（制浆造纸工程专业论文）酶在纸浆抄造过程中的助滤助留和增强作用.pdf

山东轻工业学院硕十学位论文 摘要 使用纤维素酶和半纤维素酶等酶组分组成的酶系对纸浆纤维进行改性处理， 可以提高纸浆的滤水性能和抄造性能，使纸浆和成纸的质量得到显著的改善，这 种酶对天然纤维性能的酶改性作用，可以在一定程度上替代化学助剂，在造纸过 程中起到一定的助滤助留和增强等作用。 论文讨论了酶对高得率浆的改性作用，筛选出了以获得最佳打浆度下降值为 主要目标时的酶处理条件，在此基础上进一步讨论了酶改性对浆料的助滤、助留 和增强的作用。利用z e t a 电位测定仪、f q a 、x r d 、e s e m 等分析检测设备和手 段对酶改性前后浆料纤维质量性能和表面特性进行了分析。 首先，纤维素酶对a p m p 的改性处理表明，在酶用量o 3 u g 绝干浆、浆浓 1 0 、初始p h 值4 5 、温度4 5 的条件下处理6 0 m i n 后，浆料得到最佳的助滤 助留和增强作用。酶处理后，浆料打浆度下降了6 5 0 s r ，动态滤水时间缩短了4 8 s ； 细小组分留着率提高了7 1 6 1 ，a k d 施胶效果稍有改善；裂断长、耐破指数、 撕裂指数分别提高了6 1 5 、9 5 2 、4 0 2 。对纤维质量和表面特性的分析发现： 酶处理后，细小纤维含量减小，纤维平均长度和粗度增加，卷曲和扭结指数降低， x r d 结晶度升高，纤维表面细纤维化程度下降。 其次，对a p m p 浆的木聚糖酶改性处理表明，木聚糖酶处理最优条件为用量 1 5 u g 绝干浆、浆浓0 5 、初始p h 值7 0 、温度4 5 、处理时间3 0 m i n ，此时 浆料得到最佳的助滤助留和增强作用。酶处理后，浆料打浆度下降了4 5 0 s r ，动 态滤水时间缩短了2 8 s ；细小组分留着率提高了6 1 3 3 ，a k d 施胶效果略有改 善；裂断长、耐破指数、撕裂指数分别提高了4 6 7 、2 3 0 2 、1 2 9 5 。对纤维 质量和表面特性的分析发现：酶处理后，细小纤维含量减小，纤维平均长度和粗 度增加，卷曲和扭结指数降低，x r d 结晶度升高，纤维表面细纤维化程度下降。 再次，对b c t m p 来说，果胶酶处理在酶用量1 0 0 0 p p m g 绝干浆、浆浓1 。0 、初始p h 值4 5 、温度4 5 、处理时间6 0 m i n 的条件下，可以得到最佳的助 滤助留和增强作用。酶处理后，浆料打浆度下降了4 5 0 s r ，动态滤水时间t 3 缩短 了2 3 s ；细小组分留着率提高了2 4 3 8 ，a k d 施胶效果得到改善；裂断长、耐 破指数、撕裂指数分别提高了1 5 l 、1 5 3 1 、2 6 0 1 。对纤维质量和表面特性 的分析发现：酶处理后，细小纤维含量稍有增加，纤维平均长度没有明显变化， 粗度增加，卷曲和扭结指数降低，x r d 结晶度升高，纤维上和纤维之间絮状物减 少，纤维本身没有变化。 最后，对磨木浆来说，使用复合纤维素酶处理获得最佳助滤助留和增强作用 摘要 的条件为：酶用量6 0 0 p p m g 绝干浆、浆浓1 0 、初始p h 值7 0 、温度4 5 、 处理时间6 0 m i n 。酶处理后，浆料打浆度下降了4 0 0 s r ，动态滤水时间t 3 缩短了 1 9 s ；细小组分留着率提高了4 7 7 4 ；裂断长、耐破指数、撕裂指数分别提高了 5 8 7 、1 2 8 7 、6 0 9 。对纤维质量和表面特性的分析发现：酶处理后，细小 纤维含量稍有增加，纤维平均长度减小，粗度增加，卷曲和扭结指数降低，x r d 结晶度升高，纤维束和纤维碎片减少，纤维表面出现小的凹痕和剥皮。 关键词：酶改性；助滤助留作用；增强作用；施胶效果；纤维分析 i i 山东轻t 业学院硕士学位论文 a bs t r a c t m o d i f i c a t i o nw i t he n z y m e sc o n s i s t i n go fc e l l u l a s e sa n dh e m i c e l l u l a s e sc a n p r o m o t ef i b e rd r a i n a g ea n do p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c ，s oa st h a tt h eq u a l i t i e so fp u l pa n d s h e e tc a nb ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y e n z y m a t i cm o d i f i c a t i o nt on a t u r a lf i b e rc a nb e u s e dt ob eo n eo ft h es u b s t i t u t i o n so fc h e m i c a la g e n t st os o m ed e g r e e s ，w h i c hc a np l a y a ni m p o r t a n tr o l ei nd r a i n a g e ，r e t e n t i o na n d s t r e n g t h e n i n ge f f e c t si np a p e rm a k i n g t h em o d i f i c a t i o no fe n z y m e st os o m ek i n d so fh y p sw a sd i s c u s s e da n dt h e o p t i m u mp r o c e s s e so fe n z y m a t i ct r e a t m e n tw e r ec h o o s e di nt h i sp a p e rw i t hd r a i n a g e i m p r o v e m e n tc o n s i d e r e da st h em a i nt a r g e t p r o m o t i o no fe n z y m a t i cm o d i f i c a t i o nt o d r a i n a g e ，r e t e n t i n ga n ds t r e n g t h e n i n go fp u l pw a sd is c u s s e df u r t h e r t h ez e t ap o t e n t i a l t e s t e rf q a ，x r d ，a n de s e mw e r eu s e dt o a n a l y z et h ee f f e c t so fe n z y m a t i c m o d i f i c a t i o no nf i b e rq u a l i t i e sa n ds u r f a c ep r o p e r t i e s f i r s t l y ，t h er e s u l t so fc e l l u l a s em o d i f i c a t i o no na p m pi n d i c a t e dt h a tt h eb e s t e f f e c t so fd r a i n a g e ，r e t e t i o na n ds t r e n g t h e n i n gt u r n e do u ta f t e re n z y m a t i cm o d i f y i n gf o r 6 0m i n ，w i t ht h ed o s a g eo f0 3 u gb d p u l p ，t h ec o n s i s t e n c yo f1 0 ，t h eb e g i n n i n gp h v a l u eo f4 5 ，t h et e m p e r a t u r eo f4 5 * ( 2 a n da f t e re n z y m a t i ct r e a t m e n t ，t h eb e a t i n g d e g r e ed e c r e a s e db y6 5 0 s r ，t h ed y n a m i cd r a i n a g et i m er e d u c e db y4 8s ，t h er e t e t i o n o ff i n e si n c r e a s e db y71 61 ，t h ee f f e c to fa k d s i z i n gp r o m o t e dal i t t l e ，a n dt h e b r e a k i n gl e n g t h ，t h eb u r s t i n gi n d e x ，a n dt h et e a r i n gi n d e xi n c r e a s e db y6 15 ，9 5 2 ， a n d4 0 2 r e s p e c t i v e l y a n a l y s i so ff i b e rq u l i t i e sa n ds u r f a c ep r o p e r t i e ss h o w e dt h a t t h ec o n t e n t so ff i n e sd e c l i n e d ，t h ef i b e rl e n g t ha n dc o a r s e n e s si n c r e a s e d ，t h ec u r li n d e x a n dk i n ki n d e xd e c r e a s e d ，t h ed e g r e eo fc r y s t a l l i n i t yr o s e n ，a n dt h ef i b e r i l l a t i o n d e d u c e d s e c o n d l y ，t h er e s u l t so fx y l a n a s em o d i f i c a t i o no na p m pi n d i c a t e dt h a tt h eb e s t e f f e c t so fd r a i n a g e ，r e t e t i o na n ds t r e n g t h e n i n gt u r n e do u ta f t e re n z y m a t i cm o d i f y i n gf o r 3 0m i n ，w i t ht h ed o s a g eo f1 5 u gb d p u l p ，t h ec o n s i s t e n c yo f0 5 ，t h eb e g i n n i n gp h v a l u eo f7 0 ，t h et e m p e r a t u r eo f4 5 ( 2 a n da f t e re n z y m a t i ct r e a t m e n t ，t h e b e a t i n g d e g r e ed e c r e a s e db y4 5 0 s r ，t h ed y n a m i cd r a i n a g et i m er e d u c e db y2 8s ，t h er e t e t i o n o ff i n e si n c r e a s e db y61 3 3 ，t h ee f f e c to fa k d s i z i n gp r o m o t e dal i t t l e ，a n dt h e b r e a k i n gl e n g t h ，t h eb u r s t i n gi n d e x ，a n dt h et e a r i n gi n d e xi n c r e a s e db y4 6 7 ，2 3 0 2 ， a n d12 9 5 r e s p e c t i v e l y a n a l y s i so ff i b e rq u l i t i e sa n ds u r f a c ep r o p e r t i e ss h o w e dt h a t t h ec o n t e n t so ff i n e sd e c l i n e d ，t h ef i b e rl e n g t ha n dc o a r s e n e s si n c r e a s e d ，t h ec u r li n d e x a b s t r a c t a n dk i n ki n d e xd e c r e a s e d ，t h ed e g r e eo fc r y s t a l l i n i t yr o s e n ，a n dt h ef i b e r i l l a t i o n d e d u c e d t h i r d l y ，t h er e s u l t so fp e c t a s em o d if i c a t i o no nb c t m pi n d i c a t e dt h a tt h eb e s t e f f e c t so fd r a i n a g e ，r e t e t i o na n ds t r e n g t h e n i n gt u r n e do u ta f t e re n z y m a t i cm o d i f y i n gf o r 6 0m i n ，w i t ht h ed o s a g eo f10 0 0 p p m gb dp u l p ，t h ec o n s i s t e n c yo f1 0 ，t h e b e g i n n i n gp hv a l u eo f4 5 ，t h et e m p e r a t u r eo f 4 5 。c a n da f t e re n z y m a t i ct r e a t m e n t ，t h e b e a t i n gd e g r e ed e c r e a s e db y4 5 。s r ，t h ed y n a m i cd r a i n a g et i m er e d u c e db y2 3s ，t h e r e t e t i o no ff i n e si n c r e a s e db y2 4 3 8 ，t h ee f f e c to fa k ds i z i n gp r o m o t e d ，a n dt h e b r e a k i n gl e n g t h ，t h eb u r s t i n gi n d e x ，a n dt h et e a r i n gi n d e xi n c r e a s e db y1 51 ，1 5 31 ， a n d2 6 01 r e s p e c t i v e l y a n a l y s i so ff i b e rq u l i t i e sa n ds u r f a c ep r o p e r t i e ss h o w e dt h a t t h ec o n t e n t so ff i n e si n c r e a s e dal i t t l e ，t h ef i b e rl e n g t hu n c h a n g e d ，t h ef i b e rc o a r s e n e s s i n c r e a s e d ，t h ec u r li n d e xa n dk i n ki n d e xd e c r e a s e d ，t h ed e g r e eo fc r y s t a l l i n i t yr o s e n ， a n dt h ef l o c c u l eo na n db e t w e e nf i b e r sd e d u c e d f i n a l l y ，t h er e s u l t so fc o m p l e xc e l l u l a s e sm o d i f c a t i o no ng r o u n d w o o dp u l p i n d i c a t e dt h a tt h eb e s te f f e c t so fd r a i n a g e ，r e t e t i o na n ds t r e n g t h e n i n gt u r n e do u ta f t e r e n z y m a t i cm o d i f y i n gf o r6 0m i n ，w i t ht h ed o s a g eo f6 0 0 p p m g b dp u l p ，t h e c o n s i s t e n c yo f1 o ，t h eb e g i n n i n gp h v a l u eo f7 0 ，t h et e m p e r a t u r eo f 4 59 c a n da f t e r e n z y m a t i ct r e a t m e n t ，t h eb e a t i n gd e g r e ed e c r e a s e db y4 0 。s r ，t h ed y n a m i cd r a i n a g e t i m er e d u c e db y1 9s ，t h er e t e t i o no ff i n e si n c r e a s e db y4 7 7 4 ，a n dt h eb r e a k i n g l e n g t h ，t h eb u r s t i n gi n d e x ，a n dt h et e a r i n gi n d e xi n c r e a s e db y5 8 7 ，12 8 7 ，a n d 6 0 9 r e s p e c t i v e l y a n a l y s i so ff i b e rq u l i t i e sa n ds u r f a c ep r o p e r t i e ss h o w e dt h a tt h e c o n t e n t so ff i n e si n c r e a s e dal i t t l e 。t h ef i b e rl e n g t hd e c l i n e d ，t h ef i b e rc o a r s e n e s s i n c r e a s e d ，t h ec u r li n d e xa n dk i n ki n d e xd e c r e a s e d ，t h ed e g r e eo fc r y s t a l l i n i t yr o s e n ， t h ef i b e ra b u n d l ea n df i b e rd e b r i sd e d u c e d ，a n ds o m es i n a i ld e n ta n dd e c o r t i c a t i o n a p p e a r e do nf i b e rs u r f a c e k e yw o r d s ：e n z y m a t i cm o d i f i c a t i o n ，d r a i n a g ea n dr e t e n t i o n ，s t r e n g t h e n i n g , s i z ee f f e c t ，f i b e r a n a l y s i s i l 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 论文作者签名： 重故 同期：2 1 1 望年h ；, o h 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，同意学校保留并向困家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名：耋煎 导师签名 日期：墨翌! z 年月兰l 日 眺号年j 月生同 山东轻工业学院硕十学位论文 第1 章绪论 本章首先说明了本论文的研究背景，介绍了纸浆部分抄纸性能及其评价指标 和检测方法，阐述了生物酶在纸浆改性应用中的机理和研究进展，进而提出了本 论文的研究目的和意义，并确定了论文的主要内容。 1 1 研究背景 1 1 1 造纸行业的地位 纸在人类文化、科学、工业、国防和商业等各个方面的发展进程中具有极其 重要的作用，占有重要的地位。通过纸的应用，人类的各种知识得到了更好的记 录和保存，使人类文明和悠久的历史得到了传播，从而推动了人类科学文化和经 济的不断进步和发展。纸已经成为重要的生活资料和生产资料，现代社会的文明 和发展都离不开纸，因此，造纸工业成为关系到国计民生的重要工业，在国民经 济中具有重要地位。在国际上，纸张的消费水平更是代表了一个国家或地区科技 与经济的发展水平i lj 。 1 1 2 我国造纸产业的现状 造纸术是我国古代四大发明之一。但是，自蔡伦发明造纸术以后，由于经历 了历代的封建统治，特别是是帝国主义的侵略和官僚买办阶级的摧残，我国造纸 工业的发展受到了较大的阻碍。新中国成立以后，党和国家非常重视造纸工业的 发展，使造纸工业得到较快发展，特别是改革开放以来，我国造纸工业发展迅猛， 我国已成为世界上纸及纸板生产和消费大国。2 0 0 7 年全国纸和纸板生产企业约有 3 5 0 0 家，全国纸和纸板生产量7 3 5 0 万吨，消费量7 2 9 0 万吨，人均年消费量为5 5 千克。2 0 0 0 - - 2 0 0 7 年生产量年均增长1 3 3 9 ，消费量年均增长1 0 7 2 ，均高 于同期中国国民经济g d p 年均增长率1 2 j 。据工业和信息化部公布的数据显示，2 0 0 8 年我国纸浆( 原生浆与废纸浆) 产量达2 0 5 8 万吨，机制纸与纸板产量达8 3 9 l 万 吨，增长8 7 ，超过美国的7 9 6 0 万吨，超出量为4 3 1 万吨，首次成为世界纸及 纸板生产第一的大国。 目前，中国纸业正经历一个需求量高速增长的时期，而国内造纸原料依赖进 口的情况几乎有增无减，2 0 0 7 年进口木浆8 4 5 万吨，废纸2 2 5 6 万吨，而2 0 0 8 年 进口木浆9 4 6 万吨，废纸2 4 2 0 万吨。要减少对进口原料的依赖，最根本的措施是 加快植树造林，发展林纸一体化项目建设，把发展人工林作为国民经济的基础产 业之一，扩大利用人工林，培育造纸专用速生林，尽力提高国产木浆产量【3 】。 第l 章绪论 1 1 3 高得率浆简介 用机械方法或者机械方法与其他方法相配合制浆，所制得的纸浆相对于化学 法制浆而言，得率要高的多，因此称为高得率浆。根据机械处理的程度不同，高 得率浆可分为机械浆、化学机械浆和半化学浆f l 】。高得率制浆使用化学药品少， 生产过程排放的废液污染负荷轻，产生的b o d 、c o d 比化学浆小的多。发展高得率 制浆既可充分合理地利用森林资源和农副产品，减轻造纸工业对环境的污染，又 可满足产品性能的需要。可见，在环境保护要求愈来愈严格的今天，发展高得率 制浆，更具有现实意义1 4 j 。 以下简要介绍一下高得率浆中的磨木浆、b c t m p 和a p m p 。 ( 1 ) 磨木浆 利用机械方法磨解纤维原料，制取所需要的浆料，这种方法叫做机械法制浆， 所制得的浆料称机械浆。以木材为原料所制得的浆料称为机械木浆或磨木浆【l 4 ，5 j 。 磨木浆在造纸工业中占有重要地位，白色磨木浆主要用于新闻纸，部分用于配抄 胶印书刊纸、低定量涂布纸等，在新闻纸配比中磨木浆一般可以占到7 0 以上。 磨木浆最早以磨石磨木浆为主，随着盘磨技术的发展，越来越多的使用盘磨 机械浆。1 9 6 2 年第一个盘磨机械浆( r m p ) 工厂投产，19 6 8 年第一个预热机械浆 ( t m p ) 生产线在瑞典正式运转。目前，盘磨机械浆的生产量已经超过半数。 磨木浆的优点：生产成本低，不用药品，生产过程简单，成纸吸墨性强、 不透明度高、柔软性好、平滑度高、印刷适应性好、松厚度好；木材利用率高， 成浆得率高达9 5 ，而化学浆得率一般只有4 0 一5 0 ；不需要化学品，对环 境污染小。 磨木浆的缺点：由于纤维是在机械作用下解离，故对纤维的长度有所影响， 导致其成浆纤维短，非纤维组分含量高，导致成纸强度低；由于在制浆过程中， 木素和非纤维素并未除去，致使成纸易发脆返黄，不能长久保存。 ( 2 ) b c t m p b c t m p ( b l e a c h e dc h e m i t h e r m o m e c h a n i c a lp u l p ) ，即漂白化学热磨机械浆 的英文缩写，是8 0 年代在c t m p 制浆方法的基础上发展起来的，是用温和的化学 品浸渍，经精磨、漂白后的一种高得率木浆，得率在8 5 一9 0 吲。 b c t m p 有阔叶浆和针叶浆两大类型，目前，5 2 是用针叶木( 主要树种为云 杉) 生产的，白度约8 0 i s o ，4 8 为阔叶木( 主要树种为杨木、桦木和槭木) ， 白度为8 5 。针叶木的b c t m p 主要用来做卫生纸、面巾纸和绒毛浆产品，可部分 替代漂白化学浆和二次纤维：阔叶木的b c t m p 主要用于新闻纸、书写印刷纸和包 装纸。 b c t m p 的优点1 】：产品质量稳定，减少了使用过程中不必要的麻烦，降低 2 山东轻工业学院硕十学位论文 了化学浆的配抄量；高的游离度，抄造性好，使纸机在生产过程中有良好的运 行性能；具有细小纤维和长纤维的互补作用，使纸张具有好的平滑度、不透明 度、吸墨性、挺度和尺寸稳定性；较高的松厚度，意味着产品用浆量的减少。 b c t m p 的缺点【1 2 1 6 】：比表面积大，羧基含量高，在施胶性能方面与化学浆 存在明显的差异，为获得同样的施胶度需要更多的a k d 用量；容易返黄，不适 合做用来保存时问很长的纸张；能耗高，排放废水负荷高，且含硫化物。 ( 3 )a p m p a p m p 是碱性过氧化氢机械浆( a l k a li n ep e r o x id em e c a n i c a lp u l p ) 的英文 缩写，最早由美国鲍尔公司在1 9 8 9 年6 月的国际机械浆会议上推出，被誉为“9 0 年代最具发展潜力 的制浆工艺【4 , 5 , 1 6 , 1 7 】。它是在b c t m p 基础上发展起来的，同时 汇集了c t m p 、b c t m p 等制浆工艺及设备的优点，将制浆与漂白结合在一起同时完 成，可以生产出优于b c t m p 的纸浆。a p m p 浆料可以用来抄造纸板( 工业包装、液 体饮料及食品包装) 、文化用纸( 新闻纸及各种涂饰原纸) 、吸收类产品( 卫生 纸及绒毛浆产品) 和一些高附加值纸种i l 引。 a p m p 制浆的最大特点就是将制浆和漂白合二为一，制浆的同时完成漂白过 程。a p m p 制浆机理是n a o h 和h ：o ：共同作用的结果，化学反应主要发生在预处理 过程中，碱与木片中的半纤维素发生反应，纤维从次生壁的s 。层与s 。层之问分离。 传统的a p m p 流程设计是在预浸及汽蒸时完成预漂白过程，如果白度要求较高，在 筛选洗涤后再进入漂白塔漂白。过去的观念认为h ：0 ：在高p h 值及高温下分解很快， 不太可能在盘磨内进行漂白，所以最早的漂白流程都是磨浆后进行，或者在预浸 中完成，导致浆料白度不理想。t y r v a i n e n 等在1 9 9 7 年提出了p r ca p m p ( 即盘 磨化学预处理碱性过氧化氢机械浆) 制浆工艺，用盘磨机化学处理进行部分或大 部分漂白反应，提高了化学和机械处理效果，改善了纸浆的光学性能1 4 j 。 a p m p 的特点8 l ：材种适应性强，得率高达8 5 一9 0 ；浆品质高且容 易调节，可以提高纸张的不透明度、松厚度、可压缩性，改善表面强度、吸墨性、 挺度以及尺寸稳定性；投资省，不需单独的漂白车间，运行成本低；纸浆应 用广泛；废水不含硫的化合物，容易处理。 1 2 浆料性能及评价指标 1 2 1 浆料的滤水性能 纸浆滤水性是对水分以液体形态从纸浆中脱除或渗透的难易程度的度量。在 抄纸过程中，纸浆在网上的滤水行为，是造纸机网部工艺计算、脱水元件结构选 型及操作规程制定的主要依据，也是评价纸浆抄造性能的重要参数之一【1 9 】。现在 一般是借助于浆料打浆度( 或游离度) 或使用动态滤水测量装置绘制动态滤水曲线 3 第l 章绪论 来评价纸浆的滤水性能。 ( 1 ) 打浆度 最早被普遍接受，并且至今仍被广泛使用的纸浆滤水性能的评价方法是“肖 伯尔瑞格勒”打浆度法l 旧l 。打浆度又称叩解度，是衡量浆料脱水难易程度的指 标，它综合地反映了纤维被切断、润胀、分丝、帚化和细纤维化的程度，是生产 过程中控制的一项重要技术指标。根据打浆度的高低，可以掌握浆料将来在纸机 网部的脱水速度。随着打浆度的提高，一方面纤维润胀，细纤维化程度增加，纤 维的比表面积增大，滤层较为紧密，孔隙变小；另一方面，细小纤维组分增加， 对滤层孔隙起填充作用，当增加到某一程度后，滤层大部分孔隙被填满，滤水变 差。 一般认为，打浆度越高，纸浆滤水阻力也越大，但两者之间并不是简单的线 性关系1 2 0 1 。虽然随着打浆度的增加，滤水时间增加，在低打浆度范围内，两者之 间几乎成线性关系，但当打浆度提高到某一程度后，滤水时间则急剧增加。2 0 世 纪5 0 年代就有学者研究了打浆度与纸浆过滤阻力之间的关系，结果表明，过滤阻 抗虽有随打浆度增大而增大的趋势，但是并非线性关系，且在高打浆度范围内， 打浆度的微小变化就会引起过滤阻抗的大幅变化【2 。国内学者周庆乐等研究了不 同浆料打浆度同滤水时问的关系，研究指出，虽然各种浆料的滤水时问均随打浆 度的提高而增加，但在低打浆度范围内，增加速率较为缓慢，且接近于线性关系； 而当打浆度提高到一定数值后，随着打浆度的提高，滤水时问将急剧增加，转折 点随浆种的不同而异【2 引。 ( 2 ) 动态滤水时问曲线 影响纸浆滤水性能的因素较复杂，网上纸浆的压头、有效抽吸压头、纸页的 定量、纸浆的浓度、打浆方式、纤维的长宽比、纤维的帚化程度、细小纤维的分 布情况、浆层的湿压缩性能、纸浆在网上的温度、造纸网的结构和添加剂等等， 都会对网上的脱水造成一定的影响1 2 3 1 。由于打浆度是在规定的条件下测定的，该 条件和纸机湿部实际脱水情况相差甚远，对纸浆处理过程来说，它可能是一个重 要的指标，但对于纸机网部滤水性能来说，它并不能反映实际的滤水行为。在纸 浆滤水性能研究发展过程中，一些相应的滤水测定仪相继出现，其中较有代表性 的有动态滤水测定仪。陈海峰等提出用滤水曲线评价纸浆的滤水性能，并测定了 脱墨浆在几种状态下的滤水曲线【2 训。 他们在动态滤水过程中，观察到浆料的脱水分3 个阶段：过滤初期阶段、稳 定过滤阶段和挤压脱水阶段。在过滤初期阶段，纤维沉积层空隙很大，细小组分 基本流失；滤水速度随着纤维沉积层的增加急剧减小；此阶段形成的纤维沉积层 可压缩性可忽略，认为是不可压缩过滤。当纤维沉积层厚度达到临界值后，脱水 过程进入稳定的滤饼过滤阶段。在该阶段，纤维逐层沉积在纤维滤饼上，形成层 4 山东轻工业学院硕上学位论文 状组织结构；细小组分留着率随滤饼厚度增加而变大，并达到最大值。各层纤维 受到其上层的压力，浓度逐渐增大，并达到一定值，该值大小一般由纸浆种类和 压力确定。当所有纸浆浓度都达到此定值时，过滤脱水过程结束。进一步脱水浓 缩，就进入浆层挤压( 压榨) 阶段。在压力的作用下，浆层中的水分被挤出，纸 浆滤饼厚度减小。浆料的最终浓度和脱水速度主要取决于浆种和压力。影响纸浆 滤水性的其他因素很多，如纸浆的温度、过滤介质、浆料浓度、脱水方法及设备 等，但其最终影响结果均表现在滤液通过浆层速度的变化上。 对脱墨浆滤水曲线的测定发现，在沉积浆层厚度达到临界值之前，滤水曲线 基本呈直线关系；提高压力和浓度，可以缩短浆层到达临界厚度的时间，但会对 后续滤水产生不良影响。沉积浆层超过临界厚度，随着浆层厚度的增加和压缩引 起的孔隙率的减小，滤水阻力迅速增长，滤水速度很快减小；在该阶段，过分增 大压力并不利于滤水性的提高。在浆层挤压脱水阶段，提高压力时，滤水速度增 加。 1 2 2 浆料的留着性能 造纸湿部的纸页成型与过滤过程类似，造纸网可以看作是一个连续的过滤器， 在这个网上，纸料中一定比例的固体物留着在网上，其余的固体物随着大量滤液 流走形成了白水。长纤维的留着率通常是很高的，接近1 0 0 ，而细小组分的留 着率仅为3 0 一7 0 。细小组分是能通过2 0 0 目筛网的组分，包括细小纤维和填 料，它们影响纸页的结构、强度和光学性质，如果细小组分的留着率低，还会影 响纸机的运行性、清洁度和化学品的效率，过低的单程留着率会导致纸页横向分 布的不均匀及显著的两面性。实际生产中，细小组分留着率波动很大，有的可 高达9 0 多，有的只有5 0 一6 0 ，甚至更低，为此需要加入大量助留剂以增加 纸页中细小组分的留着，以改善纸机的运行。 ( 1 ) 细小组分的主要留着方式 细小组分在纸页中的留着通过两种机理来实现：机械截留和胶体聚集。在造 纸过程中，胶体聚集是细小组分留着的主要机理，包括细小组分形成的聚集体和 细小组分和纤维形成的聚集体，后者是细小组分吸附在纤维上，与纤维一起在成 形部被截留在纤维形成的浆垫中。造纸过程中应尽量避免纤维与纤维和细小纤维 与细小纤维之间的絮聚，尽量促进细小组分在纸页中均匀分布，否则会造成纸页 的两面性。希望细小组分在纸页中均匀分布的另一个原因是由于化学助剂在细小 组分上的浓度高，为了使化学助剂在纸中均匀分布，也要求细小组分在纸中均匀 分布1 2 5 】。 ( 2 ) 实验室中浆料留着率的测定 实验室中最常用的测定浆料留着率的方法是利用抄片器抄片，通过测定手抄 第l 章绪论 片的绝干质量来计算浆料的留着率，通过测定纸浆、手抄片的灰分和填料的灼烧 减量还可计算出狄分留着率。但是，在普通抄片器中抄片时，浆料的上网浓度、 在网上的湍动程度及真空度均很低，与纸机上纸料的滤水与成型过程相差很大， 所测得的浆料留着率很高，常常不能反映纸料在纸机上的真j 下留着情况，尤其是 与浆料在高速纸机上的留着情况相差更大。利用动态纸页成型器可较好地解决这 些问题，实验室常用动态留着率测定仪( 简称d o j ) 来测定浆料留着率1 2 6 。 2 0 世纪7 0 年代，b r i t t 等提出了一种被称为“动态滤水仪”的实验仪器，用 于在实验室模拟纸机的动态脱水，研究助剂的湿部化学行为【2 。国内隆言泉、谢 来苏教授等首次用动态脱水仪来研究助剂的助留效果1 28 ，2 9 j ，他们认为采用b r i t t 动态脱水仪进行的动态滤水实验是一种评价造纸湿部添加剂助留效果的行之有效 的实验方法，并且通过测定浆料的纸机动态指数和动态滤水实验可有效地预测造 纸助剂在纸机上的助留效果。 1 2 3 浆料的强度性能 浆料的强度指浆料抄成的纸页承受各种机械力时的抵抗力，一般包括抗张强 度、抗撕裂强度、耐破强度等。强度是纸张的一种结构性质，主要取决于纸页中 纤维间的结合情况和纤维本身的性质。 影响纸张强度的主要因素源于纸张原料的构成和生产工艺。纸张原料中的纤 维种类和纤维平均长度、填料的种类和用量、以及抄造浆料的p h 值等，均会影 响纸页的各种强度。从纸页强度形成的角度分析，抄造过程中对纸的强度产生较 大影响的主要有四个方面的因素：一是纤维本身的强度；二是纤维间结合的强度； 三是纤维问结合的数目，即结合面积；四是纤维的分布，即纸页成形情况1 2 引。 打浆主要是通过对纤维间结合的影响来影响纸的性质。对于单根纤维来说， 打浆除了使纤维产生压溃、揉搓、分裂的作用和变化外，打浆过程中还将发生次 生壁中层细纤维的位移、初生壁和次生壁的破除、润涨、细纤维化和切断等五方 面的作用，以上作用使得打浆后纤维的吸水润涨、细纤维化以及比表面积增加， 从而提高纸张的物理强度。但在实际打浆过程中，处理的纤维数量是无法估量的， 由于种种关系，纤维受到的作用是不可能完全一致的和不可准确控制的，造成打 浆不良，产生过多的切断和纤维碎片，降低了打浆对浆料性能改善的效果，特别 是抗撕裂强度i i 】。因此，仅通过打浆不能同时改善纸的所有性质，当同时考虑纸 料的滤水性、纸机操作性能和生产成本时，这种情况会变得更加严重。 解决该问题的一种方法是向浆料中添加化学助剂( 干强助剂) ，如淀粉、聚丙 烯酰胺、植物胶等，它们是通过几种机理发挥增强作用【3 0 j 。首先，这些化学助剂 能够提高纤维间的结合，这是因为淀粉的游离葡萄糖羟基、聚丙烯酰胺的氨基及 植物胶的游离聚甘露糖半乳糖羟基，能够参与纤维表面纤维素分子的氢键结合， 6 山东轻工业学院硕十学位论文 增补纤维间在结合区域自然形成的氢键数目，这是纤维系统的一种“化学水合作 用”。打浆可以水化纤维，但是在这个过程中纤维一般会变弱和变短，基于这一原 因，通常由打浆引起的撕裂强度下降可以利用增干强剂来减轻。第二个机理是改 善纸页成形，这可以提供更均匀分布的纤维间的结合。第三个机理主要是能够提 高细小纤维留着和纸页滤水，以改善湿纸页的固结。 1 2 4 浆料的纤维质量性能和表面特性 植物纤维原料由各种不同类型的细胞组成，其中既有适于造纸的纤维细胞， 也有不利于抄纸的非纤维性细胞。制浆过程中，通过化学或机械的方法去除或克 服细胞间的黏结作用，使细胞分离成纸浆。分离成纸浆的纤维还要根据使用的要 求进行漂白和打浆等处理。这些处理都会对纤维的表面性质具有重大影响1 2 引。 机械浆是利用机械方法磨解纤维原料制成的纸浆，其纤维的化学组分变化很 小，但浆中除长纤维外还有大量的细小纤维和碎片，一般纤维受到的损伤较大， 而且有些纤维是在胞间层分离的，有些则是在初生壁和次生壁之间及次生壁的s l 层和s 2 层之间分离的。在胞问层分离的纤维表面含有大量木素，导致纤维表面的 亲水性较差，但纤维组分的z e t a 电位( 负值) 较高；而在s 1 一s 2 层之间分离的纤 维表面纤维素含量较高，纤维的亲水性较好，但表面z e t a 电位低。总体说来，机 械制浆时内部纤维细胞壁没有被破坏，而木素亲水性较差，因此纤维的润胀性能 不好，打浆只是进一步的纤维间分离，而不是化学浆普遍意义上的打浆。 化学机械法制浆包括化学预处理和机械后处理两个阶段，经化学处理后，由 于软化纤维和溶出部分半纤维素及其半生物组分而在细胞壁和胞间层表面形成小 孔隙，再经机械处理时有更多的纤维从胞间层分离，且水可白d , - 孑l 进入纤维细胞 壁内，增大了纤维的吸收能力，使得化学机械浆比机械浆有更多的柔软长纤维组 分且纤维表面的细纤维化程度更高。但纤维表面的木素含量也较高，使得其表面 z e t a 电位( 负值) 较高。 表面分析技术是研究物质表面的形貌、化学组分、原子结构、原子态、电子 态等信息的实验技术，在制浆造纸研究中的应用日益广泛，其基本原理是利用各 种入射激发粒子( 或场) ，使之与被分析的表面相互作用，然后分析出射粒子( 或 场) ，得到所需要的表面信息【j 。 ( 1 ) 纤维质量分析 纤维形态是植物纤维原料的基本特征之一，因而纸浆纤维的特性将决定纸浆 成纸的性能，经过化学或者机械处理的纸浆纤维质量形态发生的变化，会不同程 度的影响纤维间的结合程度，从而影响纸浆质量。纤维的形态特征包括纤维长度、 纤维宽度、细小纤维含量、纤维粗度指标，除此之外还有纤维的卷曲和扭结。 f q a 纤维质量分析仪( f i b e rq u a l i t ya n a l y z e r ) 是英国哥伦比亚大学和加 7 第1 章绪论 拿大0 p t e s t 公司针对造纸工业的特殊要求而研究开发的，用于纤维形态参数快速 分析与测量的装置。它除了能测量纤维长度及其分布、纤维粗度、细小纤维含量、 针叶木浆阔叶木浆比例外，还具有纤维卷曲( c u r l ) 指数及分布测量，以及纤维 扭结( k i n k ) 指数测量功能。由于采用特别设计的专利超宽流道流动池代替毛细 管，从而避免了堵塞现象，这对测量含有较多纤维束的粗浆和机械浆更为重要【3 2 1 。 纤维质量分析仪的测量原理是采用中心波长6 8 0 n m 的圆形偏振光做为测量光 源。因为主要由纤维素组成的植物纤维具有旋光性，在c c d 摄像机光路上配置的 圆形检偏器的角度经过特殊设计，使它对纤维具有最高的灵敏度，而对空气、填 料、油墨等非旋光性物质不敏感，从而克服它们对测量结果的干扰。纤维图像在 数码c c d 摄像机内直接数字化后再传输到计算机进行处理，从而使传输和处理过 程中的失真减至最小。实时二维图像分析软件将每根纤维从图像信号中识别出来， 逐一测量纤维的形态参数。由于采用了高性能的计算机系统，所以可以迅速准确 地获得纤维形念参数的测量结果。 ( 2 ) x 射线衍射 x 射线经单色化后，通过入射狭缝打在样品上，衍射线通过衍射狭缝被计数 器接收。由于不同物质的x 射线衍射线彼此独立，互不干扰，而且在混合物中每 一组分的衍射