分级浆料悬浮液的脱水

（第一部分----细小纤维的数量及类型对脱水的影响）王艳 编译 岳阳林纸股份公司 湖南 岳阳（414002）

造纸原料中纤维素细小纤维的存在会大大影响脱水速度，有时甚至会限制纸机的整体生产速度。通过在网部和压榨部更有效地脱水，造纸厂可以减少纸张干燥所需的能量。提高机械浆比例，增强磨浆作用，使用未脱墨的回收浆料等都会带来更高的细小纤维含量。解决这些问题对于造纸工厂来说能够提高产能，降低固定成本，带来可观的经济效益。

从20世纪50年代以来，许多重要的理论研究工作已经揭露了影响造纸纤维悬浮液的因素。通过建立模型成功研究了脱水阻力与施胶、表面面积、纤维在湿垫层浆上的伸缩性的函数关系。但这些研究很少涉及到纤维性细小纤维或造纸化学品的影响。最近一份文献认为，对于脱水阻力的传统解释并没有准确地说明纤维性细小纤维含量、浆料浓度、脱水助剂的影响。细小纤维每单位质量的外部表面面积比纤维高很多，这也许能够说明细小纤维对脱水产生影响的原因。如果是那样的话，那么可以采用康采尼卡曼方程来预测细小纤维对脱水速度的影响。然而，这种方法却未能准确地说明增加细小纤维含量和提高定量对脱水阻力的影响。

另外一种解释认为，细小纤维会增加水流通过纤维层的阻力，因为在湿纸幅当中形成了堵塞点。在湿纸幅的脱水过程中，游离的细小纤维有可能会进入到脱水通道里面。这些细小纤维在狭小空间里可能会被捕获，然后对降低流速造成不均匀的影响。

为了解决这些问题，我们检查了两种类型的纤维素细小纤维在重力的影响下对漂白硫酸盐浆纤维悬浮液的影响。

1 实验体系

1.1 材料

我们准备并冷藏了细小纤维和长纤维的独立组分，以备后用。纤维成分是先分散20磅白度为84°、含35%回收浆的静电复印纸，然后采用Bauer-Mc-Nett筛分仪以及100网目的筛子收集起来的（TAPPI T233标准--采用分级法测定浆料纤维长度）。在每处理1批浆料时，筛分仪都刚好运行15分钟，目的是减少总的细小纤维含量。

漂白阔叶木浆料中的原生纤维是以抄片的形式获得的，原料来自于一家美国南部的纸厂。采用一台TAPPI碎解机以15000的转速对浆料进行分散（TAPPIT205标准--用于浆料物理测试的抄片方法）。能顺利通过筛分仪内一台100目筛子的浆料组分被收集在一个大圆桶内。经过一个晚上使固形物完全沉淀，顶部的液体采用虹吸管吸出。接下来将细小纤维悬浮液送到一个较小的容器，进行进一步沉淀和液体虹吸，直到固形物含量达到0.1%左右。

收集上述步骤中留在100网目筛子以上的部分（即R100组分），然后采用实验室的荷兰式打浆机进行集中打浆30分钟时间（TAPPIT200标准--浆料的实验室加工处理法），得到了再生纤维。收集多批磨后悬浮液，放在筛分仪的成浆槽内，并使用200网目的筛子。能够通过筛子的组分收集在大圆桶内，采用上述沉淀办法进行浓缩。

1.2 方法

采用配备了索尼电动DXC-97OMD摄像机的奥林巴斯BH2-UMA光学显微镜拍摄了显微镜图片。每次脱水测试的样品为1000克悬浮液中含5克绝干成分，导电率为1000us/cm。为了达到这个标准，我们准备了一批集中控制的样品，浓度范围在1%-2%之间，来自于复印纸的标准回收浆（R200）。加入了足量的硫酸钠，达到目标导电率。在每次测试之前，对计算出来的纤维悬浮液和细小纤维悬浮液的数量进行混合。

采用巴克曼实验室提供的改良型打浆度仪进行脱水测试。这台设备在每次测试之前进行清洁，并且在出口下面平衡放置一个1000毫升的量杯，测量其毛重。按下活塞将1000毫升的混合物倒到量杯里。松开活塞时，马上开始计时。在开始脱水之后，记录下特定时间（如5秒、10秒、20秒等等）内的滤液质量。使用HFScientific公司（美国弗罗里达）提供的DRT-15CE浊度仪检测滤液浊度。使用同样的混合液样品进行重复测试，在两次检测之间简单地翻转计量瓶得到两个结果。

2 结果和讨论

2.1 细小纤维和纤维的尺寸

原生纤维主要由较为狭长近似长方形的物体组成，长度为30~60μm，宽度为10~30μm（图1A）。外形尺寸和阔叶木韧皮部薄壁细胞是一致的。对漂白阔叶木硫酸盐浆的阔叶木组分进行磨浆得到再生纤维，但是在显微镜中显示不明显。有一部分细小纤维比较纤细透明，低于显微镜的分辨率（约为5μm）。图1B中的大部分可视物体为纤维和原生细小纤维。原生细小纤维在图片中显示得较模糊，说明没有充分溶解。图1C为静电复印纸分级筛选得到的典型纤维形态。

图1从未磨BHKP浆得到原生纤维（A），从磨后BHKP浆中得到再生纤维(B),未印刷的静电复印纸经过碎浆和分级筛选的纤维（C）的光学显微镜图。

表1细小纤维和纤维样品的特性

表1说明了使用纤维质量分析仪（FQA）的图像分析结果。原生细小纤维的尺寸数据表明了纤维大都为长方形，与图1A是吻合的。尤其是阔叶木浆料较短的矩形薄壁细胞非常明显。与之相反，再生细小纤维的最大长度大很多，但是有些宽度却大大小于原生纤维。从静电复印纸碎浆得到的纤维组分采用纤维质量分析仪的结果属于典型的阔叶木硫酸盐纤维为主组成的浆料配比的结果。

图2对1000mL浓度为0.5%的浆料样品进行重力脱水，含不同比例的可滤固形物的原生纤维（上）和再生纤维（下）随时间变化的滤液质量。

图3对1000mL浓度为0.5%的浆料进行重力脱水得到500mL或800mL滤液需要的时间。原生纤维（方框）或再生纤维（圆形）的含量为30%。

2.2 细小纤维对脱水的影响

图2A和2B说明了重力脱水对原生纤维和再生纤维的依赖性。如图2A所示，在细小纤维占总质量的30%或以上之前，原生纤维并没有明显影响到悬浮液的游离度。细小纤维含量对于脱水的影响并不成线性关系。例如，原生细小纤维的比例为60%的时候，对脱水的影响程度远远大于原生细小纤维比例为30%时对脱水造成的影响的两倍。

细小纤维含量对脱水阻力的非线性影响与之前的研究成果一致，但是与直接应用康采尼卡曼方程的计算结果不同。对于这些结果的一种尝试性解释可能是未附着的细小纤维在湿纸幅中发生了迁移，被捕获后在纸幅中形成了堵塞点。

经过对图2上和图2下的对比发现，再生细小纤维对脱水的影响大于原生细小纤维。这种结果与之前的研究结果是相同的。脱水的速度随着时间的推移而下降，下降程度比静压头下降的程度更大。图2中的质量-时间趋势图的曲线走向可以说明这种对时间的非线性依赖性。康采尼卡曼方程预测了当混合物浓度改变时，特别是接近每次脱水测试结尾时的非线性影响。甚至在脱水实验的初始阶段就发现了较大的曲度，特别是再生纤维含量占30%甚至更高时。

图3表明了这些数据当中其他的非线性关系。图3（上）说明了对于不同的细小纤维含量收集500g滤液所需的不同时间。图3（下）比较了从含有不同数量的细小纤维中收集800g滤液所需的时间，得到了更大程度的非线性关系。即使是原生纤维，对脱水的阻力也随着细小纤维含量的比例而增长。

为了量化这种非线性关系，图4展示了与再生纤维相关的计算出的拟合数据。圆形符号代表了收集图2（下）中提到的300g滤液所需的时间。为了计算这个拟合值，我们假定收集特定滤液所需的时间可以用作计算脱水阻力的衡量标准。假定脱水阻力R与细小纤维含量F有关，其依据如下：

在式中，A和B是常数，n是一个指数。常数A与细小纤维对流量阻力的贡献有关，常数B与纤维造成的流量阻力有关，如图4所示，当指数为2.15时得到了合适的拟合修正数据。拟合因子A和B对应的的数值分别是0.027和0.0351。

2.3 浊度测试结果

浊度测试的结果证实了以上解释。可以解释这一现象的机理包括纤维垫层浆对纤维素纤维的过滤。因为再生细小纤维一般比较细长，所以我们认为随着再生细小纤维含量的提高，垫层浆作为过滤介质的作用将会更大。

图5说明了滤液的浊度对每种类型的细小纤维含量的非线性依赖关系。如果是原生纤维的话，浊度随细小纤维含量增加而提高，直到含量达到30%为止，随后是一个较缓和的上升坡度。而对于再生纤维，当细小纤维含量达到20%以后，滤液浊度基本上就不太继续上升。但是例外的是，当样品中含有60%的再生纤维时，浊度进一步上升比较明显。细小纤维含量为60%时的影响是因为长纤维含量非常低，降低了长纤维垫层浆的厚度，影响了过滤。

图4从含不同比例再生纤维的浆料中收集300g滤液的拟合指数和线性趋势。

图5细小纤维对与滤液浊度的影响，通过对含有原生纤维（方框）或再生纤维（原形）的纤维素纤维悬浮液进行重力脱水得到的滤液。

3 结论

在这个研究当中，我们发现在纤维悬浮液当中添加原生细小纤维和再生细小纤维会提高对重力脱水的阻力。这种影响是一种非线性的关系：当添加量达到20%的原生细小纤维或者5%的再生细小纤维时，对于改良游离度仪脱水试验只有很小的影响。更大程度地提高良种细小纤维的比例都会显著地降低滤水速度。对漂白阔叶木硫酸盐浆进行磨浆得到的再生纤维，与未磨浆的漂白阔叶木硫酸盐浆中得到的原生纤维相比，对于脱水的影响相对更大。从再生细小纤维中得到的脱水试验的数据可以通过一个指数方程进行拟合。收集特定数量的滤液的时间和细小纤维含量的指数2.15成一定比例。结果表明：再生细小纤维可以作为机械滤水的有效助剂。（编译自《TAPPI Journal》July,2008）