高强度高松厚度化机浆的品质控制及其机理分析

摘要

由于化机浆制浆具有高得率、高松厚度等独特特性,因此化机浆自开发以来一直受到造纸工作者的关注。近年来,化机浆的研究热点之一是提高产品性能并降低生产成本。加之,我国化机浆品质较差,而进口化机浆的成本太高,因此提高国产化机浆的产品性能成为一项更加紧迫的任务。本研究是以优化化机浆成纸松厚度与强度性能为目标,采用同一浆料打浆后的两种不同游离度浆料(高游离度浆和低游离度浆料,分别简称为HFP、LFP)互配方式,获得混合浆(MP),探索MP中具有高强度高松厚度的化机浆浆料(HTB-CMP,简称HTBP)的品质控制工艺参数,并对其纸张的内部结构进行观察分析,从理论上阐明化机浆的品质与其成纸性能的关系。这将推动我国化机浆的生产及应用,扩大化机浆在造纸工业中的应用范围及使用量。
　　 本课题首先对制备HTBP工艺中的干燥方式、填充浆(指在HTBP中起到填充作用的浆料,本文中将LFP看作填充浆)添加量(或配比,均相对于MP)、填充浆特性、骨架浆(指在HTBP中起到骨架作用的浆料,本文中将HFP看作骨架浆)特性等影响因素进行研究。结果表明,风干干燥较烘干干燥更有利于反映MP纸页的松厚度性能变化;填充浆的添加量是影响MP性能的重要因素,且添加量不应该超过60%;填充浆的特性中细小纤维含量和骨架浆的特性中纤维平均长度是影响HTBP性能的主要因素;采用不同的打浆方式可以获得不同的填充浆纤维特性;添加PFI中浓打浆获得的填充浆(简称PFI填充浆)较槽式打浆机低浓打浆获得的填充浆(简称槽式填充浆)具有更好的滤水性、更高的松厚度和强度性能。
　　 然后,采用风干干燥、PFI填充浆和骨架浆的工艺对制备HTBP的最佳工艺参数进行研究。根据一般情况下用于白卡纸芯层中化机浆的CSF,选用CSF550mL骨架浆,60mL填充浆,添加量为20%。此时,相比于原工艺(指对比工艺,即采用直接磨浆工艺获得的浆料,简称为CP)的成纸松厚度3.5cm3·g-1、抗张指数14.39N·m/g-1、内结合强度30J/m-2,HTBP成纸松厚度提高3%,抗张指数提高4%,内结合强度降低1%。
　　 其次,根据制备HTBP的最佳工艺参数,采用纤维筛分仪等进一步分析新工艺与原工艺的不同及控制新工艺品质的根本规律。MP与CP相比,R30、R50、P200含量增加,R100、R200含量降低。新工艺中随着填充浆添加量的增加,MP性能出现松厚度下降而强度提高的变化过程,表明对松厚度从正影响到负影响,而对强度实现从负影响到正影响,从而实现了高强度高松厚度。在筛分中表现为R50含量降低到一定程度时,R100、R200含量有较大幅度的提升,因此,存在一个临界点,即在纤维网络中并不是粗大纤维与细小纤维越多越好,且不需要其他的组分,而是各组分以合适比例并存。
　　 最后,HTBP最佳工艺在烘干干燥时成纸松厚度仍然高于CP约3%,因此此工艺可以应用在实际生产中。然后对HTBP展开网络结构研究,一方面通过纸张性能中的光散射系数、透气度、孔径分布等与结构相关的指标进行研究,结果表明:填充浆在纸张内部形成了一种增强的网络,从而使两种浆料的行为特征出现了差异;HTBP较CP有较好的透气性,使得纸页疏松:HTBP成纸的平均孔径和最大孔径都大于CP,使得纸张具有高松厚度和透气性。
　　 另一方面,通过多媒体显微镜、扫描电镜(SEM)、体视显微镜、孔径测定仪(PMI)等仪器,观察HTBP中纤维特性及成纸中纤维的分布和结合情况。结果表明:骨架浆浆料主要提供较粗、挺硬、头部基本未分丝的长纤维和片状或纤维碎片为主的细小纤维;填充浆浆料主要提供较短、柔软、较宽且表面多起毛的长纤维及细丝状、带状和少量纤维碎片的细小纤维;细小纤维填充在纤维孔隙及长纤维之间形成桥联作用,形成的纸页既有高松厚度又保证强度;填充浆与骨架浆纤维在纸页中随机分布,填充浆中的长纤维与骨架浆长纤维共同形成网络,但是细小纤维之间并未形成网络,而是类似于AB交联型共聚物结构。