機(jī)械精漿處理對竹材化學(xué)熱磨機(jī)械漿性能的影響研究

每次取30.0 g的紙漿（絕干質(zhì)量，下同），調(diào)整漿濃為10%，通過改變PFI磨漿機(jī)的磨漿轉(zhuǎn)數(shù)，分別得到打漿度為30、40、50、60 °?SR的漿樣，冷藏備用。

取2.0 g的紙漿用水稀釋到1 000 mL，攪拌均勻后轉(zhuǎn)移至配置有40目篩網(wǎng)的動(dòng)態(tài)濾水儀中，在轉(zhuǎn)速700 r/min下攪拌一定時(shí)間后開啟放液閥，測定120 s內(nèi)流出的濾液質(zhì)量。一定時(shí)間內(nèi)獲得的濾液質(zhì)量越大，紙漿濾水性能越好。

取1 000 mL清水測試，濾液濃度為0。取2.0 g的紙漿用水稀釋到1 000 mL，攪拌均勻后轉(zhuǎn)移到配置有40目篩網(wǎng)動(dòng)態(tài)濾水儀中，在運(yùn)行30 s后，加入10 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.04%的CPAM溶液，在轉(zhuǎn)速400 r/min下攪拌30 s后，開啟放液閥，直至濾水質(zhì)量達(dá)300 g，測量得到細(xì)小纖維的留著率。

稱取1.0 g的紙漿，加水稀釋到漿濃2%，磁力攪拌5 min，然后將漿料在3 000 r/min下離心30 min，取10 mL上層清液，以質(zhì)量濃度0.001 mol/L的聚二甲基二烯丙基氯化銨（P-DADMAC）為標(biāo)準(zhǔn)陽離子溶液，采用顆粒電荷滴定儀測定其中的溶解電荷。

首先將一定量的紙漿充分疏解，然后稀釋至漿濃約0.4%，取500 mL紙漿懸浮液，采用Zeta電位儀測定紙漿的Zeta電位。

采用電導(dǎo)滴定法進(jìn)行測定^[8]。準(zhǔn)確稱取3.0 g的紙漿，在100 mL的0.1 mol/L HCl溶液中浸泡2次，在磁力攪拌下每次浸泡45 min。然后，用去離子水洗滌至電導(dǎo)率穩(wěn)定。過濾，把漿樣分散到450 mL的0.001 mol/L NaCl溶液中，在氮?dú)猸h(huán)境和磁力攪拌下，用0.1 mol/L NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液在0.5 mL/5 min的速度進(jìn)行滴定。用電導(dǎo)率儀記錄滴定曲線，最后用去離子水洗滌漿料，并干燥至質(zhì)量恒定?；撬峄汪人峄康挠?jì)算分別見式(1)和式(2)。

式中，c₁表示HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；V₁表示加入HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；c₂表示NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；V₂表示第一個(gè)等當(dāng)點(diǎn)消耗NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；V₃表示第二個(gè)等當(dāng)點(diǎn)消耗NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；m表示漿樣絕干質(zhì)量，g。

取0.5 g的紙漿，放入帶有濾網(wǎng)的離心管中，在轉(zhuǎn)速5 080 r/min下離心15 min，取出漿料進(jìn)行稱量，然后放入烘箱中干燥6 h至質(zhì)量恒定。每個(gè)漿樣同時(shí)測定2份，以算術(shù)平均值表示結(jié)果，保水值具體計(jì)算見式（3）。

式中，m₁為離心后濕漿質(zhì)量，g；m₂為絕干漿質(zhì)量，g。

稱取約1.0 g的紙漿，用1 000 mL去離子水充分分散，然后利用纖維形態(tài)分析儀測定紙漿纖維的平均長度、寬度和數(shù)均細(xì)小纖維含量。

取一定量的紙漿纖維，將其加入2 000 mL蒸餾水中，用纖維解離器充分疏解3 min。隨后，取出10 mL的紙漿懸浮液置于樣品瓶中，晃動(dòng)分散均勻后，取1滴混合液置于載玻片上，并利用偏光顯微鏡進(jìn)行觀察。

為了減少細(xì)小纖維的流失，抄造過程中將產(chǎn)生的白水進(jìn)行3次循環(huán)使用，最后1次循環(huán)獲得的紙張為最終的紙樣，然后在95 ℃下干燥5 min，將紙張?jiān)诤銣睾銤駰l件下放置24 h后進(jìn)行性能測定。所抄紙張定量為80 g/m²。

紙張厚度采用肖波爾式厚度儀測定，并結(jié)合定量計(jì)算紙張的松厚度；紙張抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)分別按照GB/T 12914—2018 、GB/T 455—2002、GB/T 1539—2007進(jìn)行測定；采用濕抗張強(qiáng)度儀測定紙張的初始濕抗張強(qiáng)度，測試前調(diào)整紙張干度為25%。

本研究根據(jù)漿料在DFR-05動(dòng)態(tài)濾水儀中120 s內(nèi)的濾水質(zhì)量表征其濾水性能，過濾水的質(zhì)量越大說明紙漿的濾水性越好。圖4為不同打漿度下竹材CTMP的濾水性能。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著紙漿打漿度的增加，紙漿的濾水速度明顯下降。在打漿度為15 °SR時(shí)，在6 s內(nèi)的濾水質(zhì)量達(dá)780 g，而打漿度50 °SR時(shí)，70 s濾水質(zhì)量才達(dá)800 g。這是因?yàn)殡S著打漿度的提高，細(xì)小纖維含量增加，水流過纖維表面時(shí)，將細(xì)小纖維固著在纖維表面，細(xì)小纖維對纖維間過濾孔隙造成了堵塞，增加了固形物的總持水量，從而增加了濾水阻力，減少了自由濾水的面積；雖然原漿的濾水性最好，但是濾水速率過快會(huì)影響細(xì)小組分在紙幅中的留著以及紙張的成形^[7]。

圖4  不同打漿度下竹材CTMP的濾水性能

Fig. 4  Drainability of bamboo CTMP with different beating degree

圖5為不同打漿度下竹材CTMP漿的細(xì)小纖維留著性能。從圖5可以看出，原漿的細(xì)小纖維留著率為93.5%，當(dāng)對其進(jìn)行機(jī)械精漿處理至打漿度為30 °?SR時(shí)，細(xì)小纖維留著率為95.1%，當(dāng)打漿度為40 °SR，細(xì)小纖維的留著率進(jìn)一步提高到96.0%。雖然隨著機(jī)械精漿程度的增加，竹材CTMP的細(xì)小纖維含量增加，但細(xì)小纖維的留著率也隨之增加，有助于纖維間的結(jié)合和紙張強(qiáng)度的提高。

圖5  不同打漿度下竹材CTMP的細(xì)小纖維留著性能

Fig. 5  Fines retention of bamboo CTMP with different beating degree

紙漿的濕部電荷特性會(huì)嚴(yán)重影響濕部化學(xué)助劑的使用以及紙機(jī)的運(yùn)行與紙張質(zhì)量。紙漿中的溶解性物質(zhì)主要來自制漿過程中產(chǎn)生的木質(zhì)素衍生物、部分降解的半纖維素、脂肪酸、樹脂酸以及少量果膠類物質(zhì)。圖6為不同打漿度下竹材CTMP的溶解電荷量和Zeta電位。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著竹材化機(jī)漿打漿度的增加，紙漿的溶解電荷量隨之增加，打漿度由15 °SR增加至40 °SR時(shí)，紙漿溶解電荷量增加了51.7%。此時(shí)，紙漿Zeta電位絕對值從75.4 mV下降至53.2 mV，下降了29.4%，表明在機(jī)械精漿過程中有部分陰離子性可溶性物質(zhì)和膠體類物質(zhì)溶出。本研究采用的紙漿為竹材CTMP漿，是經(jīng)過磺化處理的漿料，因此這些溶解電荷可能來源于磺化的木質(zhì)素、部分溶解的半纖維素以及由膠體轉(zhuǎn)化為溶解物的脂肪酸和樹脂酸等，其經(jīng)過機(jī)械攪拌進(jìn)而溶出到水相中。

圖6  不同打漿度下竹材CTMP的溶解電荷量和Zeta電位

Fig. 6  Dissolved charge and Zeta potential of bamboo CTMP with different beating degree

通常，隨著機(jī)械磨漿處理程度的增加，紙漿的Zeta電位會(huì)隨之升高，但本研究中隨著紙漿打漿度的增加，竹材CTMP的Zeta電位絕對值卻隨之下降。機(jī)械磨漿對紙漿Zeta電位的影響通常有2種情況，當(dāng)磨漿作用使部分陰離子性的物質(zhì)進(jìn)入液相，并在纖維表面出現(xiàn)部分再吸附，使纖維表面電荷增多，進(jìn)而使得紙漿纖維的Zeta電位增加；另一方面，當(dāng)紙漿纖維受到電中性的溶劑化作用增強(qiáng)，在纖維周圍形成1個(gè)厚層，使離子化層的運(yùn)動(dòng)困難，造成紙漿纖維的Zeta電位下降。

表1為不同打漿度下竹材CTMP纖維的磺酸基和羧基含量。由表1可知，隨著打漿度的增加，紙漿纖維的磺酸基和羧基含量逐漸下降，這與傳統(tǒng)的化學(xué)漿打漿對紙漿酸性基團(tuán)的含量影響不同。但此結(jié)果與前面機(jī)械精漿對竹材CTMP溶解電荷和Zeta電位的影響結(jié)果相符，也即隨著機(jī)械磨漿程度的增強(qiáng)，大量的磺酸基和羧基溶出到水相中，溶解電荷增加，但該部分酸性基團(tuán)并沒有產(chǎn)生在纖維上的再吸附，因此，測得的紙漿纖維Zeta電位和磺酸基以及羧基含量下降。