一种盘磨机磨片及高强麦草化机浆的制备方法

技术领域

本发明涉及制浆造纸领域，更具体地，涉及一种盘磨机磨片及高强麦草化机浆的制备方法。

背景技术

非木材纤维是我国重要的造纸原料来源，其来源广泛、价格低廉、可再生性强，包括芦苇、蔗渣、竹材、稻麦草等，主要用来生产生活用纸、包装纸及部分文化用纸等，但由于受到科技水平的限制，无法突破现有工艺条件，难以取代传统木材纤维的制浆地位。近年来，随着造纸工业的快速发展，麦草化机浆在行业中的潜力被重新激发出来，利用盘磨机磨浆制备麦草化机浆是当下十分重要的手段。作为盘磨机的重要组成部分，磨片的形状与结构参数影响磨浆过程中纤维的形态，进而影响麦草化机浆的纸张性能。针对不同造纸原料如何科学的选择磨齿结构参数缺乏深入研究，这对制浆造纸行业来说，是急需解决的重要问题。

现有技术公开了由多片扇形磨片组成的圆盘形磨片，每片扇形磨片划分为疏解区(1)、粗磨区(2)和精磨区(3)，所述三个区沿半径方向的长度相同；各区之间间隙为3～5mm。应用于废纸再利用过程中的磨浆过程，可减缓传统磨片磨浆过程对再生植物纤维的性能的损伤。

现有技术公开了一种用于植物材料分丝的盘磨机磨片，磨片具有圆环形片状结构；一表面从圆环外缘至内缘依次设有磨区I～磨区VI六个磨区；磨区I～磨区VI分别设有若干条形磨齿，各磨区内的条形磨齿沿磨片圆弧方向纵向排列，且各相邻条形磨齿之间的平均间距相等，该磨片适合于磨制植物材料，尤其是烟草材料。

然而，现有技术对麦草浆制浆工艺中的磨片研究较少，麦草化机浆盘磨机磨片主要使用适用于木材化机浆的磨片，但是麦草原料化学组成和纤维形态与木材有较大区别，特别麦草原料表面存在一层厚厚的角质层(脂肪、果胶和蜡质等)，在麦草磨浆过程容易出现“打滑”、纤维难以有效分离的现象，使得现有技术的盘磨机对制备麦草化机浆的效果不佳。

发明内容

本发明为克服上述现有技术无法解决在麦草磨浆过程容易出现的“打滑”、纤维难以有效分离的缺陷，提供一种盘磨机磨片及其盘磨机。

本发明的另一目的在于提供一种麦草化机浆及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种盘磨机磨片，磨片根据磨齿的排列方式包括以下类型：斜型磨片、斜平型磨片、V型磨片；磨片设有疏解区、粗磨区和精磨区，磨片外缘为精磨区，磨齿为条形，磨齿在精磨区内沿磨片圆弧方向纵向排列，磨齿与磨片半径之间存在斜倾角；

磨齿齿宽为大于2mm，小于或等于2.5mm；

斜平型磨片和V型磨片的齿沟宽度为2.5～3mm。

优选地，斜型磨片的磨齿个数大于41个，斜平型齿数为54～65个，V型磨片磨齿个数为56～60个。

优选地，磨片类型为V型，磨齿宽度为2.5mm，齿沟宽度为2.5～3mm，磨齿个数为60个。

优选地，所述磨片设有挡坝。所述挡坝增加了纤维磨浆时的停留时间，增加纤维之间揉搓程度；其次磨片磨齿设计倾斜角，可以增加齿面法向力，增强浆料纤维之间作用力，促进纤维解离。

在适当磨片齿宽下，麦草纤维受到磨片的挤压作用力增加，相互摩擦揉搓更充分，纤维解离、分丝帚化效果好；当齿沟宽过大，齿数减少，纤维在齿沟中的停留时间加长，纤维揉搓不够充分，纤维解离和分丝帚化效果降低。盘磨间隙对麦草化机浆性能影响较大，盘磨间隙过小，盘磨磨片之间的麦草原料量少，纤维挤压作用力过大，容易切断纤维；盘磨间隙过大，麦草之间接触碰撞机率下降，降低了麦草原料之间揉搓作用，纤维解离效果差。

进一步地，所述斜型磨片相邻磨齿间距由磨片圆心向外缘方向逐渐变宽，呈放射状；

所述斜平型磨片由若干单元组成，每单元磨齿数量相等，相邻磨齿间距相等，相邻两单元的磨齿斜倾角相等；

所述V型磨片由若干单元组成，每单元磨齿数量相等，相邻磨齿间距相等，相邻两单元的磨齿斜倾角以相邻处半径轴对称分布，呈V型。

一种盘磨机，设有所述盘磨机磨片，所述盘磨机用于麦草化机浆的制备。

一种麦草化机浆的制备方法，包括以下步骤：

S1.强化预处理：

(1)水热预处理；

①将麦草样品加入到蒸煮器中保温并计时；

②待反应结束后，取出蒸煮罐，迅速放到冷水中冷却；

③冷却至室温后，取出反应后麦草，并进行过滤收集水解液；

④对收集反应后的麦草进行洗涤，并保存备用；

(2)碱预处理；

①取水热预处理后的麦草，调节浆浓和用碱量；

②热水浴保温处理，期间揉搓若干次；

S2.盘磨机磨浆：

①打开所述盘磨机待转速稳定后，先将盘磨机的间隙调零，然后再调整第一段盘磨间隙；

②将强化预处理之后的麦草原料在盘磨机中进行第一段磨浆；

③第一段磨浆结束后，将盘磨间隙调整为第二段盘磨间隙；

④磨浆时填料速度均匀，收集中间部分浆料，对浆料进行筛洗，备用。

进一步地，水热预处理的蒸煮器温度为140～155℃，保温时间为0.5～2.0h；

优选地，水热预处理的蒸煮器温度为145℃、保温时间为1.5h。

优选地，水热预处理中尼龙袋为200目。

进一步地，所述碱预处理的浆浓为大于或等于10％，小于25％；所述用碱量为3％～5％；

优选地，浆浓为20％，用碱量为4％。

优选地，碱预处理的热水浴温度为95℃，保温时间为60min，期间每10min揉搓一次。

进一步地，S2所述两段磨浆的第二段盘磨间隙为大于0.035mm，小于0.25mm；

优选地，第一段盘磨间隙为0.15mm；优选地，第二段盘磨间隙为0.075mm。

一种麦草化机浆，由上述麦草化机浆的制备方法制备得到。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

(1)本发明针对麦草原料特性，对麦草化机浆盘磨机磨片结构进行了创新设计，斜型、斜平型、V型三种类型的磨片齿形具有三种不同齿宽和齿沟宽结构。使用本发明盘磨机制备的麦草化机浆，其抄造的纸张抗张指数、裂断长、撕裂指数、耐破指数等强度指标显著提高。

(2)在本发明的磨片齿宽下，麦草纤维受到磨片的挤压作用力增加，相互摩擦揉搓更充分，纤维解离、分丝帚化效果好；在本发明的齿沟宽下，纤维在齿沟中的停留时间减少，纤维揉搓充分，纤维解离和分丝帚化效果提高。

(3)在本发明的磨浆浓度下，麦草原料之间摩擦、挤压更充分，增加揉搓和扭曲程度，产生大量摩擦热使麦草原料软化，有利于麦草纤维分丝帚化；在本发明的盘磨间隙下，纤维之间揉搓程度高，纤维解离效果好，细小纤维含量适中。

(4)本发明以水热预处理和碱预处理联合强化预处理麦草。在本发明预处理条件下，经过两段磨浆，麦草化机浆麦草化机浆纤维长度、卷曲指数、扭结角度分别高达549μm、15.2％、122°，麦草化机浆抄造的纸张抗张指数、裂断长、撕裂指数和耐破指数分别高达45.21N·m/g、2.21km、4.33mN·m

附图说明

图1为斜型磨片的局部结构示意图；

图2为图1中A-A的结构示意图，c为齿高、d为精磨区宽度、e为总厚度；

图3为磨齿的结构示意图，a齿宽、b为齿沟宽、c为齿高；

图4为斜平型磨片的结构示意图；

图5为V型磨片的结构示意图；

图6为实施例1纸张纤维的扫描电镜图；

图7为实施例6、实施例1和对比例4纸张纤维的扫描电镜图；

图8为对比例5、实施例1和对比例6纸张纤维的扫描电镜图；

图9为碱预处理用碱量对未添加助剂麦草化机浆手抄片强度性能的影响，a为抗张指数、b为裂断长、c为撕裂指数、d为耐破指数。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

麦草由山东世纪阳光纸业有限公司提供。氢氧化钠为分析纯，购买自国药集团化学试剂有限公司。主要仪器与设备见表1。

表1主要仪器与设备

本申请的实施例中使用的盘磨机磨片，根据磨齿的排列方式包括以下类型：斜型磨片、斜平型磨片、V型磨片；磨片设有破碎区、粗磨区和精磨区；磨片外缘为精磨区，磨齿为条形，磨齿在精磨区内沿磨片圆弧方向纵向排列，磨齿与磨片半径之间存在斜倾角；

磨齿齿宽为大于2mm，小于或等于2.5mm；斜平型磨片和V型磨片的齿沟宽度为2.5～3mm。

斜型磨片的磨齿个数大于41个，斜平型齿数为54～65个，V型磨片磨齿个数为56～60个。

磨片类型为V型，磨齿宽度为2.5mm，齿沟宽度为2.5～3mm，磨齿个数为60个。

磨片还设有挡坝，增加了纤维磨浆时的停留时间，增加纤维之间揉搓程度；其次磨片磨齿设计倾斜角，可以增加齿面法向力，增强浆料纤维之间作用力，促进纤维解离。

图1所示为斜型磨片，包括精磨区1和破碎区2，相邻的磨齿3的磨齿间距4由磨片圆心向外缘方向逐渐变宽，呈放射状。

图4所示为斜平型磨片，包括精磨区1和破碎区2，磨片由9个单元组成，每个单元对应40°圆心角；每单元磨齿3数量相等，相邻的磨齿间距4相等，相邻两单元的磨齿3斜倾角相等。

图5所示为V型磨片，包括精磨区1和破碎区2，磨片由24个单元组成，每个单元对应15°圆心角；每单元磨齿3数量相等，相邻的磨齿间距4相等，相邻两单元的磨齿3斜倾角以相邻处半径轴对称分布，呈V型。

实施例1

一种麦草化机浆的制备方法，包括以下步骤：

(1)强化预处理

水热预处理：①称取100g绝干样品加入到蒸煮罐中，待油浴锅升到145℃，依次迅速放入油浴蒸煮器中保温1.5h；②待反应结束后，取出蒸煮罐，迅速放到冷水中冷却；③冷却至室温后，取出反应后麦草，并用200目尼龙袋进行过滤收集水解液；④对收集反应后的麦草进行洗涤，并保存备用。

碱预处理：取水热预处理后的麦草，调节浆浓至20％，调节用碱量至4％，于95℃下水浴处理60min，期间每10min揉搓一次。

(2)盘磨机磨浆

强化预处理之后的麦草原料在盘磨机中磨浆处理进而制备麦草化机浆。麦草原料预处理之后，打开高浓盘磨机待转速稳定后，先将盘磨机的间隙调零，然后将盘磨间隙调至0.15mm，再进行两段磨浆。

其中，磨片采用V型磨片、齿数为60个、齿宽为2.5mm、齿沟宽度为2.5mm、齿高为7mm、精磨区宽度为63mm、总厚度为17mm；浆浓为20％、第二段盘磨间隙为0.075mm。磨浆时注意填料速度均匀，收集中间部分浆料，对浆料进行筛洗，挤干水分，备用。

(3)抄片

取充分混匀的麦草化机浆，经纤维解离器疏解后、加入增强剂等化学助剂，利用凯瑟法纸页成型器抄造纸样，每个试样选取平整度相对一致的10张纸片。将纸张放入ISO标准恒温恒湿环境(相对湿度50±2％，温度23±1℃)下平衡24h，然后测定其物理性能。

实施例2～4

实施例2～4的技术方案与实施例相似，不同之处在于磨片的参数不同，具体如表2所示。

表2实施例2～4的磨片参数

实施例5～6

实施例5～6的技术方案与实施例1相似，不同之处在于浆浓不同，实施例5的浆浓为10％，实施例6的浆浓为15％。

实施例7

实施例7的技术方案与实施例1相似，不同之处在于，第二段盘磨间隙为0.15mm。

对比例1～4

对比例1～4的技术方案与实施例相似，不同之处在于磨片的参数不同，具体如表3所示。

表3对比例1～4的磨片参数

对比例5

对比例5的技术方案与实施例1相似，不同之处在于对比例5的浆浓为15％。

对比例6～7

对比例6～7的技术方案与实施例1相似，不同之处在于，第二段盘磨间隙不同。对比例6的第二段盘磨间隙为0.035mm，对比例7的第二段盘磨间隙为0.25mm。

实施例8～9

实施例8～9的技术方案与实施例1相似，不同之处在于预处理条件不同。实施例8水热预处理的蒸煮器温度为155℃，保温时间为0.5h，用碱量为3％。实施例9水热预处理的蒸煮器温度为140℃，保温时间为2.0h，用碱量为5％。

对比例8～12

比例8～12的技术方案与实施例1相似，不同之处在于，强化预处理的条件不同。具体如表4所示。

表4对比例8～12强化预处理条件

性能测试

(1)扫描电镜分析(SEM)

对纸张表面喷金后，利用S3400n型扫描电子显微镜在5kV加速电压下观察形貌。

(2)纸浆打浆度分析

使用打浆度仪器按照GB/T 29287-2012标准测定浆料打浆度，使用动态滤水仪按照TAPPI T261CM-94标准测定浆料的滤水性。

(3)纤维形态分析(FQA)

称取0.1g浆料，在纤维疏解器中疏解3～5分钟，使纤维分散均匀，根据ISO16065标准测试纤维长度、宽度、细小纤维含量等纤维形态指标。麦草原料的纤维长度和宽度按照GB/T 10336-1989标准制样后测定。

(4)纸张物理性能检测

纸张的撕裂指数、抗张指数、耐破指数、裂断长、环压指数分别按照GB/T455-2002、GB/T12914-2008、GB/T454-2002、GB/T451.3-2002和GB/T2679.8-2016测定。

表6麦草化机浆制备的纸张强度性能

表7麦草化机浆纤维形态和打浆度

由实施例1～3和对比例1、3～4可看出，当齿宽从2mm增加到2.5mm时，制备纸张的抗张指数、裂断长、撕裂指数、耐破指数都显著提高，麦草化机浆纤维长度、卷曲指数、打浆度也有一定程度的提高。在适当的磨浆齿宽下，麦草纤维之间的挤压作用力增加，麦草纤维在盘磨机中相互摩擦揉搓程度更高，纤维解离、分丝帚化效果好，细小纤维增多。由图6可看出，V型磨片在齿宽2.5mm/齿沟宽2.5mm条件下磨浆，麦草纤维解离、分丝帚化现象明显。

由实施例2和对比例2可看出，增加齿沟宽、减少齿数，会导致麦草纤维在齿沟内停留时间延长，麦草纤维之间相互摩擦程度降低，麦草纤维解离、分丝帚化不充分，麦草化机浆纤维长度、扭曲指数下降，麦草化机浆强度性能下降。

图7是磨浆浆浓为15％、20％、25％时的纸张纤维电镜图。在15％和20％的磨浆浆浓下，麦草纤维表面粗糙，并且在磨浆浓度为25％时，纤维粗糙程度(分丝帚化)有所减弱。由实施例1、5、6和对比例5可看出，在10％、15％、20％的磨浆浓度下，有利于麦草原料之间摩擦、挤压，增加揉搓和扭曲程度，产生大量摩擦热使麦草原料软化，有利于麦草纤维分丝帚化。而在25％的磨浆浓度下，极易产生高温导致的浆料变质问题。

由实施例1、7和对比例6、7可看出，当第二段盘磨间隙增加到0.075mm时，制备纸张的抗张指数、裂断长、撕裂指数、耐破指数分别从盘磨间隙为0.035mm时的39.54N·m/g、1.99km、4.01mN·m

图8是在第二段盘磨间隙分别为0.035mm、0.075mm和0.25mm时的纸张纤维电镜图。可以看出，第二段盘磨间隙为0.035mm时纤维表面分丝帚化程度较低，由于第二段盘磨间隙为0.035mm仅为麦草纤维宽度的1～2倍，麦草纤维之间作用力强，容易摩擦断裂。第二段盘磨间隙为0.075mm时，解离后纤维的分丝帚化现象明显。当第二段盘磨间隙过大(如0.25mm)时，则导致纤维之间作用力减弱，纤维揉搓不充分，纤维表面较为光滑、分丝帚化程度较差。

由对比例8～9可看出，水热预处理条件为125℃、5.5h或不经过水热预处理时，麦草化机浆抗张指数、裂断长、撕裂指数和耐破指数均明显降低。在本发明的水热预处理条件下，麦草化机浆打浆度降低，浆料滤水时间缩短，这是因为升高预处理温度可以剧烈作用于麦草细胞，破坏细胞壁，会溶出大量抽出物和部分半纤维素和微量木质素，同时可以有效软化纤维，减少磨浆时麦草纤维之间的摩擦损伤，有助于增强麦草纤维磨浆效果，进而提高纸张强度。但缩短时间会抑制其脱除率。

由对比例10～12可看出，当用碱量从0或2％增加到3～5％时，麦草化机浆抗张指数、裂断长、撕裂指数、耐破指数均得到增强(图9)。麦草由于在水热预处理阶段已经去除角质层，碱液对麦草渗透、润胀作用增强，此时主要作用于半纤维素、木质素的无定形区，麦草纤维结晶度升高。适当增加用碱量，纤维的润胀程度会增加，纤维更容易分丝帚化，降低了磨浆时纤维的损伤，提高了纸张的强度。在碱液保护下，麦草纤维在磨齿挤压带动下得到了更充分揉搓摩擦，有利于得到细纤维化的长纤维。而当用碱量为6％时，麦草纤维中结晶区遭到部分破坏，过量碱添加会溶出半纤维素、木质素等物质，少量纤维素溶出，结晶度下降，导致得率降低，不利于生产麦草化机浆。

另外，可以看出水热/碱预处理磨浆得到的浆料的纤维长度、卷曲指数较大，纸浆的打浆度为33°SR，远低于单一碱处理或者水热预处理的48°SR和55°SR。这是因为水热预处理后的麦草纤维表面去除了大部分抽提物(果胶、单宁、糖等)，提高了后续碱预处理对纤维的软化、润胀作用，且可以微量脱除麦草纤维表面木质素，增强磨浆过程麦草纤维的解离、分丝帚化效果，因而浆料滤水性能提升，纸张匀度较好，纸张强度性能提高。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。