造纸工艺-打浆工艺

第一章磨(打)浆第一节概述第二节磨（打）浆原理第三节磨浆打浆设备第四节磨（打）浆工艺第五节磨（打）浆对纸浆性质的影响第六节干浆板的碎解和浆料的疏解第一节概述一、磨(打)浆的概念打浆（beating）：利用物理(机械)的方法处理悬浮于水中的纸浆纤维，使其具有适应造纸机生产上要求的特性，并使所产生的纸张能达到预期的质量要求，这一操作过程叫打浆。磨浆（refining）：这个术语是随着连续打浆的磨浆机的出现，而产生的。是指利用盘磨等磨浆打浆设备连续处理纸浆悬浮液，赋予纸浆抄纸所要求的特性，这一操作过程。碎解：这个术语主要是用于碎解机中处理浆板、损纸、废纸及蒸煮后的一些浆料，制成纤维悬浮液，为打浆和磨浆作准备。这三个术语虽然应用范围不同，但有一个共同点，就是纸料纤维在处理过程中受到剪切力作用。纤维受到的剪切力可以来自磨(打)浆设备的刀(或磨齿)的机械作用，也可以来自纤维与流体间的速度梯度和加速度所产生的剪切力。第一节概述磨浆和打浆的主要区别：在于打浆是间歇式的操作，在打浆过程中，纤维悬浮液在打浆设备的浆槽内循环并通过由回转的打浆辊飞刀和固定的底刀构成的打浆机构进行打浆，其特点是纤维通过打浆机构时与刀片成垂直的排列。磨浆是连续操作，在磨浆过程中，纤维悬浮液连续的通过磨浆设备，在由转子刀辊飞刀(或转盘磨齿)和固定的定刀(或定盘磨齿)构成的磨浆机构进行磨浆，其特点是纤维通过磨浆机构时与刀片(或磨齿)成平行状态。第一节概述二、磨(打)浆的目的和任务(一)磨(打)浆的目的磨(打)浆的目的是根据纸张或纸板的质量要求和浆料的种类和特征，在可控的情况下用物理方法改善纤维的形态和性质，使制造出来的纸张或纸板符合预期的质量要求。第一节概述(二)磨(打)浆的主要任务(1)利用物理方法，对水中纤维悬浮液进行机械等处理，使纤维受到剪切力，改变纤维的形态，使纸浆获得某些特征(如机械强度、物理性能)，以保证抄造出来的产品取得预期的质量要求。(2)通过磨(打)浆，控制纸料在网上的滤水性能，以适应造纸机生产的需要，使纸幅获得良好的成形，改善纸页的匀度和强度。磨(打)浆是物理变化，磨(打)浆作用对纸浆所产生的纤维结构和胶体物质的变化都属于物理变化，并不引起纤维的化学变化和产生新的物质。第一节概述三、磨(打)浆前后浆料性质的变化磨(打)浆使浆料纤维受到剪切力作用，除了揉搓、疏解浆料，使纤维束分解为单纤维外，纤维细胞壁首先产生位移和变形，细胞壁的P层和S层被部分破除并产生纤维碎片，纤维被切断并发生扭曲、卷曲、压缩和伸长等状况。同时，纤维吸水润胀和细纤维化，纤维表面分丝而分离出许多微细纤维，纤维两端帚化，游离出很多羟基，纤维的比表面积增大，表面变的粗糙，而层间的内聚力下降，纤维变得更加柔软可塑，整体纸料的滤水性能下降。总之，磨(打)浆使纤维产生变形、润胀、细纤维化和切断等一系列的作用。第二节磨(打)浆原理一、纤维细胞壁的结构图l-2-1纤维细胞壁结构示意图l一胞间层、2一初生壁、3一次生壁外层、4一次生壁中层、5一次生壁内层用电子显微镜观察植物纤维细胞壁，不难看到它可分为胞间层、初生壁和次生壁。第二节磨(打)浆原理一、纤维细胞壁的结构初生壁(P)——细胞壁的外层，与胞间层紧密相连，厚度很薄，约0.1～0.3μm，含有较多的木素和半纤维素，是一层多孔的薄膜，不吸水而能透水，不容易润胀，微纤维在初生壁上作不规则的网状排列，像套筒那样束在次生壁上，有碍次生壁与外界接触，有碍纤维的润胀和细纤维化，故在打浆中需将此层打碎破除。第二节磨(打)浆原理一、纤维细胞壁的结构次生壁外层(S1)——由若干层细纤维的同心层所组成，厚度较薄,约0．1～lμm，是P层与S2层的过渡层，其化学成分与P层接近，微纤维排列的方向几乎与纤维的轴向垂直(缠绕角70。～90。)，不规则地交织在纤维壁上，S１层和P层结合较紧密，S1层的微纤维的结晶度比较高，对化学和机械作用的阻力较大，它和P层都会限制S2层的润胀和细纤维化，故打浆时也需将此层打碎破除。第二节磨(打)浆原理一、纤维细胞壁的结构次生壁中层(S2)——由许多细纤维的同心层所组成，是纤维细胞壁的主体，厚度最大约3～10μm，约占细胞壁厚度的70％～80％，纤维素和半纤维素的含量高，木素的含量少，微纤维的排列呈螺旋单一取向，几乎和纤维轴向平行(缠绕角O。～45。)，S2层是磨(打)浆作用的主要对象。第二节磨(打)浆原理一、纤维细胞壁的结构次生壁内层(S3)——由层数不多的细纤维的同心层所组成，厚度也很薄约0.1μm，在纤维壁中所占的比例不到10％，木素的含量低，纤维素含量高，S3层化学性稳定，微纤维的排列与S1层相似，与纤维轴向的缠绕角约70。～90。，在磨(打)浆中一般不考虑S3层。第二节磨(打)浆原理一、纤维细胞壁的结构细胞壁各层微纤维的排列和走向，与细胞轴向的缠绕角大小，对磨(打)浆的影响很大，缠绕角小的纤维容易分丝帚化，反之缠绕角大的分丝帚化困难。单根纤维的强度也主要取决于S2层微细纤维与细胞轴向的缠绕角，缠绕角越小，纤维越长，单根纤维的强度则越大，但伸长率则越小。第二节磨(打)浆原理二、杂细胞的结构木材和非木材的杂细胞在含量、种类和形状上都不大相同，木材中的针叶木和阔叶木也不同，而非木材原料中差异更大。一般来讲，木材的杂细胞含量比非木材少，如针叶木含量只有1.5％(面积法下同)左右，阔叶木含量约在17％～27％之间，。非木材中如竹类接近20％～30％，其他草类一般在40％～60％之间。第二节磨(打)浆原理二、杂细胞的结构1．针叶木造纸原料的杂细胞针叶木杂细胞包括木射线薄壁细胞和木射线管胞，两者形态相似，均为砖形。木射线薄壁细胞，在电子显微镜下看到，其初生壁的微细纤维像纤维细胞那样，是网状结构，次生壁也分为三层，相当于S1、S2与S3层，其中S2层微细纤维的取向几乎平行细胞轴，Sl层与S2层微细纤维与细胞轴成30。～60。。第二节磨(打)浆原理二、杂细胞的结构2．阔叶木造纸原料的杂细胞阔叶木的杂细胞包括导管细胞、木薄壁细胞、木射线薄壁细胞等。阔叶木(水青冈树属一种)横卧木射线薄壁细胞的超薄层横切面的电子显微镜图中，其细胞壁可看出P+S1，S2和S3层，S2层最厚。从一个横卧木射线细胞的未处理的与脱木素的表面显微镜图中，观察到P层有网状结构，次生壁分为三层，S1层与S2层微细纤维的取向与细胞轴成60。～80。，在S3层的微细纤维取向与轴平行。第二节磨(打)浆原理二、杂细胞的结构3．禾草类杂细胞禾草类杂细胞包括有薄壁细胞、表皮细胞、导管细胞等。(1)麦草麦草的杂细胞主要有表皮细胞、导管、薄壁细胞等，约是全部细胞的40％，薄壁细胞是草浆中常见者，其特点是胞壁薄，容易变形破碎，壁上大多有纹孔。麦草的薄壁细胞形状有杆状、长方形、椭圆形等数种，其中以杆状为主。杆状细胞约占杂细胞总数的一半左右，其胞壁上有网状加厚。麦草锯齿状的表皮细胞较稻草粗大、齿形尖、齿距大小均匀，麦草的导管有螺纹导管、环纹导管及纹孔导管三种，其中以纹孔导管最长。第二节磨(打)浆原理二、杂细胞的结构3．禾草类杂细胞(２)芦苇芦苇的导管细胞和薄壁细胞其共同的特点是细胞壁薄，但细胞壁仍分为三层，即初生壁、次生壁外层、次生壁内层，其初生壁很薄与胞间层合为一体，不大明显。在细胞交角的区域常出现空隙，即无胞间层组织。次生壁外层与次生壁内层间有明显的界线，两层厚度相差不多，薄壁细胞上微纤维排列，P层呈乱网状，S1、S3层呈规则的网状，S3层的微纤维角度较S1层更近于轴向，存在于纸浆中的薄壁细胞干燥时由于微纤维呈网状排列收缩是各向同性的，因此细胞表面平坦，不出现起皱现象。导管细胞初生壁上微纤维也是网状，次生壁上由于有许多纹孔，纹孔口附近的微纤维作环状排列，其他部位的微纤维较紊乱。表皮细胞较厚，呈多层状态，胞腔较小其中常填有内容物。第二节磨(打)浆原理三、磨(打)浆对纤维细胞的作用打浆对纤维的作用，主要是发生物理化学变化。不论使用何种类型的打浆设备，都使纤维产生切断、压溃、吸水润胀和细纤维化。当纤维的细胞壁受到以上的作用后，其主要变化发生在纤维的细胞壁。纤维的细胞壁变化有如下几种形式：１、打浆使纤维细胞壁产生位移和变形。细胞壁产生位移和变形的原因是由于纤维在打浆过程中受到机械作用力后，使次生壁中层一定位置上的微纤维产生弯曲变形，使微纤维之间空隙有所增加，这就为纤维吸收更多的水分创造了条件，纤维吸水变形后变得柔软，对除去初生壁和次生壁外层具有重要作用。第二节磨(打)浆原理三、磨(打)浆对纤维细胞的作用２、打浆使纤维初生壁和次生壁外层发生破除。未去掉初生壁的纤维，显得光滑、挺硬，不易吸水润胀，因此，必须利用打浆设备的机械作用力和纤维之间的相互摩擦力，将初生壁和次生壁的外层破除，使次生壁中层的细纤维分离出来，才能达到纤维的充分润胀和细纤维化的目的。在通常情况下，不同种类的纤维原料的初生壁及次生壁外层的除去难易程度也不相同，因此，在打浆时细纤维化的难易程度也不相同。如：麦草浆比木浆去除要困难，硫酸盐木浆比亚硫酸盐木浆的去除要困难。第二节磨(打)浆原理三、磨(打)浆对纤维细胞的作用３、打浆后纸浆纤维吸水发生润胀。纤维初生壁未打破之前，纤维的吸水润胀程度较慢，经过打浆处理后，纤维初生壁及次生壁外层不断被打破，增大了纤维的吸水润胀，使纤维变得柔软可塑，外表面积增大，内部组织结构松弛，分子间内聚力下降，有利于细纤维化的进行。由于纤维素和非纤维素分子结构中存在着有无定形区和大量的羟基，与水分子发生极性吸引，水分子进入无定形区，使纤维素分子链间距离增大，纤维外表面积增大，从而引起吸水润胀。第二节磨(打)浆原理三、磨(打)浆对纤维细胞的作用４、经过打浆设备的物理(机械)作用，使纤维产生细纤维化。纸浆纤维在打浆的过程中受到打浆的机械作用而产生纵向分裂，表面分离出细小纤维，纤维两端帚化起毛的现象，称为细纤维化。由于细纤维化的产生，增强了纤维与纤维的交织能力，从而使生产纸张的物理强度有较大的提高。第二节磨(打)浆原理三、磨(打)浆对纤维细胞的作用５、由于打浆设备的剪切作用，纤维受到横向切断。纤维在打浆过程中，由于打浆设备的剪切作用，使纤维受到切断。同时，在打浆压力较大，浓度较高的情况下，纤维之间相互摩擦，也会造成纤维的横向切断。长纤维经过适当切短，可以提高纸张的组织均匀性和平滑性。但过分的切短，纸的强度就会降低。在通常情况下，纤维的切断与润胀的程度有关，在同一打浆条件下，吸水润胀得好，纤维具有良好的柔软性和可塑性，就不容易受到切断，而易于分丝帚化。反之，吸水润胀不好，纤维挺硬，则容易受到切断。第二节磨(打)浆原理三、磨(打)浆对纤维细胞的作用６、产生纤维碎片磨(打)浆过程中产生纤维碎片有三方面:(1)纤维的初生壁和次生壁外层破除由于纤维受到磨(打)浆设备刀片的机械摩擦力和纤维与纤维之间的摩擦力及水的剪切应力的作用，使纤维的初生壁和次生壁外层被磨碎脱落，有的成为碎片，尤其是稻麦草浆，产生的碎片更为明显，据研究表明，麦草的初生壁硬而脆，在磨(打)浆开始阶段就像剥皮一样逐渐脱落下来。(2)纸浆中的杂细胞被打碎杂细胞一般粗短，多数在磨(打)浆过程中容易被打成碎片。尤其是薄壁细胞。第二节磨(打)浆原理三、磨(打)浆对纤维细胞的作用６、产生纤维碎片(3)纤维横向被切断产生碎片纤维在磨(打)浆过程中，横向被切断若在两端部，而被切断的部分也成为碎片。不过这碎片数量不多。这些碎片的存在，一方面影响纸料的滤水性能，特别是草类纤维，因杂细胞含量多，纤维脱落的碎片也多，所以滤水性能差。另一方面这些碎片的存在会影响到纸页的物理强度。第二节磨(打)浆原理三、磨(打)浆对纤维细胞的作用７．其他次要的作用(1)增加纤维的柔软性当初生壁与次生壁外层被破除后，纤维就产生大量的吸水润胀，结果使纤维直径变大、比容增加、纤维细胞壁内部结构变得更加松弛、层间内聚力下降，从而使纤维变得更加柔软。(2)纤维的扭曲、卷曲、伸展和压缩高浓磨(打)浆时，纤维受到强烈的挤压、揉搓和扭曲等作用，使纤维纵向受到压缩，同心层产生滑动，结果造成纤维产生扭曲和卷曲形状