天津科技大学造纸原理与工程学习指导

课程性质与特点本课程为制浆造纸专业的主干专业课程。这是一门理论与实践结合十分紧密的课程，内容涵盖了造纸过程的基本理论和造纸工程的主要工艺过程。课程内容设置的特点是按照造纸生产过程来安排的，包括绪论、打浆、添料、纸的抄造、纸板的生产、纸张的结构与性质、加工纸和非植物纤维纸。在内容上既反映了当代造纸学科的先进水平，又兼顾了我国制浆造纸工业的实际情况，做到学以致用。本课程的另一个特点是综合性较强，应注意与其他相关课程的联系。学习内容提要概论一．纸的历史二．造纸工业在国民经济中的地位三．国内外造纸工业的现状和发展（一）世界纸及纸板的总产量、增长率、主要品种结构及地区分布（二）世界纸浆的总产量、增长率及主要品种结构（三）纸及纸板消费（四）当前世界造纸工业的一些特点1．产量虽有增长，但由于纸价下降，总体经济效益却没有相应的增长，部分企业经济效益有所下降。2．纸及纸板消耗的原浆量不断下降3．纸及纸板产量的增长，既有新增生产能力，也依靠设备运转率的提高；纸浆增长则主要依靠运转率的提高。4．企业间的合并、收购事件不断增加，企业规模日益扩大。（五）中国造纸工业现状及发展1、基本情况纸和纸板年产量居世界第二位。纸和纸板消费总量居世界第二位。中国人均消费：30KG。世界人均消费：56KG。2、我国造纸工业面临的挑战3、近年来的成绩4．存在的主要问题木浆比重小、企业规模小、中高档纸生产能力小；环境污染大。5．中国造纸工业的发展前景十分乐观，原因是：①国民经济持续稳定发展，造纸工业相应发展。②各项改革的继续和深化，以及组织结构、产业结构、产品结构的调整，市场经济日趋成熟。造纸企业的产品、品种、档次必将会逐步适应市场需求，实际上这个过程正在发生，也正在逐步显效。③世界造纸工业的科技进步和结构调整，形成了造纸工业国际化的世界格局，今后国际竞争全球化的趋势会更加明显。中国市场潜力巨大，吸引国际资本和技术向中国转移，提供了发展机遇，同时激烈的竞争，又给中国的造纸工业带来了严峻的挑战和压力。6．中国造纸工业的发展目标（1）从实际出发，2010年产量规划为4000-4500万吨，平均年增长3-4%，品种、档次有明显提高。（2）据预测：2010年达5000-6000万吨，年增长率4-5.8%，人均消费量36-43公斤/年.人。7．为实现上述目标，要开展以下工作：（1）加快国有造纸企业的机制转换与制度创新，在本世纪末初步建立起现代企业制度。A.向企业集团方向发展。B.形成规模效益型制造业。C.调整、改组、改造现有小型制浆造纸企业，上规模、减污染。D.关停并转一些产品质量差、市场滞销、污染严重的小企业。（2）建设一批具有世界先进水平的现代化造纸企业。A.鼓励外商在境内外合资、合作建设大型纸厂。B.充分利用国外木材、木浆资源，继续保持木片、木浆、废纸及纸和纸板的适当进口。C.中外合资、合作项目应建立在新技术和高效率管理基础上，以利于提高企业的生产技术、管理水平和参与国际市场的竞争能力。（3）通过技术进步，促进新产品开发与老产品更新换代工作。A.纸及纸板产品应向薄型化、上质量、上档次、多品种方向发展。B.大力发展彩色胶印新闻纸、彩色胶印书刊纸、低定量涂布纸、信息用纸、生活用纸、涂料白纸板、强韧纸板等。（4）逐步增加木材纤维比重，合理配比非木材纤维和积极扩大废纸回收利用。（5）基本建设项目需采用国内外先进可行的制浆造纸及环保新工艺、新设备，充分体现科技进步，实施清洁生产，采用节能降耗新技术装备，发展高得率制浆生产线，高起点、高效率。8．我国林业的发展已具备大力发展木浆造纸的资源条件：A.近20年来，人工林发展快，1993年面积已超过3400万公顷（5.1亿亩）。B.可供加工利用的中小径材和加工剩余物等木纤维资源十分丰富。C.发展木浆造纸主要利用人工林、培育速生丰产林以及天然林抚育下来的次小芯材和加工剩余物，与天然林资源的保护并不矛盾，相反，会促进天然林及生态环境的保护及改善。四．纸和纸板的分类及用途纸的定义：从悬浮液中将植物纤维、矿物纤维、动物纤维、化学纤维或这些纤维的混合物沉积到适当的成形设备上经干燥制成的一页均匀的薄片。纸板定义：一层或多层厚的较高定量的纸页，利用纤维之间的结合力或多层之间的粘合剂，把单层纸页互相坚固地粘合成多层纸页。设备的发展，纸种的增加。（一）纸和纸板的分类手工纸机制纸（1）干法①植物纤维②矿物纤维③动物纤维④合成纤维（2）湿法合成纸特种纸（消毒纸）按用途可分为：纸：文化用纸，工农业技术用纸，包装用纸，生活用纸纸板：包装用纸板，工业技术用纸板，建筑用纸板，印刷与装饰用纸板（二）规格和尺寸：印刷纸，制图，描图，地图，晒图纸五、纸和纸板的质量（一）纸和纸板的质量标准1.外观2.物理性能、吸收、光学、表面、适印物理性能：①定量：纸或纸板每平方米的质量（g/m）G=g/F②厚度：纸或纸板在两测量板之间在一定压力下直接测量的厚度（mm）③抗张力：纸或纸板所承受的最大张力（KN/m）裂断长：一定宽度的试样依靠纸的自重裂断时的长度（m.km）抗张指数：抗张强度除以定量（N.m/g）④紧度：指1立方厘米的纸或纸板的质量.g/cm3D=G/d×1000⑤耐折度：纸或纸板在受一定的张力作用下所能经受往复180゜的折叠的次数，以往复折叠的次数表示。⑥耐破度：纸和纸板在单位面积上所能承受的均匀地增加的最大压力，其结果以Kpa。kg/cm2耐破指数：绝对耐破度除以定量：KPm2/g。⑦撕裂度：撕破预先切口的纸和纸板至一定长度所需要的力。N，mN⑧伸长率：纸条受张力至断裂时所增加的长度对原试样长度的百分率。%⑨透气度：单位时间和单位压差下，单位面积试样通过的空气量。Μm/（pa.s）,(ml/min)一定体积的空气通过试样所需要的时间。3.吸收性能4.光学性能5.表面性能6.特殊质量要求化学性能，水容性，水不容性，电气性能，燃烧性能等。（二）纸和纸板的适印性能六、纸张与纸板的抄制（一）纸浆种类和配浆比率的选定经济合理，技术可行。（纸浆的选择原则）各种浆种配合使用的目的：1.改进纸张的质量。2.节约长纤维原料。3.降低纸张成本。4.改善抄造性能。5.增加初始湿强度。（三）纸和纸板的抄造过程第一章打浆第一节概述一．打浆的定义简义：在特定设备中，浆料中的纤维受到剪切力的作用，即称为打浆。另义：在特定设备中，利用物理方法（如机械剪切、摩擦、水力冲击等作用）处理悬浮于水中的纸浆纤维，（即对纤维进行疏解、切断、压溃、细纤维化及纵向分裂等作用），使其具有适应造纸机生产上要求的特性，从而获得预期的纸张质量，这一过程称为打浆。Beating精浆：在上网之前对纤维打浆度进行调整。Refining2．为什么纸浆经过打浆才能造纸由于从制浆工段送来的纸浆纤维挺硬而有弹性，这样纤维在网上难以取得均匀分布，成纸强度低。另外，未经打浆的纸浆尚含有未离解的纤维束，这些纤维束光滑挺硬，有的太长，有的太粗，缺乏必要的切断和分丝，如用其抄纸，则所得产品显得疏松、多孔、表面粗糙，不能满足一般的要求。二．打浆的任务1．利用物理方法，对纸浆纤维进行机械或流体处理，改善纸张的性质，特别是机械强度和物理性质，以便适应纸张产品质量的要求。2．适应纸机抄造的要求，控制纸料在罔上的成型和滤水性能（匀度、强度）。三、打浆的简要术语打浆度：又称叩解度。反映浆料脱水的难易程度，综合表示纤维被切断、分裂、润胀和水化等打浆作用的效果。但是，单凭此一指标不能完全代表纸料的性质。游离度：CanadianStandardFreeness保水值：在标准状态下，用高速离心机甩出纸料中的游离水和毛细管水，使纤维中只含结合水，由此计算出的WRV指标可间接说明纤维的润胀程度、细纤维化程度以及纤维之间结合力的大小。方法：取相当于0.15g(O.D)的浆料，在3000G重力加速度的条件下以6000rpm的高速离心处理15min。保水值（%）=（离心处理后湿浆重—干浆重）/干浆重×100在打浆程度不是很高的情况下，WRV与浆张的物理性质和机械强度有近于线性的关系。不一定是真正的结合水，但具有可比性。湿重：框架法测定。间接表示纤维长度，某一工厂针对某一浆料，可以说明问题。第二节打浆理论打浆中无化学变化。一．纤维细胞壁结构的回顾胞间层M、初生壁P、次生壁S1S2S31．木材纤维2．草类纤维植物纤维细胞壁可分为胞间层、初生壁和次生壁。植物纤维细胞壁的各层，并不是单一的结构，而是由很多的微细层次所组成，各层是由细纤维以不同的排列所构成，细纤维是由微纤维所组成，微纤维又由次微纤维所组成，次微纤维可进一步水解为原细纤维，原细纤维又由纤维素微晶体所组成，纤维素微晶体又由葡萄糖基经氧桥联结所构成。二、打浆对纤维的作用1．细胞壁的位移和变形由于纤维在打浆过程中受到机械作用力，使次生壁中层一定位置上的微纤维产生弯曲变形，微纤维之间空隙有所增加，这就为纤维吸收更多的水创造了条件。开始，这个变形是很小的，以后逐步变大。虽然由于此时初生壁和次生壁外层还没有去除，对次生壁中层的位移和进一步润胀受到限制，但吸水变形可使纤维变的柔软，对去除初生壁和次生壁外层具有重要作用。2．初生壁和次生壁外层的破除为了利于纤维的润胀和细纤维化，在打浆过程中需要借助于机械作用把初生壁和次生壁外层破坏脱除。对于不同的纸浆，初生壁和次生壁外层破除的难易程度不同。亚硫酸盐浆比硫酸盐浆的初生壁和次生壁外层容易破除。3．切断在打浆过程中，切断主要发生在纤维的横向切断，横向切断有时是必要的，有时是不希望的。对于长纤维浆而言，适当切断对于提高纸张的组织均匀性和平滑度有利。但过分的切断，纸的强度会降低。纤维的切断与纤维的润胀程度有关。4．润胀润胀是指高分子化合物在吸收液体的过程中，伴随体积膨胀的一种物理现象。植物纤维之所以具有润胀能力是由于纤维带有羟基，在极性液中与极性液形成氢键或吸收极性液。润胀的程度与纸浆的组成有关。半纤维素含量高的亚硫酸盐浆较容易润胀。漂后浆的润胀能力有所改善。润胀程度的测定：保水值。5．细纤维化细纤维化是在P层和S1层破除后开始的。外部细纤维化：在打浆过程中，由于受机械作用使纤维获得纵向分裂、两端帚化、表面分丝起毛等，并分离出细纤维、微细纤维等。结果导致增加了纤维的外比表面积，游离出更多的极性羟基，又促进了纤维的润胀和纤维之间的氢键结合。内部细纤维化：指在打浆过程中，纤维细胞壁的变化，实际上是指破坏纤维细胞壁同心层间的连接的过程。结果导致纤维变得柔软、可塑，使纤维之间能得到更好的接触。内外细纤维化均有利于纤维的结合和纸张强度、紧度和匀度的提高。内外部细纤维化各自的重要性：外部细纤维化可提高交织能力，并能增加纤维的外表面积，有利于提高纸张强度。内部细纤维化使纤维变得柔软可塑，可增加纤维之间的结合面，从而可以提高纸张的强度。纤维的细纤维化和纤维的润胀是互相促进的。吸水润胀为纤维的吸纤维化创造条件；反之，纤维的细纤维化又能促进纤维更进一步的吸水润胀。6．变形弹性变形：纤维受到外力作用时，细胞壁同心层变形，当应力消失后，纤维将恢复其原始状态。塑性变形：由于外力作用，细胞壁同心层间的侧链断裂，水分子进入，产生滑动、位移，细胞壁变形达到某一平衡状态。当外力消失后，恢复不到原始状态。这样造成了同心层间氢键更多的破裂，从而进一步引起纤维的润胀。纤维经过打浆处理后，希望得到更多的塑性变形。三．纤维结合力（一）纤维结合理论1．化学学说认为打浆后发生了化学变化，生成一种胶状化合物，这种具有粘胶性质的水化物质包在纤维表面，干燥时将纤维结合在一起，因而导致纸张强度的增加。研究表明：打浆过程中纤维吸收水份，是物理性的结合而不是化学性的结合。（无化学变化）2．氢键结合氢键学说认为：打浆使纤维吸水润胀，变得柔软可塑，细纤维化增加了纤维的外表面积，游离出了大量羟基，湿纸形成后，在纤维与纤维之间形成水桥。干燥时，在水分被蒸发的同时，借助于水的表面张力将纤维互相拉拨，紧密接触（2.8A内），这样相邻纤维间的羟基通过氢键互相作用，使纸张具有强度。干、湿纸的差别。（二）影响纤维结合力的因素1.原料的影响化学木浆棉浆草浆机械木浆