紙漿的超聲波打漿成效

于 群 蘭曉琳 劉文波

(東北林業大學材料科學與工程學院,黑龍江哈爾濱，150040)

·超聲波打漿·

紙漿的超聲波打漿成效

于 群 蘭曉琳 劉文波*

(東北林業大學材料科學與工程學院,黑龍江哈爾濱，150040)

以漂白硫酸鹽針葉木漿(SBKP)為原料,采用機械法、超聲波法、機械-超聲波法分別對其進行打漿，通過對比打漿后的纖維性能指標分析打漿成效。結果表明,機械法打漿打漿度上升迅速,打漿至75°SR時,濕重由12.9 g下降至2.48 g、纖維平均長度由2.290 mm下降至0.862 mm,長纖維勻整度下降了59.6個百分點、短纖維勻整度提升了25.0個百分點，細小纖維含量增加了6.4個百分點；超聲波法打漿打漿度上升緩慢,打漿至49°SR時,濕重11.08 g,纖維平均長度、纖維勻整度幾乎沒有變化,細小纖維含量減少0.4個百分點；機械-超聲波法打漿至75°SR時,濕重6.16 g、纖維平均長度1.098 mm,長纖維勻整度下降了46.6個百分點、短纖維勻整度提升了16.5個百分點和細小纖維含量增加了3.7個百分點。同時,機械-超聲波法打漿的零距抗張強度及抗張強度最高,機械法次之,超聲波法最小。由此說明,機械法打漿度提高快,纖維切斷和破碎嚴重；超聲波法對纖維潤脹、細纖維化有一定的效果,纖維切斷和破碎較少；機械-超聲波法能夠保證纖維潤脹、分絲和微纖化,并較好地保持了纖維長度。

針葉木漿；機械；超聲波；打漿

纖維素是一種極為豐富的可再生資源,存在于植物資源中,目前主要是應用于造紙、生產農作物產品和建筑原料等方面[1]。隨著社會的飛速發展,人們對紙張種類、質量、性能以及數量的需求也逐漸增加,如何更好地利用纖維素纖維抄造高性能、高質量的紙張是一項重要的課題。在紙張抄造之前,通過打漿改變纖維的形態和強度等指標,從而賦予紙張不同的性能，因此可以說“紙是打漿打出來的”。

傳統機械打漿在達到打漿目的的同時,纖維也會被較嚴重的切斷,產生碎片。基于超聲波的特性及植物纖維的天然結構,研究出超聲波打漿的方法[2]。超聲波高壓釋放產生的沖擊波或形成的交變壓力作用于纖維時,會導致纖維微晶位錯、比表面積增加、結晶度下降、無定形區增大以及纖維表面微觀滑移,進而細纖維化,達到打漿的目的[3- 4]。目前關于采用超聲波打漿研究中，項秀東等人[5]利用超聲處理制備了竹漿微纖化纖維素；王玉瓏等人[6]應用超聲波探測可以快速準確地分析液體與紙張相互作用的動態過程,分析纖維的潤脹、吸收,H—H鍵的斷裂及紙張中組分的破壞等變化過程,同時提供了一種新式的精確測量紙張施膠度的方法；趙志明等人[7]對紙漿進行超聲波-化學試劑改性處理,利用改性纖維抄造高透氣性能濾紙。

本研究采用機械法、超聲波法、機械-超聲波法三種打漿方式對針葉木漿進行打漿處理,比較三種不同打漿方式處理后，纖維打漿度、濕重、形態(纖維長度、寬度、粗度、勻整度、扭曲度、細小纖維含量)以及纖維自身強度和結合力等指標,以明確超聲波打漿或機械-超聲波法打漿的作用及效果,為紙漿的打漿處理方法提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗原料

原料：漂白硫酸鹽針葉木漿(SBKP)，打漿度15°SR，濕重12.90 g,牡丹江恒豐紙業股份有限公司提供。

1.2 設備與儀器

XPS-7C光學顯微鏡；JY98-ⅢDN超聲波細胞粉碎儀；ZQJ1-B-Ⅱ紙樣抄取器；ZQYC-Φ200油壓機；73-17快速干燥器(Labtech公司)；Z-SPAN-1000零距抗張強度測定儀；ZL-300A紙與紙張抗張強度測定儀；槽式打漿機；打漿度測定儀；Quanta-200掃描電子顯微鏡；L&W纖維分析儀。

1.3 實驗方法

1.3.1 漿料準備

取一定量SBKP漿板，撕碎后放于水中浸泡24 h,使纖維充分分散,為后續打漿處理做準備。

1.3.2 打漿處理

(1)機械法打漿

將浸泡24 h后的紙漿以1.8%的漿濃在槽式打漿機中疏解15 min,然后盡量保持低壓打漿,以減少纖維切斷,控制打漿時間,使打漿度不斷提升,按照一定梯度范圍,分別打出不同打漿度的紙漿。甩干,平衡24 h后測量水分。

(2)超聲波打漿

將浸泡24 h后的紙漿以2%的漿濃用超聲波細胞粉碎機進行打漿處理,超聲波強度設定為功率600 W,儀器參數設定為工作1 s,間歇1 s。經過不同時間的超聲波處理使打漿度不斷提升,獲得不同打漿度的紙漿。甩干,平衡24 h后測量水分。

(3)機械-超聲波法打漿

對有一定機械打漿度的紙漿進行超聲波疊加打漿,使其打漿度進一步提高。

1.3.3 手抄片抄造

將不同打漿方式處理后的紙漿分散均勻后,在紙樣抄取器上抄取定量為80 g/m2的手抄片,以壓力0.5 kPa壓榨5 min,然后干燥,備用。

1.3.4 分析與評價方法

(1)纖維性能分析

①打漿度、濕重：采用ISO5267/1紙漿——濾水性能的測定第一部分:肖伯爾—瑞格勒法及GB/T3332—2004漿料打漿度的測定法進行測定。

②纖維分析：采用纖維分析儀進行纖維長度、寬度、粗度、勻整度、扭曲度及細小纖維含量等指標進行檢測和分析。

③實驗過程中采用光學顯微鏡隨時對纖維形態進行觀察,并選取有代表性纖維進行掃描電子顯微鏡(SEM)分析。

(2)漿張性能檢測

①抗張強度：采用GB/T 12914—2008紙和紙板抗張強度的測定—恒速拉伸法測定。

②零距抗張強度：采用GB/T 26460—2011紙漿 零距抗張強度的測定。

2 結果與討論

2.1 不同打漿方式下的纖維形態變化

2.1.1 機械法打漿

實驗采用機械法打漿處理紙漿,其打漿度及濕重變化見表1,取32°SR、56°SR、75°SR共3個打漿度的紙漿對其進行纖維分析和SEM纖維形態觀察,實驗結果見表2及圖1。

表1 機械法打漿的紙漿打漿度及濕重

注 原漿打漿度15°SR,纖維濕重12.90 g。

表2 機械法打漿的纖維分析結果

圖1 機械法打漿的纖維SEM圖

打漿度/°SR纖維平均長度/mm纖維平均寬度/μm勻整度/%0.001～0.50mm0.50～1.50mm1.50～7.50mm纖維粗度/mg·m-1纖維扭曲度/%細小纖維含量/%152.29029.57.819.372.90.15521.53.5192.31230.27.419.773.00.16519.33.0242.31830.07.219.973.00.16019.33.0492.22830.48.421.270.50.16818.63.1

由表1和表2可以看出,隨著機械法打漿的進行,紙漿打漿度不斷上升,打漿度到75°SR時，纖維濕重由原漿的12.90 g下降至2.48 g,纖維平均長度由2.290 mm下降至0.862 mm,1.50 mm以上長纖維勻整度由72.9%下降至13.3%,下降了59.6個百分點；0.50 mm以下短纖維勻整度由7.8%提升至32.8%,提升了25.0個百分點；細小纖維含量由3.5%提升至9.9%,提升了6.4個百分點。結合打漿過程中的SEM纖維形態分析(見圖1)可以推斷,機械法打漿對纖維有較好的非S2層結構的破除作用,使纖維潤脹和微纖維化,但是對纖維的切斷和破碎明顯,產生大量的纖維碎片和細小纖維。

2.1.2 超聲波法打漿

實驗采用超聲波法打漿處理紙漿,其打漿度及濕重變化見表3,取19°SR、24SR°、49°SR共3個打漿度的紙漿纖維對其進行纖維分析和SEM纖維形態觀察,結果見表4及圖2。

由表3和表4可以看出,隨著超聲波打漿的進行,紙漿打漿度提高,纖維濕重先降低然后升高，纖維平均長度變化很小、1.50 mm以下纖維勻整度稍有增加、1.50 mm以上纖維勻整度稍有下降,細小纖維

表3 超聲波法打漿的紙漿打漿度及濕重

注 原漿打漿度15°SR,纖維濕重12.90 g。

圖2 超聲波法打漿的纖維SEM圖

打漿度/°SR纖維平均長度/mm纖維平均寬度/μm勻整度/%0.001～0.50mm0.50～1.50mm1.50～7.50mm纖維粗度/mg·m-1纖維扭曲度/%細小纖維含量/%15(原漿)2.29029.57.819.372.90.15521.53.5311.84830.412.829.957.30.15714.74.7541.57130.215.937.846.30.16613.14.9751.09830.624.349.526.30.15412.77.2

圖3 機械-超聲波法打漿的纖維SEM圖

含量由3.5%下降至3.1%，下降了0.4個百分點。結合打漿過程中的SEM纖維形態分析(見圖2)可以推斷,超聲波打漿對纖維主要起到潤脹作用,纖維破碎很少,后期有較好的帚化效果,不過后期也出現纖維纏繞情況,致使纖維濕重增加顯著、細小纖維含量反而降低。

表5 機械-超聲波打漿的紙漿打漿度及濕重

注 原漿纖維打漿度15°SR,纖維濕重12.90 g。

2.1.3 機械-超聲波法打漿纖維形態變化

實驗按照1.3.2(3)的打漿方法,對進行一定機械打漿的紙漿再進行超聲波打漿,使其進一步提升打漿度,實驗結果見表5,取31°SR、54°SR、75°SR共3個打漿度的漿料進行纖維分析和SEM纖維形態觀察,結果見表6及圖3。

由表5和表6可以看出,隨著機械-超聲波打漿的進行,漿料打漿度不斷上升,打漿至75°SR時，纖維濕重最終為6.16 g,變化比較緩慢,纖維平均長度由2.290 mm下降至1.098 mm,開始下降緩慢、后期下降顯著,長纖維勻整度下降了46.6個百分點，短纖維勻整度提升了16.5個百分點，細小纖維含量增加了3.7個百分點；與表1對比分析,超聲波打漿纖維切斷和破碎較少,而使濕重明顯提高(由機械法打漿的26°SR到機械-超聲波打漿的31°SR除外)；對比表2、表4和表6可以看出，纖維勻整度的下降、細小纖維含量的增加依然是機械法打漿所造成的,這些現象主要是由于后期是在機械法的高打漿度基礎上進行超聲波打漿的,超聲波打漿對纖維切斷和破碎都沒有明顯影響。結合打漿過程中的SEM纖維形態觀察分析(見圖3)可以推斷,超聲波打漿能夠促進纖維的潤脹作用,沒有纖維破碎,提高了纖維帚化效果。

2.2 不同打漿方式對漿料性能的影響

2.2.1 不同打漿方式對抗張強度的影響

采用不同打漿方式處理的紙漿抄造手抄片,分析對比抗張強度,結果見圖4。

圖4 不同打漿方式對抗張強度的影響

由圖4可知，不同打漿方式下,隨著打漿度的提升,抗張強度不斷增加,在打漿度增大到一定程度后抗張強度降低。其原因為，無論何種打漿方式，打漿初期都是使纖維表面形態改變、初生壁和S1的破除,纖維潤脹和分絲帚化,使其抗張強度提高。隨著打漿的進行,不同方式作用效果不同,機械法打漿初生壁和S1的破除效果好、纖維分絲帚化效果也很好,致使抗張強度提高,但纖維切斷和產生細小纖維過多的現象明顯,達到一定打漿度后,纖維切斷的負面作用超越分絲帚化所帶來的結合強度的提高,最終表現為抗張強度下降；而單純超聲波打漿也有很好的打漿效果,只是打漿度很難提高,并且高打漿度下纖維纏繞,也不利于纖維分散,同時抗張強度也不是最好；機械-超聲波法打漿具有最好的打漿效果,其抗張強度最高,原因是機械法首先快速破除阻礙纖維潤脹、分絲、帚化的初生壁和S1,然后超聲波法大幅度輸入能量促進其潤脹、分絲、帚化,又不破損纖維,使其打漿效果好,抗張強度高。

2.2.2 不同打漿方式對零距抗張強度的影響

采用不同打漿方式處理的紙漿抄造手抄片,分析對比其零距抗張強度,結果見圖5。

圖5 不同打漿方式對零距抗張強度的影響

由圖5可知，不同打漿方式下,隨著打漿度的提升,零距抗張強度均先增加后減小,最終表現為機械-超聲波法打漿零距抗張強度最高,機械法次之，超聲波法零距抗張強度最低。究其原因是纖維在打漿初期都是纖維長度變化很小、纖維粗度增加、扭曲度下降,致使纖維發生潤脹、韌性增強,表現為纖維零距抗張強度增加；當打漿到一定程度纖維有切斷和細纖維化現象,表現為零距抗張強度降低。

為進一步驗證超聲波打漿打漿成效,實驗對機械法打漿至32°SR的漿料分別進行超聲波工作時間為30 min、60 min、90 min的打漿,測試其打漿度、濕重及抗張強度和零距抗張強度,結果見表7。

表7 機械-超聲波法打漿的漿料性能

注 機械法打漿至32°SR,纖維濕重7.68 g,零距抗張指數139 N·m/g,抗張指數35.0 N·m/g。

由表7可知,紙漿進行一定程度的機械法打漿,然后采用超聲波打漿,其纖維濕重先顯著增加,而后緩慢降低,而漿張抗張強度不斷緩慢提高,說明超聲波打漿打漿作用效果顯著；打漿過程中纖維破碎和切斷程度較小,零距抗張強度變化也是很小。結合前面的分析,可以說明機械-超聲波法是最好的打漿方式。

3 結 論

以漂白硫酸鹽針葉木漿(SBKP)為原料,采用機械法、超聲波法、機械-超聲波法分別對其進行打漿。通過對比纖維性能指標,分析打漿成效。

(1)機械法打漿使纖維受到摩擦和剪切作用,纖維初生壁及次生壁外層部分破除,中層細纖維吸水潤脹、分絲帚化。當打漿至75°SR時,濕重由12.90 g下降至2.48 g、平均長度由2.290 mm下降至0.862 mm、長纖維勻整度下降了59.6個百分點、短纖維勻整度提升了25.0個百分點,細小纖維含量增加了6.4個百分點。所以機械法打漿度提高快,同時纖維切斷和破碎嚴重。

(2)紙漿纖維存在著孔隙、空洞,在超聲波產生的沖擊波作用下,在纖維原始缺陷處產生應力、應變集中,發生疲勞裂紋的亞臨界擴展,導致微晶位錯,比表面積增加,結晶度下降,無定形區增大。纖維表面也會發生微觀滑移,致使纖維吸收潤脹,也有一定程度的細纖維化效果。超聲波法打漿度上升緩慢,打漿至49°SR時,濕重11.08 g,平均長度、纖維勻整度幾乎沒有變化,細小纖維含量減少0.4個百分點,纖維切斷和破碎較少。

(3)機械-超聲波法打漿,是在一定機械法打漿的基礎上,也就是在纖維破碎很小的前提下,再利用超聲波打漿進一步潤脹、分絲和細纖維化；機械-超聲波法打漿至75°SR時,濕重下降至6.16 g、平均長度下降至1.098 mm、長纖維勻整度下降了46.6個百分點、短纖維勻整度提升了16.5個百分點,細小纖維含量增加了3.7個百分點。既保持了纖維長度又有效地促進了潤脹和分絲帚化,表現出打漿后纖維的綜合性能最佳。

同時,機械-超聲波法打漿的零距抗張強度和抗張強度最高,機械法次之,超聲波法最小。由此說

明,機械-超聲波法是最佳打漿方式。

[1] HE B H. Papermaking Principle and Engineering[M]. Beijing: China Light Industry Press, 2012. 何北海. 造紙原理與工程[M]. 3版. 北京: 中國輕工業出版社, 2012.

[2] YANG S H. Lignocellulosic Chemistry[M]. Beijing: China Light Industry Press, 2011. 楊淑蕙. 植物纖維化學[M]. 北京: 中國輕工業出版社, 2011.

[3] TANG Ai-min, ZHANG Hong-wei, CHEN Gang. Morphology Structure Changes of Cellulose Fibers Brought About by Ultrasound Wave Treatment[J]. Journal of Cellulose Science and Technology, 2005, 13(1): 26. 唐愛民, 張宏偉, 陳 港, 等. 超聲波處理對纖維素纖維形態結構的影響[J]. 纖維素科學與技術, 2005, 13(1): 26.

[4] Gedanken A. Using sonochemistry for the fibrication of nanomaterials[J]. Ultrasonic Sonochemistry, 2004, 11: 47.

[5] XIANG Xiu-dong, WAN Xiao-fang, LI You-ming, et al. The Effect of Ultrasonic Time on Preparation of Microfibrillated Cellulose from Bamboo Fibers[J]. China Pulp & Paper, 2015, 34(2): 9. 項秀東, 萬小芳, 李友明, 等. 超聲處理對制備竹漿微纖化纖維素的影響[J]. 中國造紙, 2015, 34(2): 9.

[6] WANG Yu-long, CAO Zhen-lei, WANG Yan-zhong. Study on Dynam ic Interaction between L iquid and Paper by Ultrason ic Transm ission[J]. China Pulp & Paper, 2007, 26(3): 7. 王玉瓏, 曹振雷, 王燕忠. 應用超聲波探測研究液體與紙張相互作用的動態過程[J]. 中國造紙, 2007, 26(3): 7.

(責任編輯：常 青)

Analysis of the Effect of Ultrasonic Beating on Pulp Fibers

YU Qun LAN Xiao-lin LIU Wen-bo*

(MaterialsScienceandEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin,HeilongjiangProvince, 150040)

(*E-mail: hljlwbo@ 163.com)

Bleached kraft softwood pulp fibers were beaten by the ways of mechanical, ultrasonic and mechanical-ultrasonic. The beating degrees, wet weight, morphology, bonding strength and intrinsical strength of the fibers were measured to evaluate the effects of different beating processes. Results indicated that beating degree increased rapidly with mechanical beating. When beating to 75°SR, the wet weight dropped from 12.9 g to 2.48 g, the fiber average length decreased from 2.29 mm to 0.862 mm, the uniformity was decreased by 59.6 percentage points for long fibers and increased by 25 percentage points for short fibers, the content of fines increased by 6.4 percentage points. Beating degree with ultrasonic beating raised more slowly compared with mechanical besting. When beating to 49°SR, the wet weight was 11.08 g, fiber average length and uniformity were changed slightly, the content of fines were decreased by 0.4 percentage points. When beating to 75°SR by combining mechanical and ultrasonic processes, the wet weight dropped to 6.16 g, the fiber average length decreased to 1.098 mm, the uniformity decreased by 46.6 percentage points for long fibers and increased by 16.5 percentage points for short fibers, the content of fines increased by 3.7 percentage points. At the same time, the zero-span tensile strength and tensile strength were the best with mechanical-ultrasonic process, mechanical process was better than ultrasonic. All above indicated that the beating degree increased rapidly and accompanied seriously cutting with mechanical besting. Ultrasonic beating not only promoted swelling and fibrillation of the fibers, but also reduced fiber cutting and crush. Mechanical-ultrasonic beating was the best beating method, which promoted fiber swelling, fibrillation and maintained the length of fibers.

bleached kraft softwood pulp; mechanical; ultrasonic; beating

于 群女士，本科在讀；主要從事制漿造紙及特種紙方面的研究。

2016-12-09(修改稿)

國家級大學生創新訓練項目 (201610225034)。

TS752

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.04.005

*通信作者：劉文波,教授；主要從事造紙工程及特種紙與其化學品研究和教學工作。