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卫生用纸漂白针阔混合浆高浓磨浆工艺研究

  • 陈雪梅 1,2
  • 张权 1,2 ✉
  • 陈铃华 1,2
  • 张红杰 1,2 ✉
  • 张雪 1,2
  • 程芸 1,2
  • 侯磊磊 1,2
1. 中国制浆造纸研究院有限公司，北京，100102； 2. 制浆造纸国家工程实验室，北京，100102

中图分类号： TS74

最近更新：2024-05-30

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2024.05.007

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摘要

通过生产线高浓磨浆、生产线高浓磨浆+实验室低浓打浆、生产线低浓磨浆、实验室低浓打浆4种工艺，分别获得混合高浓浆、混合高浓+低浓浆、混合低浓浆和实验室浆，研究了不同打浆工艺对漂白针叶木浆和漂白阔叶木浆混合浆（质量比30∶70）纤维性能及卫生用纸手抄片物理性能的影响。结果表明，与混合低浓浆相比，混合高浓浆的细小纤维含量少，纤维扭结较明显，制备的手抄片松厚度、柔软度及吸水性较好；混合高浓+低浓浆纤维扭结指数更大，细小纤维含量更低；其中，生产线高浓浆的浆浓为18%时，混合高浓+低浓浆手抄片的抗张指数、松厚度、柔软度及吸水性均优于混合低浓浆手抄片；混合高浓+低浓浆手抄片（长纤配比30%，打浆度23 °SR）与实验室浆手抄片（长纤配比35%，打浆度23 °SR）的抗张指数和吸水性相近，松厚度高5.7%、柔软度低27.6%。

我国是人口大国，木材资源短缺，森林覆盖率较低，远低于美国（34%）和欧盟（44%）[

1]。2023年，我国生活用纸生产量1 210万t，较2022年增长6.61%；消费量1 103万t，较2022年增长4.15%[2]，人均消费量达8.4 kg，远超世界平均水平（5.7 kg），我国部分一线城市的生活用纸人均消费量已接近发达国家水平[3]。生活用纸具有刚性需求特征，经济增长、城市化进程加快、人口增长、产品品类结构优化、落后产能加速淘汰等多重因素，均会推动行业产量的继续增长[4]。因此，生活用纸企业应重视对工艺技术进行调整优化，提升产品质量和企业竞争力[5]，尤其是卫生用纸及纸巾纸，要求其具有强度好、手感柔、吸水好、价格低等优势。目前，国内生活用纸企业磨浆方式为漂白针叶木浆（长纤）和漂白阔叶木浆（短纤）混合低浓磨浆工艺（简称混合低浓），或长、短纤分别低浓磨浆工艺。混合低浓磨浆工艺可使2种纤维原料的纤维长度较为均匀，纤维总长度分布趋于正态分布[6]；长、短纤分别低浓磨浆工艺则可使长、短纤维更好地发挥各自的优势，抄造时的浆料配比调整也更加灵活。

受木材资源及制浆工艺影响，生活用纸所用浆料主要依赖进口，尤其是漂白针叶木浆；然而受国际形势和通货膨胀影响，价格波动较大。由于漂白针叶木浆价格较高，在实际生产中为了压缩生产成本，需要考虑降低漂白针叶木浆的使用量；同时，为保障纸张物理强度，防止在磨浆过程中，细小纤维含量快速上升，导致白水浓度升高、纸张松厚度下降、纸尘严重等负面影响，不能过度磨浆。低浓磨浆时，盘磨刀片能够直接作用于单根纤维上，使单根纤维经受较多的机械力作用，进而被压溃、细纤维化和切断[

7]，随着磨浆程度的加剧，上述作用对生活用纸的弊大于利。高浓磨浆时，单根纤维主要经受强烈的摩擦、揉搓和挤压作用[8]，使纤维内部发生细纤维化，细小纤维产生量较少，纤维长度得以较好的保留[9]。因此，结合目前生产线的磨浆工艺条件及需求，本研究以混合高浓磨浆工艺为基础，开展相关研究。

本研究利用生产线高浓磨浆机对漂白针叶木、漂白阔叶木混合浆进行高浓磨浆（简称混合高浓）处理，进一步在实验室Valley打浆机中进行低浓打浆（简称混合高浓+低浓）处理，对混合高浓浆及混合高浓+低浓浆进行纤维性能分析，并分别抄造手抄片，与生产线混合低浓磨浆（简称混合低浓）处理浆料制备的手抄片，以及不同纤维配比的实验室混合低浓打浆工艺获得的浆料（简称实验室浆）的手抄片物理性能进行对比分析，探讨混合高浓+低浓工艺在生活用纸方面的潜在优势，总结适用于生产线的纤维原料磨浆工艺，为生活用纸企业在改善卫生用纸产品质量、降低生产成本等方面提供参考。

1 实验

1.1　实验原料

漂白化学针叶木浆板（长纤）和漂白化学阔叶木浆板（短纤）均取自国内某企业。混合高浓工艺在工厂生产线上，采用高浓磨浆机完成，得到混合高浓浆（磨浆浆浓分别为18%、21%、24%，长纤质量分数30%）；混合低浓浆（磨浆浆浓4%，长纤质量分数30%）取自工厂生产线。

1.2　实验仪器

YC350型高浓磨浆机，湖南正达纤科公司；Rapid-Köthen型自动纸页成型器，奥地利PTI公司；2575-Z型鼓式干燥器，日本KRK公司；P40130型Valley打浆机，瑞典L&W公司；95568型纸浆标准解离器，奥地利PTI公司；纤维质量分析仪，瑞典L&W公司；XWY-Ⅶ型纤维仪，珠海华伦造纸科技有限公司；DCP-KZ1000型抗张强度仪、DCP-HDY04型厚度仪、DCP-RRY1000型柔软度仪，四川长江造纸仪器有限责任公司。

1.3　实验方法

1.3.1　混合高浓+低浓浆的制备

取不同磨浆浆浓（18%、21%、24%）的混合高浓浆，利用实验室Valley打浆机进行低浓打浆，打浆浆浓1.57%，得到混合高浓+低浓浆。

1.3.2　实验室浆的制备

取漂白化学针叶木浆和漂白化学阔叶木浆按照不同纤维配比（长纤质量分数分别为35%、30%、25%），利用实验室Valley打浆机进行低浓打浆，打浆浆浓1.57%，收集打浆后浆料备用。本研究所用工艺及所得浆料如表1所示。

表1  浆料及其制备工艺
Table 1  Pulp and their preparation processes
浆料工艺长纤质量分数/%生产线磨浆浆浓/%实验室打浆浆浓/%
混合高浓浆 生产线高浓磨浆 30 18、21、24
混合高浓+低浓浆 生产线高浓磨浆+实验室低浓打浆 30 18、21、24 1.57
混合低浓浆 生产线低浓磨浆 30 4
实验室浆 实验室低浓打浆 35、30、25 1.57

1.3.3　手抄片的制备

将浆料稀释至一定浓度，在自动纸页成型器中进行抄片，手抄片定量分别为60 g/m2和15 g/m2；其中，不同定量的混合高浓+低浓浆手抄片的外观形貌如图1所示。

图1  手抄片的外观形貌

Fig. 1  Appearance of handsheets

1.4　浆料与手抄片性能检测

打浆度按照GB/T 3332—2004进行测定；取适量浆料，使用纤维质量分析仪测试纤维的平均长度、扭结指数、细小纤维含量；用赫氏试剂染色制片，用XWY-Ⅶ纤维仪观察纤维形态；将手抄片在相对湿度(50±2)%和温度(23±1) ℃的条件下平衡4 h，按照相应国家标准测定，对定量60 g/m2手抄片测试抗张指数；对定量15 g/m2手抄片测试松厚度、柔软度、吸水性（用接近卫生用纸的定量反映真实性能，定量15 g/m2手抄片实验室无法测试抗张指数）。

2 结果与讨论

2.1　混合高浓浆纤维性能及其手抄片物理性能

在磨浆机磨浆间隙、转速和喂料量一定时，对混合浆料进行高浓磨浆（长纤质量分数30%），得到混合高浓浆，并与相同配比的混合低浓浆的纤维形态进行对比，结果如图2所示；2种浆料纤维性能及手抄片性能对比分析的结果如图3和图4所示。

图2  混合高浓浆与混合低浓浆的纤维形态

Fig. 2  Fiber morphology of mixed high-concentration pulp and mixed low-concentration pulp

图3  磨浆浆浓对纤维性能的影响

Fig. 3  Effect of refining consistency on fiber characteristics

图4  磨浆浆浓对手抄片性能的影响

Fig. 4  Effect refining consistency on handsheets properties

从图2可以看出，混合低浓浆纤维较平直，无明显扭结，纤维分丝帚化多集中在长纤上，纤维细胞壁和纤维端部均有分丝帚化。混合高浓浆的纤维扭结较明显[

10]，分丝帚化效果不显著，短纤的纤维细胞壁比较光滑，无明显分丝帚化现象；分丝帚化同样主要发生在长纤上，纤维细胞壁出现轻度分丝帚化，纤维端部未分丝帚化。

从图3可以看出，与混合低浓浆纤维相比，混合高浓浆（磨浆浆浓18%~24%）打浆度较低，且随磨浆浓度的提高，其打浆度变化不大，这主要是因为高浓磨浆的细小纤维产生量较少，浆料滤水性能好，因此打浆度上升缓慢；由于磨浆浓度较高，单根纤维之间的摩擦加剧，产生较多的摩擦热，使纤维得到软化，从而更易卷曲、扭结[

9]，所以混合高浓浆的纤维扭结指数较大。

从图4可以看出，与混合低浓浆手抄片相比，混合高浓浆（磨浆浆浓18%~24%）手抄片抗张指数较低，均低于混合低浓浆手抄片；随着磨浆浆浓的提高，抗张指数总体呈上升趋势，磨浆浆浓从18%提高至21%时，手抄片抗张指数显著上升，升高了14.5%；随磨浆浆浓进一步提高，手抄片抗张指数提升不明显。

混合高浓浆手抄片松厚度、柔软度和吸水性均优于混合低浓浆手抄片，且随磨浆浓度的提高，混合高浓浆手抄片松厚度、吸水性变化不大，柔软度值略有升高，但仍然低于混合低浓浆手抄片。

2.2　混合高浓+低浓浆纤维性能及其手抄片物理性能

混合高浓浆手抄片强度性能较差，但松厚度、柔软度和吸水性较好；因此，混合高浓浆在制备需要较高松厚度及柔软度的卫生用纸时具有一定的优势。将混合高浓浆进行实验室低浓打浆处理，考察混合高浓+低浓浆纤维性能和手抄片物理性能的变化规律，并与混合低浓浆手抄片物理性能进行对比分析，结果如图5和图6所示。

图5  混合高浓+低浓浆的纤维性能

Fig. 5  Fiber properties of mixed high-consistency + low-consistency pulp

图6  混合高浓+低浓浆手抄片的性能

Fig. 6  Handsheets properties of mixed high-consistency + low-consistency pulp

对比图3(a)和图5(a)，不同磨浆浆浓的混合高浓浆经低浓打浆处理后，打浆度均显著上升，升高至25 °SR左右，但依然低于混合低浓浆；对比图3(b)和图5(b)，混合高浓+低浓浆的纤维扭结指数较混合高浓浆出现明显下降，这是因为低浓打浆对扭结的纤维有一定的拉伸作用；混合高浓+低浓浆细小纤维含量变化不大，这是因为高浓磨浆产生的高温使纤维变得更加柔软，低浓处理对纤维的分丝帚化作用大于切断作用，产生的纤维碎片较少，因此细小纤维产生量较少，这对生产过程中减少纸张的掉毛现象有一定的积极作用。

从图5和图6可以看出，混合高浓+低浓浆打浆度依然低于混合低浓浆，但混合高浓+低浓浆手抄片的抗张指数高于混合低浓浆手抄片，且随磨浆浆浓的提高，抗张指数持续升高。当磨浆浆浓为18%时，混合高浓+低浓浆手抄片的抗张指数比混合低浓浆手抄片高15.5%，松厚度高1.3%；当磨浆浆浓由18%提高到21%时，混合高浓+低浓浆手抄片抗张指数提高10.0%，比混合低浓浆手抄片高27.0%，松厚度低1.3%；随磨浆浓度的进一步提高，抗张指数上升速度减缓，对松厚度和吸水性的不利影响继续增加，吸水性取决于纤维间的毛细管效应，随纤维结合强度的提高，毛细管效应随之减弱，因而吸水性变差。磨浆浆浓18%的混合高浓+低浓浆手抄片抗张指数、松厚度、柔软度和吸水性能均优于相同纤维配比的混合低浓浆。以上结果说明磨浆浆浓18%，混合高浓+低浓浆在打浆度较低（25 °SR）的情况下，即可达到混合低浓浆的性能水平，且制备的手抄片强度性能更优。

2.3　纤维配比对实验室浆手抄片物理性能的影响

利用实验室打浆工艺模拟生产线效果，研究纤维配比（长纤质量分数25%、30%、35%）对实验室浆及其手抄片性能的影响，进一步与混合高浓+低浓浆进行对比，结果如图7所示。

图7  混合高浓+低浓浆与不同长纤质量分数的实验室浆性能对比

Fig. 7  Comparison of performance of lab pulp with different long-fiber ratios and mixed high-concentration+low-concentration pulp

从图7可以看出，浆料打浆度为23 °SR时，长纤质量分数30%的混合高浓+低浓浆手抄片抗张指数、吸水性与长纤质量分数35%的实验室浆手抄片性能相近，松厚度高5.7%，柔软度低27.6%，说明与长纤质量分数35%的实验室浆相比，长纤质量分数30%的混合高浓+低浓浆在保障手抄片物理性能的前提下，混合高浓+低浓工艺可使长纤用量减少5%，且手抄片拥有更好的手感。

长纤质量分数30%、打浆度25 °SR的混合高浓+低浓浆手抄片比长纤质量分数35%、打浆度23 °SR的实验室浆手抄片的抗张指数高16.0%、柔软度低29.0%；比长纤质量分数30%、打浆度25 °SR的实验室浆手抄片的抗张指数高3.7%、松厚度高4.7%、柔软度低8.8%；比长纤质量分数25%、打浆度29 °SR的实验室浆手抄片的抗张指数高7.7%、松厚度高6.7%、柔软度低48.9%，但混合高浓+低浓浆手抄片的吸水性略差，始终低于实验室浆手抄片。

随着长纤质量分数的降低和浆料打浆度的提高，实验室浆手抄片的强度性能虽然有一定程度的增加，但对松厚度和柔软度的负面影响也很明显；随着打浆程度的加剧，细小纤维含量增加，也会加剧生产过程及使用过程的掉毛现象；因此，工厂为降低成本，会减少长纤用量、提高打浆度，虽然此举解决了部分强度指标要求，但由于细小纤维含量的增加带来的对生产及产品的不利影响也愈加突出。综上所述，混合高浓+低浓工艺在提高手抄片强度、松厚度和柔软度方面存在不可替代的作用，但在吸水性方面依然有待提高。

3 结论

3.1 混合高浓浆的细小纤维含量较少，纤维扭结较明显，分丝帚化主要发生在长纤上；手抄片松厚度、柔软度及吸水性较好，但抗张指数较差。

3.2 混合高浓+低浓浆在打浆度较低（25 °SR）的情况下，即可达到混合低浓浆（打浆度36 °SR）的性能水平，且手抄片强度性能更优。

3.3 打浆度23 °SR时，长纤质量分数30%的混合高浓+低浓浆手抄片的松厚度比长纤质量分数35%的实验室浆手抄片高5.7%、柔软度低27.6%，二者抗张指数相近，说明混合高浓+低浓工艺在降低长纤用量方面有一定优势。

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