渣率的影響，結(jié)果見圖3。

表3 PFI打漿對手抄片物理強度性能的影響

圖3 不同濕法預(yù)處理方式對粗渣率的影響

由圖3可見，在相同的碎解時間下，經(jīng)過濕法預(yù)處理的OCC碎解所得粗渣率比未經(jīng)過濕法預(yù)處理所得粗渣率明顯降低，且不同的預(yù)處理方式表現(xiàn)出不同的碎解效果，以AA處理方式為例，在碎解時間為10 min時，粗渣率由未經(jīng)過濕法預(yù)處理的22%降到了8%，碎解效率大幅提高。同時可見，WA和AA處理方式在相同的碎解時間表現(xiàn)出相近的粗渣率，并且比WW和AW處理方式所得粗渣率都低。由此說明，在適宜的堿性條件下碎解OCC，可以更好地提高碎解效率。這主要是因為堿液對再生纖維的潤脹效果在一定程度上優(yōu)于清水浸泡的效果，并且當(dāng)存在碎解動力時，更加有利于OCC的離解和纖維的細化。

2.5 濕法預(yù)處理分析評估

濕法預(yù)處理為OCC的回用提供了新的解決方法，可以不用改變現(xiàn)有的廢紙造紙流程和設(shè)備，只需在碎解工段前增設(shè)浸泡和傳送設(shè)施即可實現(xiàn)對OCC的預(yù)處理。濕法預(yù)處理可以提高強度和碎解效率，并能降低碎解能耗。目前，以O(shè)CC為原料生產(chǎn)箱紙板的企業(yè)不斷增多，濕法預(yù)處理還沒能夠在實際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，但是其為生產(chǎn)箱紙板的中小企業(yè)提供了一種新的可選擇的OCC預(yù)處理方法。其本身所存在的缺點，如增加廢水污染負荷、對紙漿中膠黏物的影響等，還有待于進一步研究。

3 結(jié)論

3.1 提出了一種新的OCC預(yù)處理方法，即在碎解前將OCC在堿處理液中做浸泡處理或者在堿性條件下碎解。研究發(fā)現(xiàn)，4種濕法預(yù)處理方式都能夠不同程度地增強OCC纖維的潤脹能力，提高紙張的物理強度性能。在溫度 (23±2)℃、漿濃10%、NaOH用量2%和浸泡時間2 h的條件下，以AW(NaOH溶液浸泡-清水碎解)處理方式所得紙張的物理強度性能提高較為明顯，與相同打漿轉(zhuǎn)數(shù)下W(未浸泡，清水碎解)處理方式相比，裂斷長、環(huán)壓指數(shù)和耐破指數(shù)增幅分別約達22.4%、20.5%和32.0%。

3.2 OCC經(jīng)過濕法預(yù)處理后，碎解所得粗渣率明顯降低。以AA處理方式為例，在碎解時間為10 min時，粗渣率由未經(jīng)濕法預(yù)處理的22%降到了8%，碎解效率得到明顯提高，相應(yīng)地降低了碎解能耗、提高了生產(chǎn)能力。同時濕法預(yù)處理有助于提高OCC的打漿性能，降低打漿過程中的能耗。

［1］ Ellis R L，Sedlachek K．Recycled vs．virgin fiber characteristics:a comparison［J］．Tappi Journal，1993，76(2):143．

［2］ Nazhad M M，Ramos L P．Fundamentals of strength loss in recycled paper［J］．Tappi Journal，1994，77(9):171．

［3］ Somwang K，Enomae T，Onabe F．Effect of fiber hornification in recycling on bonding potential at interfiber crossings:Confocal Laserscanning Microscopy［J］．Japan Tappi，2002，56(2):239．

［4］ Freeland S A，Hrutfiord B F．Caustic treatment of OCC for strength improvement during recycling［J］．Tappi Journal，1994，74(4):185．

［5］ Gurnagul N．Sodium hydroxide addition during recycling:Effects on fiber swelling and sheet strength［J］．Tappi Journal，1995，78(12):119．

［6］ 陳 影，韓 卿．輕度化學(xué)預(yù)處理對再生纖維強度性能的影響［J］．紙和造紙，2008(6):30．

［7］ Choi Y S，Jong M W．Improvement of papermaking properties of recycled fiber with enzyme［J］．Palpu Chongi Kisul，2001，33(1):30．

［8］ Mocciutti P，Zanuttini M，Kruus K，et al．Improvement of the fiberbonding capacity of unbleached recycled pulp by the laccase/mediator treatment［J］．Tappi Journal，2008，7(10):17．

［9］ Pei J C，Zhang S Y，Liu H T，et al．Fiber properties modification of OCC pulp with laccase and phenols［J］．Journal of Tianjin University of Science＆ Technology，2010，25(4):15．

［10］陳慶蔚，張 俊，錢 毅，等．當(dāng)代廢紙制漿技術(shù)［M］．北京:中國輕工出版社，2005．

Improvement of the Strength Properties of OCC Pulp by Alkali Soaking Pretreatment

CUI Ju-feng ZANG Yong-hua*XU Ying LIU Hong-bin
(College of Material Science and Chemical Engineering，Tianjin Key Lab of Pulp and Paper，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin，300457)

A new method of pretreating old corrugated container(OCC)with caustic solution soaking before repulping or adding sodium hydroxide during repulping has been developed to improve mechanical properties of recycled linerboard made of the OCC．The proposed pretreatment may improve swellability of recycled fibers，leading to significant increase in tensile，ring crush，and burst index of the recycled sheets．The pretreatment also reduces the times needed for OCC repulping，thus increases productivity of the repulper．

soaking pretreatment;caustic soaking;OCC;strength properties;repulping efficiency

TS749+.7

A

0254-508X(2011)11-0013-04

崔舉鋒先生，在讀碩士研究生;主要研究方向:廢紙再生技術(shù)、紙張涂布與印刷適性。

(*E-mail:yonghuazang@tust．edu．cn)

2011-07-23(修改稿)

(責(zé)任編輯:郭彩云)