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纸浆模塑浆液的制备技术

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【摘要】:

不论使用何种成型设备,纸浆模塑产品的生产工艺流程大致如下:

料——打浆——添加化学助剂——成型。它们之间相互牵连、相互作用、相互影响,特别是备料(浆料、填料)和打浆工艺是纸浆模塑生产的基础。

根据产品的要求,选择合适的原材料(包括浆种、填料和化学助剂),科学设计打浆工艺,是保证产品质量、降低产品成本的重要环节。因此,纸浆模塑企业要提高纸浆模塑制品的质量,降低制品的成本,首先对纸浆模塑生产过程中的备料、打浆工艺的机理和相关知识要清楚,每道工序必须由专业技术人员负责,这一点往往被一些企业忽视。作者在中国包装报上介绍的有关纸模生产过程中添加填料、使用助留剂的文章引起了有关企业的重视,纷纷来电咨询。因为这些问题与浆料的制备、打浆工艺的选择密切相关,在此我把浆料制备的相关知识分三个部分作一介绍,希望能对一些纸模企业有所帮助。

   一、浆料的种类、性质及组织成分

 1、浆料的种类

  我国常用的造纸原料有木浆和草浆两大类。由于我国木浆资源缺乏,而草浆资源相对比较丰富,所以我国造纸原料,特别是纸浆模塑制品大都采用一年生的草浆纤维原料。至于有关纸模业一年要消耗多少亩森林的说法则完全是一种误解。

  木浆纤维类又分为针叶木浆纤维(如马尾松、落叶松、红松、云杉等)和阔叶木浆纤维(如桦木、杨木、椴木、桉木、枫木等)两类。纸浆模塑制品因为需要具有一定的强度并能经受拉伸,浆料中一般都加有15~20%的针叶浆。

   草浆纤维又分:

   (1)禾科纤维原料(如稻草、麦草、芦苇、竹、甘蔗渣等);

   (2)韧皮纤维原料(如大麻、红麻、亚麻、桑皮、棉杆皮等);

  (3)种毛纤维原料(如棉纤维等)。

 2、木浆与草浆的物理与化学性质的区别

   (1)它们的纤维形态和物理状况不同。针叶木纤维较长,一般长度在 2.56~4.08 毫米之间,宽度在 40.9~54.9 微米之间,其宽比多在 70 倍以下;阔叶木纤维短,一般长度在 1 毫米左右,其长宽多在60 倍以下;草类纤维中,甘蔗渣原料纤维较长,在 1.01~2.34 毫米左右,宽度在 16.7~30.4 微米之间,其长宽比多在 77 倍左右芦苇原料纤维长为 0.60~1.60 毫米左右,宽度在 5.9~13.4 微米右,其长宽比多在 115 倍左右;芒秆类原料纤维长 0.81~2.58 毫米左右,宽度在 13.2~19.6 微米之间,其长宽比多在 100 倍左右。

  (2)纤维的组成不同。植物纤维原料的主要成分包括纤维素、半纤维素和木素三种。次要成分包括果胶、淀粉、丹宁、色素、树脂、脂肪、蜡质、灰分等。

  纤维素存在于一切植物的细胞壁内,是植物纤维的主要成分,约占40~98%,它是在制浆过程中应极力设法保留的部分。

  半纤维素是非纤维素的碳水化合物,半纤维素的结构疏松无定形,易于吸水润胀,易溶于稀碱液。草类原料中半纤维素的含量约占 30%左右,其化学性质与纤维素相似,但反应比纤维素快且易。半纤维素也是在制浆过程中应该极力保留的部分。

  木素是由苯丙烷结构单元构成的芳香族的天然高分子化合物,不是单一的物质,是这一类性质相似物质的总称,是一种无定形结构的物质。草类原料中一般含木素 20%左右,原料中含木素愈多,则制浆愈困难,因为木素使纤维互相粘在一起。化学制浆就是用化学药品使纤维原料中的木素溶出,使纤维互相分离成浆。

  (3)它们的化学成分不同。针叶木组织结构严密,杂细胞含量少,化学浆料中的杂细胞多在洗涤时流失,故浆料质量好,木素含量高,在25~35%之间,且多戊糖含量低,多在 9~12%之间,纤维不易吸水润涨,打浆较困难;阔叶木组织结构更紧密,且含有较多的杂细胞,木素含量较针叶木低,一般在 20~24%之间,且多戊糖含量高,一般在 21~24%之间,故打浆容易;草类浆的特点是多戊糖含量高,一般在 20%左右或更多,纤维容易水化,木素含量低,均在 15%以下,灰分含量都比木材高。草类浆含有比木浆更多的阴离子杂质,该类有害阴离子杂质在湿部的积累,将使一些阳离子助剂效果变差,甚至有可能使阳离子助剂完全失效。其高阴电性也影响纸浆中细小纤维的絮聚和减少纤维间的氢键结合,从而影响到纸浆纤维的留着和滤水,严重时将会造成粘网和堵塞模具孔眼。

  (4)他们的纤维表面电位不同。浆料中的纤维、细小纤维、可溶性有机物质或胶体物质(可溶性有机物质和胶体物质统称为阴离子杂质)、填料一般均带一定量的负电荷,由于原料、制备工艺等方面的差异,变化范围很大,它们的表面电荷性质和电位值也不同。

  由于木浆与草浆的以上不同点,对化学助剂的选用,必须考虑它适应的浆种、填料品种以及它们的离子特性、分子量的大小、添加位置以及化学助剂的用量等。理想的助剂添加量是使浆料系统的电位值为零(等电点)时的添加量。

 二、打浆系统的工艺设计

  打浆系统的工艺流程通常为:选配料——碎浆——疏解——添加助剂——上网成形。该系统的设备通常包括:水力碎浆机、硫解除尘机、搅

拌器等。有的企业为了生产高质量的纸餐具,在碎浆机之后还安装有洗鼓,用以洗浆。

 1、水力碎浆机。水力碎浆机主要用来处理粉碎浆料,它对纸浆有分散作用,而没有切断作用。

  水力碎浆机分为低浓、中浓、高浓碎浆三种,纸浆模塑碎浆机械一般选用中浓碎浆机。经验证明,中浓碎浆能够缩短打浆时间、降低能耗、提高设备的利用率、降低生产成本,而且还能提高浆液的质量,有利于成形机的抄造。

 2、双功能疏解机。虽然纸料通过疏解机的时间只有几秒钟,但经碎浆机粉碎的碎浆经过疏解机的切断、分丝、细纤维化,可使纸制成品布浆均匀,改善化学助剂的匀度,同时还可增加成品的强度。另一个功能可以除尘。

 3、搅拌器。各浆池的搅拌器主要起分散、匀浆作用,但它的搅拌速度却对化学助剂起着重要作用。一些高分子量的聚合助剂经过搅拌器的高速剪切作用,破坏了它的长分子链,使化学助剂的作用遭到破坏、水解。搅拌器的搅拌速度一般应在 30~60 转/分钟左右。

三、打浆原理与作用

 纸浆模塑打浆的原理是:利用物理(机械)的方法,处理悬浮于水中的纸浆纤维,使其具有适应纸浆模塑制品成形机生产要求的特性,并使所生产的纸模制品能达到预期的质量要求,这一操作过程叫打浆。

 1、打浆的原理

  纸浆纤维经过打浆设备的机械处理后,变得柔软可塑。它的原理就是通过打浆设备对纤维的作用,使纤维产生切断、压溃、吸水润胀和细纤维化,使纤维表面积增大,从而增加纤维与纤维之间的结合力。随着打浆的进行,纤维的结合力不断上升,但纤维平均长度有所缩短。实践证明,纸制品的一些物理特性,如耐折度、耐破度、吸水性、透气性等都与打浆式有着密切的关系。因此在确定打浆方式时,要根据纸浆原料和纸制品的不同要求,合理选择。

 2、打浆对纤维的作用

  打浆对纤维的作用,主要是使其发生物理及化学变化,不论使用何种类型的打浆设备,都使纤维产生切断、压溃、吸水润胀和纤维细化。当纤维受到上述作用后,其主要变化都发生在纤维的细胞壁上,纤维细胞壁的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以后,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。

  (2)打浆使纤维初生壁和次生壁发生破除。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和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。

   (3)打浆后纸浆纤维吸水发生润胀。纤维初生壁未被打破之前,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。

  (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。由于细纤维化的发生,增强了纤维与纤维之间的交织能力,从而使纸制品的物理强度有较大的提高。

  (5)由于打浆设备的剪切作用,纤维被横向切断。在打浆过程中,由于打浆设备的剪切作用,使纤维被切断。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。长纤维经过适当切断,可以提高纸模制品的组织均匀性和平滑性。但切得过短,纸制品的强度就会降低。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,就不容易被切断,而易于分丝帚化。反之,吸水润胀不好,纤维硬,则容易被切断。

  (6)打浆与纸制品的性质和强度关系。打浆质量的好坏,直接影响到纸制品的强度和纤维的结合力。良好的打浆质量能够生产出强度较高的纸模制品。如果纸模制品的强度不够,不能单纯归结为单根纤维的强度不够,而应考虑是否纤维结合力不足。纸模制品强度的高低是由多方面的原因决定的,它取决于纤维之间的相互粘合能力、纤维长度、纤维本身的强度、纤维表面状况和纤维的排列等因素。总之,纸模制品强度的获得主要来自于纤维的结合力,也就是由氢键结合形成的程度来决定。