纸浆打浆技术研究进展

纸浆打浆技术研究进展

摘要：在实验室条件下，分析了不同的打浆程度和打浆方式对纤维形态的作用，探讨目前的打浆的基本方式，讨论了亟待解决的关键技术和对策，并对其发展进行了展望。

关键字：打浆纤维形态打浆方式

前言

利用物理方法使悬浮于水中的纸浆纤维受到机械作用（即剪切力作用），统称为打浆。浆料在送往抄纸前，需进行打浆，其目的是根据纸张和纸板质量要求和使用要求[1-2]的纸浆种类和特点，经过打浆机的前期处理，改变纤维形态。打控可以控制纸料在网上的滤水性，来保证抄成的纸达到预期效果，对于最终形成的纸具有决定性影响，同时必须满足造纸机生产的基本要求[3]。常用的大打浆设备是单球磨（Lampen mill）、六罐磨（Lokro mill）、瓦利打浆机（Valley beater）、PFI磨（PFI mill）等

1 打浆对纤维的作用[4-5]

1.1 初生壁和次生壁外层部分破除

在植物纤维化学中，木材的纤维细胞为厚壁细胞且是停止生长的死细胞，其细胞壁可分为胞间层（ML层）、初生壁（P层）、次生壁外层（S1层）、次生壁中层（S2层）、次生壁内层（S3层）。根据前人实验分析得出，无论在物理结构还是化学组成上，纤维各层细胞壁都各有不同，所以就具有不同的特性。例如[6]，胞间层位于两个细胞间，是两细胞所共有，且木素浓度最高。初生壁是一层多孔的薄膜，它的厚度为0.1~1μm，其细纤维成网状的排列，与胞间层统称为复合胞间层（CML层）。至于次生壁外层，是介于初生壁与次生壁中间的一个过渡层，在物理结构和化学组成上比较接近初生壁的性质。次生壁中层是纤维的主要部分，占S层厚度的70%~90%。S层的厚度决定细胞壁厚度的主要部分，整个S层决定着物理、化学及力学的性质性质。S2层的细纤维同心层受到打浆时的机械作用发生弯曲、位移和形变，造成纤维间间隙扩大，使得水分子更易进入，为纤维润张创造条件，纤维变得柔软，对于初生壁和次生壁的破除具有积极的促进作用。但根据制浆工艺和纤维原料的不同，P层和S1层破除难易程度也各不相同。

1.2 吸水润胀

所谓润胀是指高分子化合物在吸收极性液体的过程中，伴随着体积膨胀，内聚力变小，纤维变软，但仍保持外观形态的一种物理现象。纤维吸水润胀属于结晶区间的润胀。润胀剂极性小，只能进入纤维素的无定形区发生润胀，润胀后X-射线图不变，晶格不变。纸浆纤维之所以有润胀能力，主要原因是由于纤维素和半纤维素的分子结构中含有极性羟基与水分子，它们发生极性吸引，因而能在极性性液体中发生润胀。纤维润胀在打浆过程中是一个重要问题[7]。在打浆过程中，纤维首先吸水而发生润胀，纤维细胞壁内部结构变得尤为松弛，内聚力则有所下降，纤维比容和表面积增加，从而提高了纤维的柔软性和可塑性。纤维吸水润胀与原料组成，制浆方法和半纤维素含量等因素密切相关。例如，半纤维素含量高的亚硫酸盐浆容易润胀，而硫酸盐浆就比亚硫酸盐浆润胀程度小些。木素含量高的纸料不易润胀，因此漂白能改进这种纸料的润胀能力。

1.3 细纤维化

纤维的细纤维化是指在打浆过程中，打浆机的机械物理作用在细胞壁P层和S1

层被部分破除，在纤维吸水润胀后大量产生，并分离出细纤维，而且使纤维产生起毛现象。一般认为[8]，细纤维化可分为外部细纤维化和内部细纤维化。在纤维发生润胀

的情况下，内部细纤维化使纤维内聚力下降，次生壁同心层间产生滑动，使纤维刚性减弱，同时增加了纤维的柔韧性和可塑性。外部细纤维化则使纤维分离出细纤维、微纤维、微细纤维，提高纤维间的交织能力。在抄纸的干燥过程中，增大纤维的外比表面，产生更多的氢键结合，提高了纸张的强度和紧度，有助于提高填料的留着，对纸页性质影响极大，也是打浆的重要作用之一。

由于S2层纤维素含量多，所以细纤维化主要发生在S2层。在打浆过程中，S1层断裂，纤维吸水润胀，受到剪切力作用，次生壁同心层间的相邻纤维素分子间的氢键发生断裂，纤维间内聚力减小，细胞壁同心层间产生滑动和分裂现象。综上所述可知，纤维的细纤维化和纤维的润胀是互相促进的。吸水润胀使得细胞壁内部结构变得松弛，为纤维的细纤维化创造有利条件；反之，纤维的细纤维化是水分更易渗入纤维间，又能进一步促进纤维吸水润胀。在整个打浆过程中，这样反复的相互影响，这两个作用也是互相促进的。

1.4 切断

切断是指纤维受到足够大的剪切力的作用，而发生横向的现象。纤维受到横向切断，主要是由于打浆设备的剪切力和纤维间摩擦造成纤维横向发生断裂的结果。纤维的横向切断跟吸水润胀有一定的关系。在相同的打浆条件下，当纤维吸水润胀情况比较好，纤维变得柔软和可塑，这样就不再容易受到横向切断，而是较容易发生细纤维化作用。反之，纤维被切断后，断口的增加更加有利水分的渗入，有促进纤维润胀的发生。

1.5 产生纤维碎片

打浆过程中产生纤维碎片有三方面：

（1）纤维初生壁和次生壁外层破除纤维受到打浆设备的机械摩擦力和纤维间的摩擦力，似的纤维初生壁和次生壁外层被磨碎而脱落，有的甚至被磨成碎片，麦草将尤为明显。

（2）纸浆中的杂细胞被打碎由于杂细胞短而粗，所以在打浆过程中易打成碎片。大多是薄壁细胞。

（3）横向切断纤维产生碎片若将纤维两端部分切断，也会产生碎片。

在实际生产中，由于各种因素影响，纤维受到的作用是不同的。例如[9]维吸水润胀和细纤维化较好，也有的纤维则会受到较强烈的切断作用，这主要是由于各根纤维所受外力不同。当纤维受到较大的摩擦力时，其初生壁和次生壁外层除去较容易些，因而纤维吸水润胀和细纤维化就较好；反之，有的纤维在破除初生壁和次生壁外层之前，就受到较强的剪切刀作用，纤维受到横间切断的可能性就较大。在打浆过程中往往出现如下的现象[10]：在打浆初期即有一小部分纤维吸水润胀并产生细纤维化，而在打浆后期还有的纤维的初生壁和次生壁外层尚未被破除。如果后一现象较多时，即说明打浆很不均匀。总之，在打浆过程中，应尽量采取措施，保证打浆的均匀性。

2 打浆工艺

纸张的种类很多，且具有不同的性质。首先找到最适合纸种的打浆方式，制定好工艺条件，执行操作规程，达到提高产量，保证质量，降低能耗和充分发挥设备效率的目的[11,12]。在生产实践中，由于不同的浆种和打浆设备的不同，会生成不同的产品。因此根据纸张不同的性质，结合纸料特性和设备的特点，如何打浆是我们如今更加应该去探讨的工艺。

2.1 打浆方式

根据打浆过程中，纤维发生细胞壁的位移和变形、初生壁和次生壁外层的破除、纤维的吸水润胀和细纤维化、横向切断等作用，将以横向切断纤维，降低纤维长度为主的打浆方式称为游离状打浆；而以纵向分裂纤维使之吸水润胀，细纤维化为主的，则称为粘状打浆。所以将打浆方式分为四种类型：（1）长纤维游离状打浆；（2）短纤维游离状打浆；（3）长纤维