采用坐标综合评定法优化相思木硫酸盐法制浆工艺

熊学东　石海强,2,3,*　曹　楠　朱　宁　张　健　李　娜　牛梅红　平清伟

(1.大连工业大学轻工与化学工程学院,辽宁大连,116034；2.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,

广东广州,510640；3.齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术教育部重点实验室,山东济南,250353)



研究论文

采用坐标综合评定法优化相思木硫酸盐法制浆工艺

熊学东1石海强1,2,3,*曹楠1朱宁1张健1李娜1牛梅红1平清伟1

(1.大连工业大学轻工与化学工程学院,辽宁大连,116034；2.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,

广东广州,510640；3.齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术教育部重点实验室,山东济南,250353)

摘要：在正交实验的基础上,结合抄纸实验,运用坐标综合评定法确定了相思木硫酸盐法制浆的最佳蒸煮条件。实验结果表明,在用碱量15%(以Na2O计)、硫化度30%、液比1∶4、蒸煮最高温度165℃、升温时间60 min、保温时间120 min的条件下进行硫酸盐法蒸煮,所得纸浆得率52.25%,卡伯值17.9,黏度987.3 mL/g,裂断长9.32 km,抗张指数93.6 N·m/g,撕裂指数10.0 mN·m2/g,耐破指数5.34 kPa·m2/g。

关键词：坐标综合评定法；相思木；硫酸盐法制浆

在正交实验设计中,对于单指标实验,通过直观分析法可简便快速得出结果；而对于多指标正交实验，则常要用综合平衡法和综合评分法。综合平衡法虽然能清晰反映各因素对指标的影响,但在综合平衡时往往较为困难,同时也无法解决复杂的多指标问题。综合评分法由于指标之间性质不同,在对指标的认同上,一般无法给出统一的评分体系和合理的评分度量,再加上权重因素的影响,使各次实验的评分之和不能正确反映全面情况,分析结果可靠性低[1]。此外,综合平衡法与综合评分法并不等价,所得结果不一定相同,有时甚至需要进一步实验才能确定较优的水平,而且,多指标正交实验的计算量较大。

去量纲法是在实践中使用较多的一种综合评价法,首先对所有的评价指标进行无量纲化处理,将其转化为无量纲、无数量级差别的标准分,然后进行分析评价。坐标综合评定法就是去量纲综合评价法的一种,是应用多维空间理论,将评定对象看作由多向量所决定的空间点,以各点与最佳点的距离对各点进行比较和评价,可对多个不同量纲的指标进行综合评价。在使用坐标综合评定法时,通过把原始数据矩阵换算成坐标形式，然后进行评判比较,计算简单、精确，在解决定量综合评判多性状类别优劣问题上具有很大的实用价值[2-3]。

相思木具有蒸煮用碱量较低、药液渗透容易、粗浆得率较高等特点。相思木纤维长度较短,有利于打浆和强度性能的提高,较小的纤维粗度使其单位质量的纤维数量较多,可有效改善纸张匀度、表面性能和印刷性能[4-5],适于生产高档文化用纸。

在对制浆工艺进行优化时,既要考虑原料的制浆性能,还需考虑纸浆的强度性能。本实验以相思木为原料,在采用正交实验对相思木硫酸盐法制浆工艺进行初步优化的基础上,结合打浆抄纸实验,运用坐标综合评定法研究确定了相思木硫酸盐法制浆的最佳蒸煮条件,为相思木硫酸盐法制浆提供了理论依据与参考。

1实验

1.1原料

实验用相思木片取自山东亚太森博浆纸股份有限公司,产地越南,保存期半年。经人工筛选得到合格木片,装袋平衡水分后备用。取部分木片经粉碎机磨制成木粉并过40～60目筛,进行原料分析。

1.2实验方法

采用ZQS1-15型电热回转蒸煮锅(陕西科技大学机械厂)进行蒸煮,每锅内置4个小罐,每小罐内装100 g绝干木片。将木片与蒸煮药液装入小罐后,先空转10 min,升温至40℃时开始计时,105℃时小放气1 min,继续升温至蒸煮最高温度后保温到指定时间。采用P40170筛浆机(奥地利Laborausrustung,筛缝0.30 mm)进行筛浆。采用PFI磨浆机(西班牙IDMtest)进行打浆,打浆度45°SR。采用ZQJ1-B-Ⅱ型快速纸张抄取器(陕西科技大学机械厂)抄制手抄片,定量60 g/m2。

1.3分析方法

原料水分参照GB/T2677.2—1993方法测定；灰分参照GB/T2677.3—1993方法测定；苯-醇抽出物含量参照GB/T2677.6—1994方法测定；Klason木素含量参照GB/T2677.8—1994方法测定；酸溶木素含量参照Tappi method 250方法测定。

纸浆黏度参照GB/T1548—1989(铜乙二胺法)标准,采用北欧标准黏度计及超级恒温水浴(DFY-5型)进行测定；卡伯值参照GB/T1546—1989进行测定。

纸浆纤维平均长度、纸张耐破度、纸张抗张强度和撕裂度分别采用FS300纤维分析仪(芬兰Metso公司)、纸张耐破度测定仪(F18.53400)、纸张抗张强度测定仪(F81.50201)和纸张撕裂度测定仪(F53.98401,德国Frank-PTI GmbH)进行测定；纸张白度和不透明度采用CTP-ISO白度色差仪(美国Technidyne公司)进行测定。

1.4数据评价方法

数据评价基本步骤：

(1)将实验所得原始数据列成原始数据矩阵,以(Aij)表示；

(2)将矩阵中每个数据与该列数据中最大值数据(或最小值数据)进行比较,求出比值,即aij=Aij/Amax(或Amin/Aij,如果该项指标取较小值为最优，则此值为Amin/Aij),由此可得出相应矩阵数据的相对值,其结果称为矩阵坐标(aij)；

(1)

(4)按照式(2)求矩阵中各数据点到标准点间距离的和Si(为计算方便,取距离平方和进行计算)；

(2)

(5)将计算值Si由小到大排列,以最小者为优[6]。

式中，K为权重系数,根据各指标重要性的不同而评定的系数；i为不同指标；j为不同评价类型；n为数据个数。

需要说明的是,使用该方法获得的实验结果并不代表该实验条件下的绝对数值,而是对所研究的不同蒸煮实验条件下纸浆或纸张性能相对优劣的比较。

2结果与讨论

2.1相思木化学组分

相思木主要化学组分如表1所示。

表1　相思木化学组分　%

2.2正交实验优化蒸煮工艺

结合查阅的有关资料[7-9]、本实验所用原料相思木的化学组分(见表1)以及阔叶材制浆的相关理论分析,初步选定蒸煮最高温度为160、165和170℃,液比1∶4,保温时间为60、90和120 min,用碱量(以Na2O计)分别为15%、20%和25%,硫化度分别为20%、25%和30%。进行L9(34)正交实验,实验结果如表2所示,正交实验的极差分析见图1、图2和图3。

由表2及图1、图2和图3可以看出,蒸煮最高温度、保温时间、用碱量和硫化度对蒸煮都有较大影响。

(1)蒸煮最高温度的影响。随着蒸煮温度的提高,粗浆得率由160℃的50.6%升至165℃的52.1%,然后下降为170℃的50.9%,而卡伯值先从160℃的25.0突降至165℃的16.9,然后缓降至170℃的15.1。由此可以看出蒸煮最高温度不宜超过170℃,因为此时纸浆的卡伯值尽管有所下降,但粗浆得率却发生了较大的损失；对于细浆得率,蒸煮最高温度同样不宜超过170℃。

(2)保温时间的影响。保温时间对粗浆得率的影响是先降低后升高,这是由于随着保温时间延长,木素脱除更充分,同时,可能有少量碳水化合物发生降解,故蒸煮得率降低；但保温时间延长后,粗浆得率又有一定的升高,这可能是因为部分已成为碎片的木素发生了缩合反应,并与碳水化合物生成对碱较为稳定的化学键连接[10]；另外,保温时间延长有利于木素脱除,故卡伯值随着保温时间延长而逐渐降低

表2　相思木硫酸盐法蒸煮正交实验结果及极差分析

注蒸煮液比1∶4。

图1　不同因素及水平对相思木硫酸盐法制浆粗浆得率的影响

图2　不同因素及水平对相思木硫酸盐法制浆细浆得率的影响

图3　不同因素及水平对相思木硫酸盐法制浆卡伯值的影响

(由25.1降至17.7),但降低趋势逐渐减小(由17.7降为14.3)。

(3)用碱量的影响。随着用碱量增加,粗浆得率呈先降低后提高的趋势,由53.3%降至50.0%,而后又有所提高。理论上看,随着用碱量增加粗浆得率应该持续降低,但经反复实验发现,粗将得率变化趋势基本相同,即降低后又有提高,具体原因有待进一步实验探究。对于细浆得率,随着用碱量增加而先增加后降低,但增加或降低幅度都较小；尽管在用碱量为20%时蒸煮最为均匀充分,但与其他用碱量条件时所得结果相差不大。卡伯值受用碱量的影响最大,随着用碱量增大,卡伯值先急剧降低(由28.7降至16.2),随后下降幅度减缓(后缓降至12.1)。值得注意的是,本实验中最高用碱量为25%,若继续增大用碱量,虽有利于木素脱除,但同时也会造成碳水化合物降解程度增大,使纸浆得率大幅降低[11]。

(4)硫化度的影响。在其他条件相同时,适当提高硫化度可以提高纸浆得率,但卡伯值会略有增大(由16.9增至17.5),说明脱木素效果有所下降,这是因为在其他条件相同时,提高硫化度就意味着用碱量相对减少,导致蒸煮液中有效碱浓度降低,不利于木素脱除,使卡伯值又有上升的趋势[12]。由图1及极差分析可知,当蒸煮最高温度为165℃、保温时间为120 min、用碱量为15%时,硫化度为30%能获得最高的粗浆得率；由图3和极差分析可以看出,当蒸煮最高温度170℃、保温时间120 min、用碱量25%时,硫化度为30%能够获得较低的卡伯值,但此时纸浆得率并不高,小于47.0%(仅为46.9%,未列入表中)。

结合以上分析,根据正交实验的结果与极差分析,综合考虑纸浆得率与卡伯值(目标值为小于20),初步选定了能够满足预期目标要求的4组蒸煮实验条件,这4个蒸煮条件下成浆的主要指标如表3所示。

表3　符合预期目标要求的硫酸盐法蒸煮条件及实验结果

表4　抄纸实验所得纸张的主要强度性能指标

注10#～13#浆料的打浆转数分别为16500、15000、15000、16500转。

2.3优化条件下纸张的强度性能分析

为了进一步验证实验结果,同时选出最优条件,采用正交实验优化出的4组实验条件(见表3)进行了打浆抄纸实验,结果见表4。

一般情况下,抗张强度最重要的影响因素是纤维

间的结合力及纤维自身强度,而纤维长度并不是最重要的影响因素,如提高打浆度会增加纤维结合。轻微打浆会使成纸撕裂度提高,但随着纤维细纤维化程度加剧,成纸紧度和抗张强度提高。耐破度主要与纤维平均长度和纤维结合力有关,纤维平均长度及纤维结合力大,成纸耐破度通常也较高,而浆料的机械处理方式以及打浆程度都直接影响纤维长度及纤维间的结合力。提高打浆度会使成纸耐破度增大,但若打浆度过高,耐破度反而下降。耐破度是纸张很多强度性能的综合反映,与抗张强度、伸长率和撕裂度都互有影响。影响纸张不透明度的主要因素是纤维结合力。打浆度较高时,干燥过程中纤维结合更紧密,纤维间的间隙更少,使光线的散射光减少,通过的光线较多,纸张透明性增大,不透明度降低[13-15]。

从表4可以看出,实验结果基本符合上述规律。4种蒸煮工艺条件下,10#～13#所得纸浆的细浆得率缓慢增加；10#卡伯值最低,12#卡伯值最高,黏度与之相同。对于所抄造的手抄片,13#成纸抗张指数(93.6 N·m/g)最高,12#、11#、10#成纸抗张指数依次减小。而撕裂指数最低为9.36 mN·m2/g(12#实验),最高达10.2 mN·m2/g(11#实验)。因此,由以上数据分析可以看出,单就某一个指标而言,每组实验都有可取之处,从直观上看,不易确定最佳蒸煮条件。故可采用坐标综合评定法分别从成浆主要性能指标、成纸强度性能指标以及二者的综合指标来分析判断最佳蒸煮条件。

2.4坐标综合评定法优化蒸煮工艺

根据以上实验结果分析,从蒸煮性能和成浆强度指标这2方面选择蒸煮得率、成浆卡伯值、黏度以及3个成浆强度性能指标,采用坐标综合评定法[16-17]对相思木硫酸盐法制浆的蒸煮条件进行综合评价,评价结果见表5。

表5　坐标综合评定法对相思木硫酸盐法制浆数据的处理

表6　相思木硫酸盐法制浆条件的坐标综合评定

表7　相思木最佳硫酸盐法实验蒸煮条件

采用坐标综合评定法对蒸煮条件进行评价时,根据Si值进行判断,Si值越小,综合制浆性能越好。从表6可知,对于蒸煮性能,10#实验的Si值最小(0.6759),说明其蒸煮工艺条件最好,13#实验次之,11#实验较差,12#实验最差；但对于成纸强度性能,13#实验的Si值最小(0.0113),成纸强度性能指标最好,11#实验次之,12#实验较差,10#实验最差。而从制浆造纸综合性能考虑(即考虑综合Si),13#实验的综合Si值(1.7217)最小,说明其制浆条件对成浆性能及成纸强度性能指标的综合效果最好；而12#实验的综合Si值(3.1726)最大,实验的综合性能指标最差。综合以上分析结果,最后选定相思木硫酸盐法制浆的最佳蒸煮条件为13#实验,实验条件见表7。在该实验条件下制备硫酸盐相思木浆,成浆得率52.25%,卡伯值17.9,黏度987.3 mL/g。该纸浆打浆至45°SR后抄制手抄片,成纸抗张指数93.6 N·m/g,撕裂指数10.0 mN·m2/g,耐破指数5.34 kPa·m2/g。

3结论

3.1以相思木为原料,以蒸煮最高温度、保温时间、用碱量和硫化度为研究因素,采用正交实验优化出硫酸盐法制浆的4种蒸煮工艺条件,在这4种蒸煮工艺条件下,可生产出卡伯值介于11.9～19.8、纸浆得率介于48.92%～52.25%的未漂硫酸盐相思木浆。

3.2采用坐标综合评定法优选出未漂硫酸盐相思木浆的最优蒸煮工艺条件：蒸煮最高温度165℃,液比1∶4,升温时间60 min,保温时间120 min,用碱量(以Na2O计)15%,硫化度30%。在此条件下制浆,纸浆得率为52.25%,成浆卡伯值17.9,黏度987.3 mL/g。将该纸浆打浆至45°SR后抄制手抄片(定量60 g/m2),抗张指数93.6 N·m/g,撕裂指数10.0 mN·m2/g,耐破指数5.34 kPa·m2/g。

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(责任编辑：王岩)

Application of Comprehensive Coordinate Method to Optimize Kraft Pulping Process of Acacia Wood

XIONG Xue-dong1SHI Hai-qiang1,2,3,*CAO Nan1ZHU Ning1ZHANG Jian1LI Na1NIU Mei-hong1PING Qing-wei1

(1.SchoolofLightIndustry&ChemicalEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian,LiaoningProvince, 116034；2.StateKeyLabofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510640; 3.KeyLabofPulpandPaperScience&TechnologyofMinistryofEducation,QiluUniversityofTechnology,Ji’nan,ShandongProvince, 250353)

(*E-mail： shihq@dlpu.edu.cn)

Abstract：Based on the results of orthogonal experiment of kraft cooking of acacia wood as well as beating and paper-making experiments of the resultant pulp, the comprehensive coordinate method was applied to optimize cooking conditions of acacia wood. The results showed that at the conditions of alkali charge(Na2O)15%, sulfidity 30%, liquor to wood ratio 1∶4, the max temperature 165℃, time to the max temperature 1 h, time at the max temperature 2 h, acacia wood kraft pulp with yield 52.25%, Kappa number 17.9, viscosity 987.3 mL/g, breaking length 9.32 km, tensile index 93.6 N·m/g, tearing index 10.0 mN·m2/g and bursting index 5.34 kPa·m2/g was obtained.

Keywords：comprehensive coordinate method； acacia wood； kraft cooking

中图分类号：TS743+.1

文献标识码：A

文章编号：1000- 6842(2016)01- 0001- 06

作者简介：熊学东,男,1989年生；在读硕士研究生；主要研究方向：木质纤维组分分离与高值化利用。*通信联系人：石海强,E-mail：shihq@dlpu.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金项目(31470603)；国家重点实验室基金项目(201449)；教育部重点实验室基金项目(KF201200)；辽宁省百千万人才工程资助项目(2014921064)。

收稿日期：2015- 06- 05