制浆工艺教材

职训讲义1第一章浆纸业工程说明1.1纸的重要性：在现代生活中纸与纸产品对每个人的重要性是显而易见的，还没有哪一种制品对人类活动的各个领域比她有更深远的地作用了。纸和纸板，储存和传播信息的手段；实际上所有书写和印刷任务都是纸张承当的，它是应用最广泛的包装材料，而且是重要的建筑材料。纸和纸产品的用途实际上是无限的，新的专用产品不断地开发。与此同时，造纸工业也觉察到了来自其它方面（特别是塑料和电子媒体）对传统上由纸张占领的市场的入侵和挑战。值得提出的是，由于新技术和新方法的不断扩大造纸工业会有更大的市场。1.2纸、纸浆和纸板的定义：纸张传统上的定义是，纤维水悬浮液在一个细筛网上所形成的粘连状薄片。除了大多数纸张含有非纤维性辅助（添加剂）外，目前纸产品一般与该定义是相符合的。干成型方法只用于制造少数特种纸产品。纸浆是抄纸的纤维原料。纸浆纤维通常来源与植物，其它如动物，矿物或化学合成的纤维也可以用于特定场合。用化学药品加工形成非纸张类产品的纸浆称为溶解浆。纸和纸板之间的区别主要在于产品的厚度和定量，通常将所有超过0.3mm厚度的薄片归入纸板类；但也有不少例外使这样的区别有些模糊化。1.3制浆造纸技术发展简史：古埃及人通过锤打和压合植物茎（芦苇状植物纸莎草）的薄片，制成世界上第一张书写用的材料，但它没有像真正抄纸那样完全的纤维解离作用。早在公元100年，我们的祖先首先利用竹子和桑树纤维悬浮液进行了真正意义上的纸张抄造（公元105年，东汉蔡伦发明用破布，鱼网，废麻等原料造纸）。随后我们的祖先将抄纸工艺发展成为一项高度熟练的技术。在经历数个世纪后，造纸技术传入中东，稍后抵达欧洲，在欧洲，棉麻破布成了主要原料。15世纪初，在西班牙，意大利，德国和法国有许多纸厂。制浆造纸历史发展的若干重要里程碑见下表。这些发明及其研制的模型机奠定了现代造纸工业的基础。在20世纪这类早期的和相当原始的技术有了迅速的革新和改进，并开发出了诸如连续蒸煮，连续多段漂白，机内纸张涂布，双网成形等技术。因为纸浆和纸的生产需要连续运送大量的物料，物料运输的机械化往往是制浆造纸工业发展的一个重要方面。纸浆造纸工业化发展里程碑（制浆部分）1840开发出磨石磨木浆法（德国）1854开发出烧碱法制取木浆（英国）1867将亚硫酸盐制浆法专利授予BenjamInTIlghman1870磨石磨木浆工艺首次获得商业应用1874亚硫酸盐法首次获得商业应用1884CarlDahl发明硫酸盐法制浆（德国）1.4现代制浆造纸的生产运行：现代化制浆造纸工厂主要是以木材作为原料。生产运行高度自动化，而且现在都以计算机控制。工厂的规模不断扩大，现在已经出现单线日产3000T的现代化硫酸盐浆厂，目前职训讲义2估计的投资要超过10亿美元。高的投资额使制浆造纸工业成为一个资金密集型工业。1.5对造纸纤维的要求及其来源：为了使纤维可以造纸，它们必须是均一的，即能够被交织和压制成一个均一的薄片。在接触处还必须有强大结合力。对于某些用途，纤维结构必须长时间地保持稳定状态。纤维一致性的程度以纸页匀度来表征和量测，而结合力的大小则以纸页的抗张或耐破强度来加以推断。纸浆纤维几乎可以从自然界所发现的任何维管植物（Vascularplant）中提取出来。但要植物具备重要的抄纸经济价值，必须要有高含量的纤维。而木材是制浆造纸纤维的最丰富来源。现在我国的制浆原料尚以草类等非木材原料为主，逐步增加木材比重是我国制浆造纸工业的原料方针。1.6制浆的概念和现代化制浆的基本流程：制浆，就是利用化学或机械的方法，或两者结合的方法，使植物纤维原料离解，变成本色纸浆（未漂白浆）或漂白纸浆的生产过程。它包括下列基本流程程：磨浆存浆备用原料采存备料蒸煮洗涤筛选漂白蒸煮和磨浆抄浆出售除了上述基本过程外，还包括一些辅助过程，如：蒸煮液的制备和漂液的制备，蒸煮废气和废液中化学药品的回收与综合利用及热能的回收等。对于制浆工程主要考虑的有：1.纤维原料，2.成品浆的用途，3.工艺方法，4.设备的使用和控制，5.节料，节能与经济效益，6.环境保护等。1.7制浆方法的分类和纸浆品种的名称：制浆方法可分为：化学法和机械法以及处于两者之间的化学机械法，半化学法。它们还可以进一步细分如下：化学法制浆：就是用化学方法，尽可能多地脱除植物纤维原料中使纤维粘合在一起的胞间层木素，使纤维细胞分离或易于分离，成为纸浆。也必须使纤维细胞中的木素含量适当降低，同时要求纤维素溶出最少，半纤维素有相当的保留。（1）碱法：包括烧碱法（苛性钠法），硫酸盐法，预水解碱法，石灰法。（2）亚硫酸盐法：包括用不同的PH值，不同盐基（钙，镁，钠，铵）的方法。机械法：有原木磨木法和木片磨木法。化学机械法：化学热磨法，磺化化机浆等。纸浆的命名，是根据所用的原料和制浆方法，如漂白硫酸盐浆。不同的原料用不同的制浆方法所得的浆，其白度相差很大，根据成品的要求来选择漂白与否。硫酸盐法制浆简介：硫酸盐法是指小木片在NaOH和Na2S的溶液中进行蒸煮。碱液的侵袭使木素分子碎解成较小的组分，木素钠盐溶解于蒸煮液中。硫酸盐法国外俗称“Kraft”，德文中是强韧的意思。Kraft纸浆可制造强韧的纸产品，但其未漂浆呈深棕色。硫酸盐法制浆有独特的臭味气体产生，主要是含有机硫化物，将会造成环境污染。在硫酸盐法的蒸煮液中，除NaOH的强碱性作用外，Na2S电离后的S2-离子和水解后的职训讲义3产物HS-离子有着相当重要的作用；此外，Na2CO3和Na2SO3甚至Na2Sn等杂质成分也起到一定的作用。蒸煮液中含有Na2Sn（多硫化物）时，对蒸煮有益，能提高蒸煮得率，但有强烈的腐蚀作用。自从Carls.Dahl将硫酸钠引入蒸煮系统，硫酸盐法作为烧碱法（只用NaOH）的改进工艺，已经历百年以上。以后将蒸煮液中的Na2SO4改为Na2S，使得在蒸煮软木时的反应动力学和纸张性能均大为改善。因为Na2SO4曾经是传统的补充化学药品，所以称之为“硫酸盐法”。硫酸盐法制浆的参数：化学药品：NaOH，Na2S蒸煮时间：2—4小时药液PH值：13（强碱性）蒸煮温度：140—180oC由于在我们公司采用的是硫酸盐法制浆，故现将硫酸盐制浆的优缺点列出于下：1.硫酸盐法制浆的优点：（1）对各种木材纤维原料，如针叶木，阔叶木，竹及草类等都适用。还可以用于质量较差的废材，枝桠材，木材加工厂下脚料及树脂含量高的木材。（2）能生产很多品种的纸浆。如针叶木本色浆常用于电气绝缘纸，纸袋纸，强韧包装纸，特殊纸板及工业技术用纸；针阔叶木及草类漂白浆用于制造文化用纸及白纸板等；并生产溶解浆制人造纤维。硫酸盐法是当今化学制浆方法中广泛应用的一种。（3）纸浆强度较好。与烧碱法相比浆的得率较高。（4）对设备的腐蚀比较小，对蒸煮和洗涤设备的材料，一般采用碳钢即可，较易解决。（5）可以经济而有效地对制浆化学药品和热能进行回收。如使用树脂含量较高的针叶木制浆，还能生产出象松节油和塔罗油那样用价值的副产品，使生产成本和污染负荷降低。（6）利用多段漂白方法和二氧化氯漂白剂，可以得到高强度和高白度的纸浆。2.硫酸盐法制浆的缺点是：（1）与亚硫酸盐制浆比较，硫酸盐木浆有得率稍低，原料消耗略高，纸浆颜色深，打浆漂白较困难，浆的成本高等缺点。对于多戊糖含量高的草类纤维，碱法浆的滤水性能较差，不透明度也较低。（2）制浆过程中不可避免的会产生难闻的臭气，即污染空气，有对人体健康有害。（3）不能有效地利用纤维原料的木素组成，虽然黑液中的木素在碱回收锅炉中被燃烧而回收能量，但能量的回收效率较低。职训讲义4第二章木材纤维化学第一节木材篇木材是制浆造纸所用纤维的主要来源。当前，木材提供了全世界原纤维需求量的93%左右，其余则由非木材纤维原料（主要是稻草，蔗渣和竹子等）提供。树木结构一棵树可分为三个部分：.由树叶和树枝组成的树冠.树干.根部系统树叶（或树针）是通过光合作用制造养料的工厂，向树木提供能量和使其生长。光合作用是在有叶绿素和光线的情况下从树根底部吸取水分来于CO2相互作用制造出碳水化合物。虽然树冠是生成木材的营养源和调节中心，但木材不是直接由光合作用生成的，或者可以说木材是借光合作用产物派生出的能量——维管形成层的细胞区生成的。在形成层细胞区后，各细胞连接扩增，使细胞壁加厚并木质化。图2—1显示了一个展现基本结构的树干剖面图。图2—2显示了一个横断面示意图。形成层由树皮与内边材之间的一个薄层细胞组织所组成。形成层生长的速率随季节而变。在春季生长薄壁纤维细胞，而在秋季则生长较紧密的厚壁纤维。在每年的寒冷季节，形成层停止生长。每年生长的循环周期反映在年轮上，年轮总数则代表树龄。树皮（韧皮）是一个狭层细胞组织，在这里，富含碳水化合物的树汁，通过筛管和射职训讲义5线上下流动。外皮是一群死细胞，它原先存在于活的内皮中；它是由纤维素，半纤维素和木素以及许多其它成分所组成。树木的边材部分提供树冠的结构支撑，起的作用如同一个食物贮库。并起到将水分从根部向上输送的重要功能。它在生理上是活的（只是薄壁组织细胞），并通过从树冠流来的树汁不断地与形成层和韧皮进行交流。在树干中心，心材是死亡木细胞的核心部分，它的生理活动已经停止。其功能只是作为结构支撑。心材由于在细胞壁和腔中沉积了含脂有机化合物，颜色一般比边材深得多。在化学法制浆时，这类沉积物使药液在心材比边材更难渗透。有少数材种（特别是云杉），心材与边材之间的颜色差别很小。在树木中心，有一个细小的软细胞组织的核心，称为木髓。木材纤维细胞壁的结构木材纤维细胞壁，按形成先后，可分为胞间层，初生壁和次生壁三部分。（1）胞间层(ML):是两相邻细胞间的一层物质，他把各个细胞间粘结起来，使植物具有一定的机械强度。细胞层主要是由果胶和木素等无定形物资组成，厚度约为0.1—0.2微米（针叶木胞间层），其中所含木素比率很高。化学制浆过程就是用化学药品使胞间层溶除或部分溶除，克服细胞间的粘结作用，使纤维细胞解离成单个纤维的过程。（2）初生壁（P）:各种植物纤维细胞的生长都是由外到里的。最初形成的是液囊状物，称为初生壁，用P表示，与细胞层ML紧密相连。针叶木初生壁的厚度大约为0.1—0.2微米，含有大量的木素及半纤维素，纤维素则以微纤维的形式在初生壁上作不规则的网状排列，镶嵌在无定形物质木素和半纤维素中。在化学纸浆中，由于胞间层及初生壁上的一些无定形物被脱除，初生壁上的微纤维暴露在纤维表面。（3）次生壁外层（S1）：在初生壁内层上增生的细胞壁，称为次生壁，用S表示。根据微纤维不同的排列方式，次生壁有分为外层，中层及内层。分别以S1,S2,S3表示。S1层的厚度大约为0.5—1.0微米，大半由纤维素及半纤维素组成，纤维素微纤维以几乎垂直于纤维轴的方向，规则地缠绕在纤维壁上，S1微纤维的结晶度较高，因此造成S1层对化学和机械作用有较大的稳定性，它犹如一个套筒，是S2层的微纤维不易显露出来，所以纤维不易分丝纵裂。一些需要较高分丝纵裂的纤维，打浆是需先下轻刀，将P层和S1层剥离掉，这样纤维才能达到充分分丝纵裂的目的。S1层越厚，对S2层微纤维的约束就越强，落叶松的P层和S1层较鱼鳞松厚，因此，落叶松纤维打浆比鱼鳞松困难；同样，杨树，桦树的S1层比针叶树的S1层厚，所以某些阔叶树纤维打浆不容易分丝帚化。S1层与P层结合较紧密，而与S2层结合较松弛，所以半化学浆在进行机械磨浆时，纤维往往在S1层与S2层之间分离；在纸页形成时，S2层能提供较多的氢键结合，从而增强了纤维与纤维之间的结合力。（4）次生壁中层（S2）：S2层是纤维中最厚的一层，是纤维细胞壁的主体，针叶木S2层的厚度约为3—10微米，占细胞壁厚度的70—80%。晚材纤维壁较早材厚，主要在于S2层较厚。S2层大部分是由纤维素和半纤维素组成，但含有一定比例的木素，因S2层较厚，故所含木素的数量为总木素的70—80%。据测定：黑云杉春材中72%的木素在次生壁，而只有28%的木素在复合胞间层和细胞角胞间层，秋材中则有82%的木素在次生壁，只有18%的木素在复合胞间层和角胞间层。微纤维与纤维轴的缠绕角度随品种不同而略有差异，大约是从30