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论文与综述不同浓度磨浆时的纤维作用规律刘士亮(华南理工大学,广东广州510640)[摘 要] 叙述了不同浓度磨浆时,磨浆机磨盘间的纤维运行轨迹和纤维的磨浆规律的差异,研究表明:在磨浆浓度比较低时(小于6%),磨浆对纤维的切断作用较强,磨浆浓度较高时(大于12%),磨浆对纤维的切断作用比较弱,纤维之间的内部作用增强。
[关键词] 磨浆;浓度;纤维磨浆是造纸工业的一个重要工段,国内的传统磨浆方式一般是采用低浓(一般在6%以下)的磨浆方式,但在长期的生产使用中,人们也逐渐发现低浓磨浆所存在的诸多弊病,例如:磨浆过程中对纸浆纤维切断比较多、成浆质量不均匀、磨浆能耗比较高等等,上述弊病造成企业生产成本较高,产品质量提升困难,非常不利于企业的市场竞争力。
鉴于传统低浓磨浆的缺陷,近年来国内研究开发出中高浓磨浆(一般在10%以上)技术和设备,在国内的一些造纸企业逐步得到了推广和生产应用,与传统的低浓磨浆相比,中高浓磨浆处理纸浆纤维在生产上取得了降低磨浆能耗和提高产品质量的效果,但为了更好地推广中高浓磨浆技术,有必要对其磨浆作用规律有更加深入的认识,以便于优化磨浆工艺和参数,因此,对不同浓度磨浆时的纤维作用规律进行了初步的分析和探讨。
1 低浓磨区纸浆纤维的作用规律在对盘磨磨浆的研究中,人们常常利用快速摄影装置来观察盘磨磨区内浆料的运动规律和发生的一些现象,希望通过对浆料运动状态的观察来推断其运动规律和磨浆机理。
通过采用高速摄影装置,观察了低浓磨浆(小于6%)过程磨区的浆料分布状态。
可以看出:低浓时,磨盘磨区间的纸浆纤维层较薄,纤维在纤维絮团中容易滑动,纤维絮聚层所占磨区面积比例较小,如图1。
从图1可以看出,在低浓状态下磨浆时,纸浆纤维在磨盘间的分布是断续的,分布在磨齿上的纤维根数比较少,则单根纤维承受磨齿的机械剪切力很大,故纤维被切断比例较大,细碎成分较收稿日期:2011-01-27多,纤维的固有强度损伤严重,而且由于磨区纤维分布的零散性,也必然导致磨浆无效负荷的增加,使得单位磨浆能耗比较高。
在打浆过程中纤维没有发生化学变化。
不论应用何种型式的打浆设备，主要都是使纤维产生切断、压溃、润胀和细纤维化作用，而这些都是纤维细胞壁的变化。
在植物纤维化学中已经讲过，植物纤维的构造可分为胞间层（L）、初生壁（P）、次生壁外层（S1）、次生壁中层（S2）、次生壁内层或称三生壁（S3）。
根据观察分析，纤维各层细胞壁无论在物理结构和化学组成上都是不同的，因而就具有不同的特性。
可以认为，初生壁是一层类似塑料的多孔层薄膜，它的厚度为0.1~1微米，其细纤维成网状的排列。
从结构观点来看，它是各向同性的，且木素含量较高，因而它只能透水，而不能润胀，反而还会在打浆时限制次生壁中层的润胀。
至于次生壁外层，它是介于初生壁与次生壁中间的一个过渡层，在物理结构或化学成分上都比较接近初生壁的性质。
次生壁中层是纤维的主要部分，比其它各层都显得厚得多，它的厚度为1.0~5.0微米，其细纤维的排列是高度各向异性的，且与纤维的轴向呈一定的角度，因而造成纤维的纵向结合强度大，而横向的结合强度弱，所以沿着纤维的横向润胀就较为容易。
次生壁中层的木素含量较低，这一情况极其有利于纤维在打浆时的润胀。
次生壁内层较薄，其木素含量也较低。
一般认为，打浆对纤维的作用和纤维的变化除压溃、揉搓、分裂以外，大体可主要分为以下五方面细胞壁的位移和变形，初生壁和次生壁外层的破除、润胀、细纤维化和切断等。
当然这几方面的作用不是截然分开的，而是交错进行的。
现分述如下：（一）细胞壁的位移和变形一些研究者认为，在次生壁中层的细纤维能发生位移。
用偏光显微镜可以很容易观察到纤维上的亮点,这就是细纤维的位移.根据观察,未打浆的纤维有位移,而开始打浆后又出现了新的位移点,随着打浆过程的进行,位移点逐步扩大,并变得更为清晰。
根据用偏光显微镜拍照所得的照相图，位移可分为三种型式。
打浆的机械作用使得次生壁中层一定位置的细纤维弯曲，这样细纤维之间空隙有所增加，以致能够进入较多的水分。
№.2 陕西科技大学学报 Apr.2008・42・ J OU RNAL OF SHAANXI UN IV ERSIT Y OF SCIENCE&TECHNOLO GY Vol.26 文章编号:100025811(2008)022*******打浆对草浆纤维形态的影响刘 叶,王志杰,罗 清(陕西科技大学制浆与造纸工程学院,陕西西安 710021)摘 要:在实验室条件下,研究了麦草浆及苇浆不同打浆方式及打浆程度对纤维形态的影响,利用纤维质量分析仪(FQA)分析了纤维长度、粗度、卷曲、扭结等形态参数及细小纤维含量的变化.结果表明,较之低浓打浆,经中浓打浆的纤维重均长度、粗度、扭结和卷曲指数高而细小纤维含量低,且随着打浆度上升,低浓打浆使扭结指数和卷曲指数上升,中浓打浆使扭结和卷曲指数下降,中浓打浆粗度下降比低浓打浆快.关键词:草浆;打浆;纤维形态中图分类号:TS71+3 文献标识码:A0 引言打浆对植物纤维形态和特性影响重大,有关纤维长度及宽度等形态参数已有不少研究,但打浆对纤维粗度、卷曲和扭结等形态参数的影响研究却较少,尤其是对于非木材纤维的研究就更少[123].据估计,到2010年,非木材纤维的利用将减少25%[4].然而,非木材纤维在中国仍然占据着很重要的地位.本课题在实验室条件下,分别对麦草浆及苇浆进行了不同方式的打浆,研究了打浆对纤维形态参数,包括重均长度、卷曲指数、扭结指数、粗度及细小纤维含量等的影响,旨在为优化短纤维的打浆工艺提供一定的理论指导.1 实验1.1 原料实验所用原料为陕西某纸厂漂白麦草浆,水分81.6%;新疆某纸厂漂白苇浆板,水分9.8%.1.2 打浆(1)中浓打浆.纸浆经标准纤维解离器解离后在PFI磨中进行打浆,浆浓10%.(2)低浓打浆.低浓打浆在瓦利打浆机中进行,浆浓2%.1.3 分析与检测纤维长度、卷曲指数、扭结指数、细小纤维含量和纤维粗度等纤维形态参数采用加拿大Optest仪器公司生产的纤维质量分析仪(FQA)测定.2 结果与分析2.1 中浓打浆对纤维形态的影响2.1.1 中浓打浆对纤维重均长度的影响较之算术平均长度和双重均长度,纤维重均长度对纸张的物理强度影响最大[5],因此本文以纤维重均3收稿日期:2008-02-16作者简介:刘 叶(1978-),女,陕西省大荔县人,工程师,在读硕士生,研究方向:造纸湿部化学基金项目:陕西科技大学自选科研项目(ZX05202)第2期刘 叶等:打浆对草浆纤维形态的影响长度表示纤维长度.由图1可见,随着打浆度的提高,麦草浆和苇浆的纤维重均长度均呈下降趋势,麦草浆的纤维长度下降趋势几乎呈一直线,打浆度由20°SR 上升到60°SR ,其纤维重均长度由0.738mm 下降到0.512mm.苇浆的纤维重均长度开始下降比较快,到达40°SR 后,下降开始趋于缓慢.在打浆过程中,麦草浆打浆度在40°SR 之前打浆度上升很快,而在40°SR 后上升很慢.图1 中浓打浆对纤维重均长度的影响 图2 中浓打浆对纤维卷曲指数的影响2.1.2 中浓打浆对纤维卷曲指数的影响由图2可知,中浓打浆时,麦草浆及苇浆的卷曲指数都随着打浆度上升而下降.在20～60°SR 范围内,苇浆的卷曲指数大于麦草浆.卷曲是指纤维逐渐连续的弯曲,按如下公式计算:卷曲指数=L l -1(1) 式中:L 为纤维的实际长度,l 为纤维末端对末端的直线长度.打浆使纤维变得柔韧,产生了变形、压溃、切断和细纤维化等作用,因此卷曲指数的下降主要是因为纤维被部分切断而引起的.2.1.3 中浓打浆对纤维扭结指数的影响扭结是指纤维曲率的急剧变化[6],扭结指数按如下公式计算:扭结指数=(2N (21～45)+3N (46-90)+4N (91～180))L 总(2) 式中:N 为样品在某一角度范围内突变点的数量;L 总为样品纤维总长度;N 的下标(21～45)、(46～90)、(91～180)分别为扭结角度的范围.由图3可知,两种浆料的扭结指数都随着打浆度的上升而下降.麦草浆扭结指数随打浆度的下降变化较快.扭结指数的下降主要是因为纤维被部分切断而引起的,由于草浆纤维长度随打浆度的上升下降更快,所以草浆扭结指数下降较快.图3 中浓打浆对纤维扭结指数的影响 图4 中浓打浆对纤维粗度的影响2.1.4 中浓打浆对纤维粗度的影响纤维粗度定义为单位长度纤维的质量.由图4可知,粗度都随着打浆度的提高而下降.由于打浆的机械作用和纤维之间的相互摩擦,p 层和s 1层会随着打浆的进行而被破除,继续打浆则纤维表面的细纤维也会不断脱落,因此纤维粗度随着打浆度的提高而下降.2.1.5 中浓打浆对细小纤维含量的影响细小纤维指长度小于0.2mm 的纤维.由图5可见,随着打浆度的上升,麦草浆和苇浆的细小纤维含・34・陕西科技大学学报第26卷量均不断提高.在打浆前期,即打浆度小于40°SR 时,细小纤维含量随打浆度上升提高较明显,之后细小纤维含量变化不大.图5 中浓打浆对细小 图6 不同打浆方式对苇浆纤维含量的影响 纤维长度的影响图7 不同打浆方式对苇浆 图8 不同打浆方式对苇浆扭结指数的影响 卷曲指数的影响图9 不同打浆方式对苇浆 图10 不同打浆方式对苇浆细小纤维粗度的影响 纤维含量的影响2.2 不同打浆方式对苇浆纤维形态的影响2.2.1 不同打浆方式对苇浆纤维长度的影响由图6可知,中浓和低浓打浆后纤维长度都随着打浆度的上升而下降.中浓打浆过程中,随打浆度上升,纤维长度下降较缓和;低浓打浆纤维长度下降较明显,特别是打浆度高于40°SR 时,纤维长度下降幅度明显增加.造成此种现象的原因可能是由于两种打浆设备对浆料的机械作用不同.瓦利打浆机对浆料的作用则主要是以切断为主,而PFI 磨对浆料的作用则主要是以挤压、碰撞为主.所以,浆料经过低浓打浆作用后的纤维长度要小于中浓打浆后的纤维长度.2.2.2 不同打浆方式对苇浆扭结指数和卷曲指数的影响由图7和图8可知,低浓打浆与中浓打浆对苇浆扭结指数和卷曲指数的影响明显不同.中浓打浆的卷曲和扭结指数比低浓打浆高.浆料经过瓦利打浆机打浆后的卷曲指数和扭结指数都随着打浆度的上升而上升,而PFI 磨浆后的卷曲指数和扭结指数都随着打浆度的上升而下降.一般来说,高浓打浆容易使纤维产生卷曲、扭结等变形.从本实验可得出,中浓打浆时卷曲指数和扭结指数只在打浆初始段上升,而随着打浆度的上升,低浓打浆使卷曲和扭结指数增加.・44・第2期刘 叶等:打浆对草浆纤维形态的影响2.2.3 不同打浆方式对苇浆纤维粗度的影响由图9可知,浆料经过两种机械作用后,纤维粗度都随着打浆度的上升而下降,低浓打浆纤维粗度下降趋势更快.在打浆度比较低时,低浓打浆的粗度要比中浓打浆的粗度高一些,到了40°SR 时,二者的粗度基本相等,在40～60°SR 范围内二粗度曲线下降趋势基本重合.2.2.4 不同打浆方式对苇浆细小纤维含量的影响由图10可知,随着打浆度的上升,中浓打浆和低浓打浆均使苇浆的细小纤维含量升高.在打浆前期,即打浆度小于40°SR 时,两种打浆方式的细小纤维含量增加幅度相近,均较小;当打浆度在40～60°SR 时,低浓打浆对苇浆细小纤维含量的影响更加显著,随着打浆度的上升,细小纤维含量显著上升.这可能是因为瓦利打浆机对纤维有较强的切断作用.4 结 论(1)PFI 磨浆对苇浆和麦草浆纤维形态参数的影响趋势基本相似.(2)苇浆低浓打浆时卷曲和扭结指数随着打浆度的上升而升高;中浓打浆时卷曲和扭结指数只在打浆初始段上升,随着打浆的继续进行,卷曲和扭结指数反而减小.(3)苇浆经过中、低浓打浆后纤维长度和粗度都随着打浆度的上升而下降且低浓打浆后纤维长度和粗度下降更显著.(4)随着打浆度的上升,中、低浓打浆均使苇浆的细小纤维含量升高.当打浆度大于40°SR 时,随着打浆度的上升,低浓打浆使苇浆细小纤维含量显著上升.参考文献[1]Mc K inney R W J.Fiber curl in recycling[J ].Pulp and Paper International ,1997,39(1):37.[2]吴学栋,陈 鹏.纸浆纤维的卷曲对纸和纸板性能的影响[J ].纸和造纸,2003,(3):70271.[3]Horn R A.Morphology of wood pulp fiber from soft woods and influence on paper strengt h[R ].USDA Forest Service Research Pa 2per FPL 242,Forest Product s Laboratory ,Madison ,Wisconsin ,1974,1232131.[4]Zhong X.J..Fiber resource availability for Chinese pulp and paper industry[C].Proceedings of International Papermaking and En 2vironment Conference ,Tianjin ,2004:228.[5]Lai Y.M.,Xie Y.M.,Average fiber lengt h and it s instrumental measurement result analysis[J ].Paper Science &Technology ,2003,(3):35237.EFFECT OF BEATING ON STRAW FIBER MORPH OLOG YL IU Ye ,WAN G Zhi 2jie ,L UO Qing(School of Pulp and Papermaking Engineering ,Shannxi Province Key Lab of Paper Technology and Specialty Paper ,Shannxi University of Science &Technology ,Xi ′an 710021,China )Abstract :This paper mainly focused on t he effect s of different refining met hods and beating degree on t he shape parameters of st raw fiber.Wheat st raw p ulp and reed p ulp were refined wit h PFI refiner and valley beater separately under t he laboratory conditions ,and t hen t he fi 2ber shape parameters containing fiber lengt h ,curl index ,kink index ,fiber coarseness and fines percent were measured by Fiber Quality Analyzer (FQA ).The result s showed t hat shape parameters of t he two kinds of p ulp s have similar variation ,and t he fiber lengt h ,fiber coarseness ,curl index and kink index of PFI refiner t reated fiber were higher t han t hat of valley beater t reated fiber.And t he fines percent of PFI refiner p ulp was lower t han t hat of valley beater.The curl index and kink index rose along wit h t he increase of beating degree when beating wit h valley beater ,but decreased when beating wit h PFI refiner.The coarse 2ness of PFI refiner decreased faster t han t hat of valley beater.K ey w ords :st raw p ulp ;fiber morp hology ;beating・54・。
论文与综述
不同浓度磨浆时的纤维作用规律
刘士亮
(华南理工大学,广东广州510640)
[摘 要] 叙述了不同浓度磨浆时,磨浆机磨盘间的纤维运行轨迹和纤维的磨浆规律的差异,研究表明:在磨浆浓度比较低时(小于6%),磨浆对纤维的切断作用较强,磨浆浓度较高时(大于12%),磨浆对纤维的切断作用比较弱,纤维之间的内部作用增强。
[关键词] 磨浆;浓度;纤维
磨浆是造纸工业的一个重要工段,国内的传统磨浆方式一般是采用低浓(一般在6%以下)的磨浆方式,但在长期的生产使用中,人们也逐渐发现低浓磨浆所存在的诸多弊病,例如:磨浆过程中对纸浆纤维切断比较多、成浆质量不均匀、磨浆能耗比较高等等,上述弊病造成企业生产成本较高,产品质量提升困难,非常不利于企业的市场竞争力。
鉴于传统低浓磨浆的缺陷,近年来国内研究开发出中高浓磨浆(一般在10%以上)技术和设备,在国内的一些造纸企业逐步得到了推广和生产应用,与传统的低浓磨浆相比,中高浓磨浆处理纸浆纤维在生产上取得了降低磨浆能耗和提高产品质量的效果,但为了更好地推广中高浓磨浆技术,有必要对其磨浆作用规律有更加深入的认识,以便于优化磨浆工艺和参数,因此,对不同浓度磨浆时的纤维作用规律进行了初步的分析和探讨。
1 低浓磨区纸浆纤维的作用规律
在对盘磨磨浆的研究中,人们常常利用快速摄影装置来观察盘磨磨区内浆料的运动规律和发生的一些现象,希望通过对浆料运动状态的观察来推断其运动规律和磨浆机理。
通过采用高速摄影装置,观察了低浓磨浆(小于6%)过程磨区的浆料分布状态。
可以看出:低浓时,磨盘磨区间的纸浆纤维层较薄,纤维在纤维絮团中容易滑动,纤维絮聚层所占磨区面积比例较小,如图1。
从图1可以看出,在低浓状态下磨浆时,纸浆纤维在磨盘间的分布是断续的,分布在磨齿上的纤维根数比较少,则单根纤维承受磨齿的机械剪切力很大,故纤维被切断比例较大,细碎成分较
收稿日期:2011-01-27多,纤维的固有强度损伤严重,而且由于磨区纤维分布的零散性,也必然导致磨浆无效负荷的增加,使得单位磨浆能耗比较高。
图1 浓度较低磨浆时纤维的分布
2 中高浓磨浆纤维作用规律
采用摄影装置对中高浓磨浆(大于12%)磨区内纤维层的分布与运动规律进行了观测和描述。
就磨浆区来看:磨盘间的纤维网络层较厚,纤维数目较多,浆料纤维网络絮聚层运动表面上来看是沿着动盘圆周运动方向排列,如图2,但这种表面现象带有一定的欺骗性,在絮聚层内部,纤维的总体排列与磨齿齿面的方向是平行的,如图3,该现象说明在中高浓磨浆纤维网络絮聚层并不是一种简单的平面运动,而是呈现复杂的三维运动,如图4,在磨盘动齿齿槽间浆料运动是沿着齿槽向外离心运动呈甩出运动状态,而定齿齿槽内纤维的运动则沿齿槽向内运动呈吸入运动状态,而夹在动齿、定齿齿面的纤维层有些随磨齿圆周剪切力而呈圆周运动,这种运动方向的复杂性和不一致性必然导致各小纤维网络体之间的互相作用大大增强,构成纤维的外围和内部的纤维受到较强的摩擦、压缩、拉伸和扭曲等作用。
另一方面,从对中高浓磨浆后浆料出口处的纸浆絮聚状态来看:发现从浆料出口处收集到的浆料一部分类似
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2011年 第2期 黑 龙 江 造 纸
绳索状(图5),而且随着磨浆浓度的增加,呈现绳
索状的比例增加。
从图中可以推断:在中高浓磨浆时,磨区纸浆纤维的分布受两个作用力的作用,即离心力和磨齿的剪切力,离心力有使纤维排列与磨齿平行的运动方向,而受剪切力的作用则有使纤维沿着圆周方向排列的趋势,如图2、图3,这两种作用使得纤维絮聚团由齿槽向齿面移动时,齿面上无序分布的纤维就与磨齿平行的纤维之间发生内部的摩擦等作用,当纸浆浓度进一步增加时,纤维就会互相缠绕在一起,形成绳索状絮聚,如图5。
对中高浓磨浆纤维运行轨迹进行系统地分析后,认为:磨浆时采用过高的磨浆浓度对成浆抄造性质未必有利,虽然这种绳索状絮聚使得纤维免受切断而保留了纤维的长度,但包裹在绳索状内部的纤维所受到的分丝、帚化作用就比较微弱;另外,在较高浓度下磨浆时,由于纸浆中呈自由游离状态的水含量很少,纤维之间发生的绳索状包裹使得纤维不仅磨浆作用减弱,而且不能很好地吸水润胀,从而造成成浆抄造性能的下降,从这个角度来讲,过高的磨浆浓度显然是不适宜的。
对于国内的短纤维浆种中高浓磨浆,由于纤维较短、磨浆浓度不是太高时(一般在10%~15%),小纤维网络体虽然有卷曲成绳索状的趋势,但较短的纤维长度很难形成长的绳索状絮聚体,所以对于国内的大部分浆种而言,10%~15%的浓度下进行中高浓磨浆是比较适宜的。
3 结语
中高浓制浆造纸技术是制浆造纸行业未来的发展趋势,而中高浓磨浆技术是国内研究且推广比较早的该类技术之一,从现有的推广应用效果来看,中高浓磨浆较之于传统的低浓磨浆技术,不仅能显著提高纸页的物理强度指标,而且节能效果也比较明显,从不同浓度磨浆纸浆纤维磨区作用规律来看,比较适宜的中高浓磨浆浓度为10%~15%,浓度太低的时候不利于纤维长度的保留,浓度太高的话也容易导致纸浆纤维的缠绕而影响纸浆纤维的分丝帚化和吸水润胀。
信息
远东国际租赁造纸企业投融资交流会 在上海举行
由上海市造纸咨询服务中心和远东国际租赁有限公司共同主办的 远东国际租赁造纸行业投融资交流会 于2011年4月14日在远东国际租赁有限公司上海总部金茂大厦举行。
中国造纸行业资深专家暨上海市造纸咨询服务中心主任蒋荣祺、华东地区主流设备厂商江苏华东造纸机械有限公司、上海轻良实业有限公司、杭州美辰纸业技术有限公司和上海及周边纸厂、设备厂的负责人,以及浙江造纸学会的领导悉数到场。
远东国际租赁印刷系统事业部总经理李建成先生率领纸厂经营部及相关人员出席了此次交流会。
与会人员相互通报并交流了关于造纸行业 十二五 规划的相关内容,内容涵盖纸品信息、设备厂家信息、上下游竞争环境、企业经营状况,以及对未来市场趋势和展望等有价值的数据。
在此基础上,远东国际租赁的各位同仁和与会者就相关问题进行了充分的交流与互动,涉及到诸如特种纸企业特征、纸种区域性分布及特点、生活用纸发展趋势等。
(韩志诚)
39 不同浓度磨浆时的纤维作用规律。
