全 文 ：前沿 热点 Front Focus
　国际造纸　2007年　第 26卷　第 1期
用落叶松和白桦代替部分黑云杉生产新闻纸用 TMP
Partial Substitution ofHybrid Larch and B irch for Black
Spruce TMP for the Production ofNewsprintGrade
Zha Quanqing, 　Robert Lanouette, 　Kwei-N am Law
(In tegra ted Pu lp and Pape rCenter, Un iversité duQuebec a Trois-R iv iè res, CanadaG 9A5H7)
由于传统树种的纤维供应量严重短缺 , 如加拿大
一些地区尤其是魁北克省 , 云杉和香脂冷杉供应不
足 , 因此制浆造纸厂正努力寻找其他树种以填补这个
缺口。以前 , 落叶松 、斑克松和桦木等具有特殊木材
特征的树种 , 很少用于生产机械浆。
落叶松的生长速度约为云杉的 3 ～ 4倍 , 这已经
引起林学家的高度重视。然而 , 由于落叶松的晚材率
较高 , 而晚材纤维具有很厚的细胞壁 , 因此不适合生
产机械浆。落叶松机械浆的造纸性能与中国的马尾松
相似。另外 , 落叶松高得率浆可以赋予纸张优良的性
能 。本研究使用杂交落叶松部分代替黑云杉生产热磨
机械浆 (TMP)。魁北克省的白桦比较丰富 。由于白
桦密度较高且细胞类型比较复杂 (如含有导管 ), 因
此在 TMP生产中通常不大适合用于部分代替的纤维
组分。本文的主要目的是研究用杂交落叶松或白桦代
替黑云杉生产抄造新闻纸用 TMP的可能性 。
1　试　验
本研究用黑云杉作为主要树种 , 用杂交落叶松和
白桦来部分代替黑云杉。 TMP试验在 CD300中试热
磨机设备上进行 。磨浆可分 2段:第 1段在 125℃下
磨浆 , 第 2段在大气条件下磨浆。磨至游离度 50 ～
300mL, 并根据 PAPTAC(加拿大制浆造纸技术协会)
的标准方法测定浆的性质 。
2　结果与讨论
从 4个方面讨论其与游离度的关系:①在相同
游离度下磨浆能耗与产量的关系;②反映磨浆过程
中纤维物理破坏状况的纤维物理性能;③与纸张机
械性能相关的纤维强度性能;④与最终纸张光学性
质有关的纤维光学性能。
2.1　单位能耗
木片磨浆机理是一个随机且很难彻底解释清楚的复
杂机理。磨浆作用包括纤维分离 、细胞壁破裂 、长度缩
短 、表面帚化 、细胞壁分层和细纤维化。磨浆后最终纸
浆中包含各种尺寸和形状的纤维组分。磨浆程度取决于
操作条件 , 例如施加的能量 、磨浆强度、 温度 、浓度和
纤维形态等。首先 , 必须清楚机械浆的游离度主要受细
小纤维数量的影响 , 尤其是磨浆过程中产生的细纤维组
分。例如 , 如果很快就产生细小纤维 , 那么达到给定游
离度所需的能耗将相对较低。针叶木(云杉和落叶松 )磨
浆和阔叶木(白桦)磨浆所需要的单位能耗相差很大。从
图 1看出 , 云杉和落叶松的单位能耗与游离度的关系相
同 , 而与前 2种针叶木相比 , 在相同游离度下白桦的单
位能耗更大。导致能耗差异的因素可能有 2个:白桦的
细小纤维具有低的比表面积 , 或者白桦纤维较短(约为
多数针叶木纤维的 1 /3), 因此不易发生裂断 , 或者是这
2个原因的共同影响。
　　本文曾在 3rd ISEPPP, Guangzhou, C hina, 2006发表。
尽管落叶松和黑云杉具有相似的单位能耗与游离
度关系 , 但两者共同磨浆会在减少磨浆能耗方面产生
积极的协同作用 , 说明纤维裂断的本质与单树种磨浆
时不同 , 这暗示了不仅细小纤维的数量 , 而且所有纤
维组分的物理性能都可能受到影响。
将黑云杉与白桦一起磨浆时 , 其能耗高于 100%
黑云杉的磨浆能耗 , 但低于 100%白桦的磨浆能耗。
换句话说 , 协同磨浆对云杉产生正面作用 , 但对白桦
产生负面作用。与云杉或落叶松比较 , 白桦的磨浆能
耗特别高 , 说明纤维形态对其磨浆性能具有重要的影
响 。很显然 , 由于白桦纤维短且挺 , 导管直径较大 ,
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对其磨浆能耗或最终纸浆性能具有重要影响。这再次
说明与单一树种磨浆相比 , 混合树种磨浆会改变最终
纤维的物理本质 。
注　L代表落叶松;S代表黑云杉;B代表白桦 , 下同。
图 1　单位磨浆能耗与游离度的关系
2.2　纤维的物理特性
下面讨论纤维物理性能 , 包括纤维的平均长度 、
筛渣含量 、 细小纤维含量和纸页紧度 。
在一定的游离度下 , 纤维初始长度相似的树种不
一定生产出纤维平均长度相近的纸浆。本研究中使用
的黑云杉和落叶松就是属于这种情况 , 如图 2(a)所
示。这与纤维的其他形态特征 (例如细胞壁厚度)有关。
众所周知 , 杂交落叶松的晚材纤维细胞壁比黑云杉厚 ,
而落叶松的晚材纤维含量较高 。可能是高比例的厚壁
细胞导致易脆的薄壁早材纤维发生碎纤维化 , 因此由
于落叶松的引入而降低云杉浆料的纤维平均长度。
白桦纤维的长度为黑云杉纤维的 1 /3。将白桦加入到
黑云杉中一起磨浆会导致纤维平均长度降低 , 如图 2(b)
所示。由于这 2个树种的纤维初始长度差异很大 , 因此不
清楚磨浆期间在纤维断裂上彼此之间如何相互作用。
　　图 3清楚地揭示了木材种类或纤维形态对筛渣的
产生起着重要作用。与黑云杉相比 ,晚材纤维含量特别高
图 2　纤维重均长度与游离度的关系
图 3　筛渣含量与游离度的关系
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的杂交落叶松具有更厚的细胞壁 , 因此会产生大量的筛
渣。筛渣量随着混合浆中落叶松含量增加而增加。这些筛
渣主要由晚材纤维束组成 , 杂交落叶松更是如此。
尽管白桦的木材密度相当高 , 但它展示给人们一
个完美的现象:当分别进行磨浆时 , 白桦产生的筛渣
比云杉少。令人奇怪的是 , 将白桦掺入到云杉浆料中
一起磨浆所产生的筛渣有增加趋势 , 尤其是当白桦加
入比例小于 80%时 。这种情况进一步说明了共同磨
浆的复杂性 。
细小纤维含量能部分解释磨浆期间纤维发生碎纤
维化的性质。从图 4(a)中可以明显看出 , 与木材紧度
较低的黑云杉相比 , 高密度的树种 (例如落叶松和白
桦)倾向于产生更多的细小纤维 。然而 , 在产生细小纤
维时并不是较挺硬的晚材纤维更易碎 , 我们相信杂交
落叶松中的薄壁早材纤维在剧烈的磨浆作用下更易发
生碎纤维化。晚材和早材纤维的细胞壁厚度差越大 ,
早材纤维发生碎纤维化的可能性越高。木材原料中机
械性能较差的组分将吸收更多的能量并优先获取能量 。
图 4　细小纤维含量与游离度的关系
　　对白桦来说情形有所不同 。白桦晚材纤维含量较
小 , 且纤维尺寸 (长度和宽度 )小 , 纤维细胞壁相对
较厚。此外 , 阔叶木含有薄壁和大直径的导管 , 纤维
类型比针叶木更复杂。阔叶木中的导管是易脆组分 ,
在磨浆过程中易发生碎纤维化 , 产生细小纤维颗粒。
这也是白桦具有特别高的细纤维含量的原因。如图 4
(b)所示 , 细小纤维含量取决于浆料中落叶松或白桦
的加入量。
手抄片紧度的变化反映了磨浆引起的所有纤维特
征变化 , 也显示了纸张的最终物理和光学性能 。在纸
浆质量参数中 , 筛渣含量尤为重要;高筛渣含量会使
纸张内纤维间的结合减弱 , 纸张变得松厚 , 纸张强度
性能(如抗张指数和耐破指数 )降低。此外 , 纤维网
状物中单根纤维的柔韧性和适应性对纸张的物理和光
学特性也十分重要。
从图 5看出 , 磨浆时在云杉中加入落叶松或白桦会
大大降低纸张紧度 , 这显然与前面讨论的纤维特征有关。
图 5　手抄片紧度与游离度的关系
2.3　强度性能
从图 6看出 , 为生产出具有合格抄纸性能的机械
浆 , 混合磨浆时落叶松或白桦的用量有一定的限度。
建议将落叶松或白桦的最大使用比例限制到约 30%,
以使其对纸张强度性能的负面影响减到最小。如果不
采取一些化学处理以改进这些树种的纤维质量 , TMP
中单独使用落叶松或白桦无法得到质量合格的纸浆 。
　　在黑云杉中加入白桦混合磨浆的一个优势是 ,当
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图 6　抗张指数与游离度的关系
图 7　撕裂指数与游离度的关系
白桦用量达到 40%时 , 可维持相对满意的撕裂指数 ,
这是因为浆料中含有长纤维(图 7)。另一方面 , 由于
白桦中的短纤维导致其本身的撕裂指数比较差 。然
而 , 白桦用量达 20%时可以赋予纸张良好的撕裂度。
2.4　光学性能
落叶松中含有大量的抽提物 , 大多数抽提物是水
抽提性的。高抽提物含量使得落叶松颜色通常比较
暗 , 落叶松浆的亮度十分低(图 8)。在云杉中加入任
意比例的落叶松木片磨浆都会使最终纸浆的亮度降
低 , 从而使其漂白费用升高。
图 8　亮度与游离度的关系
　　与落叶松不同 , 白桦浆的亮度较高 , 如图 8所
示 。事实上在云杉浆料中加入白桦纤维对纸浆亮度没
有太大的负面影响。
光散射系数是印刷纸的重要参数 , 纸张的光散射
系数与纤维网络的光散射性能有紧密关系 , 这揭示了
浆料中细小纤维的内在特征 。与细纤维化组分相比 ,
未细纤维化的颗粒如木射线细胞和从纤维壁外层脱落
的薄片组分 , 具有更高的光散射能力 。而细纤维化组
分倾向于在纸张成形过程中结合在纸张纤维表面 , 降
低了纸张的光散射潜力。图 9清楚地显示 , 白桦机械
浆的光散射系数比针叶木浆高得多。因此 , 在针叶木
浆料中加入白桦纤维可改善最终纸浆的比光散射系数。
(下转第 28页)
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研究开发 Research＆ Developem ent
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图 4　8 mm规格的纸张匀度与印刷斑点的相关性
斑点有重大影响;(2)在此特定的范围内 , 印刷斑点的
形成有一半原因可由纸张的匀度来解释。 5 ～ 8mm匀度
规格是人的视觉非常敏感的范围 , 匀度对产品质量如印
刷斑点的影响很重要。因此 , 造纸生产中必须控制未涂
布文化用纸纸页成形过程中 5 ～ 8 mm范围絮状物的形
成 , 以减少印刷斑点。如果改善其他大小的絮状物来改
善匀度 , 纸张可能在视觉观察上效果较好 , 但不会取得
良好的印刷效果 , 因为在 5 ～ 8mm规格范围外的匀度不
会导致印刷斑点。由此可知 , 匀度仅在一定规格范围内
变化才对印刷斑点有影响的假设是正确的。
匀度和印刷斑点的结果都以波长为单位 , 由于波
长是所测量物体尺寸的 2倍 , 5 ～ 8mm规格匀度相当
于絮状物或空隙尺寸的 1 /2, 即 2.5 ～ 4mm。
图 5　纸张匀度规格函数与印刷斑点的相关性
3　结　论
通过仪器分析确定了未涂布高级纸的匀度与印刷
适性之间的关系 。 5 ～ 8mm的匀度规格对印刷质量有
最大的影响 , 其他匀度规格对其影响很小或没有影
响 。为了确保未涂布高级纸在 (Heidelberg)印刷机上
的最佳印刷适性 , 在抄纸过程中必须控制和优化 5 ～
8mm的匀度规格。印刷斑点也取决于其他因素如表
面性能 、孔径和填料分布 , 由于测试纸样的来源不
同 , 因此 , 这些可能是影响试样印刷斑点的其他因
素 。实验证明 , 纸张匀度是影响此种印刷方式和纸种
的印刷斑点的最重要因素 。 (责任编辑:王　岩)
(上接第 14页)
图 9　光散射系数与游离度的关系
3　结　论
研究表明 , 利用杂交落叶松和白桦部分代替黑云
杉可生产出具有合格抄造性能的 TMP, 但这种树种
纤维的使用比例不宜超过 30%。这个数字对于缓解
传统纤维(例如云杉)的供应压力意义重大 。
在 TMP中大量使用落叶松和白桦的问题在于纤
维形态的差异 (与云杉相比 )。杂交落叶松含有高比
例的晚材 , 这些晚材主要由厚壁纤维组成;而白桦含
有细胞壁较厚 、 细胞腔直径较小的纤维和薄壁且细胞
直径特别大的导管组分。这些纤维形态方面的特性导
致机械浆质量较差。
为了提高落叶松和白桦在 TMP中的使用量 , 或
增强高级纸种中机械浆的质量 , 必须采用新的制浆策
略以改进这类纤维的造纸性能 。研究已经表明 , 通过
对木片横向压缩的机械处理能够显著改进纸浆质量和
降低单位磨浆能耗。 (周军锋 译)
(责任编辑:于　红)
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