一种高温-低温组合干燥方式提高废纸纤维强度的方法 【技术领域】
本发明属于制浆造纸技术领域，具体涉及一种高温-低温组合干燥方式提高废纸纤维强度的方法。
背景技术
随着保护森林资源、改善生态环境的需要，废纸纤维的回收利用已经引起了世界各国的重视。在我国废纸纤维已成为造纸原料的重要组成部分，占我国造纸原料的50％以上，且逐年增长，据估算2008年我国造纸行业废纸纤维的使用量已达到4000万吨。利用一吨废纸可节约木材和垃圾填埋场空间3m3，利用废纸生产1吨高白度脱墨浆较利用植物原料生产1吨化学浆可节约水50％，节约化学药品60％～70％，节约能源50％以上，同时减少75％的空气污染以及35％的水污染。因此，高效循环使用废纸纤维有助于缓解我国植物资源匮乏和能源紧缺的矛盾，并且有利于减轻日益严重的环境污染，对于保护我国的生态环境起到重要作用。
但是，与原生纤维相比，废纸纤维的性质发生了许多变化，具体表现在因滤水性能、润胀能力下降而导致湿韧性或可塑性降低，纤维表面性质的变化等；用废纸纤维抄的纸紧度较小，抗张强度、耐破度等主要强度性能也会普遍降低。如经过一次回用后，纤维保水值下降了26.8％、抗张指数和耐破指数分别下降了27.8％和26.7％，且这种衰变在后续的循环回用过程中逐渐恶化，甚至丧失造纸能力。因此，提高废纸纤维的强度性能即成为其高效循环利用的关键性问题。
目前有学者提出通过碱性溶液浸渍或添加化学品对纤维改性来避免废纸纤维衰变，但这些方法不仅要额外添加化学品，会增加生产成本及废水的污染负荷，而且使纤维的回用工艺过程变得更加复杂。废纸纤维在造纸循环回用中的各种物理工艺过程对纤维的影响的作用机理不同，压榨和干燥过程作为废纸纤维回用中不可缺少的工艺过程却会引起废纸纤维不同程度的衰变。研究发现，纤维的衰变主要发生在干燥过程中，且干燥方法对纤维衰变程度的影响很大，干燥越剧烈，纤维衰变程度越严重。因此，通过对干燥工艺的条件和方式进行有效控制，对于降低废纸纤维回用过程发生的强度下降具有重要意义。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种高温-低温组合干燥方式提高废纸纤维强度的方法。本发明通过对废纸纤维回用过程中干燥工艺的调控实现抑制纤维品质的衰变，改善纤维的润胀能力和纤维间的结合能力，从而提高纤维的成纸强度，改善废纸纤维的回用性能。
本发明的一种高温-低温组合干燥方式提高废纸纤维强度的方法，包括以下步骤：
(1)将压榨处理后的湿纸页放置于第一级高温烘缸中进行干燥，温度在115～125℃，干燥时间4～6min；
(2)将所得的含水量为20～30％的湿纸页置入第二级低温烘缸中，在55～65℃的温度下干燥时间14～16min，水分降到纸页总质量的2～5％。
上述方法中，步骤(1)所述高温干燥方式中干燥温度优选120℃，干燥时间优选5min。
上述方法中，步骤(2)所述低温干燥方式中干燥温度优选60℃，干燥时间优选15min。
上述方法中，步骤(1)所述压榨处理后的湿纸页为60～70％的含水量(质量分数)。
上述方法中，步骤(1)所述废纸纤维为旧瓦楞箱纸板浆，所述废纸纤维浆片由废纸浆经过打浆、抄纸成型得到。
本发明所采用的反应原理：
废纸纤维品质衰变的主要原因是发生了不可逆的角质化，角质化主要包括湿角质化和干角质化，湿角质化是指湿压榨脱水引起的角质化，主要表现在纤维壁形态的变化，如纤维细胞压实、压溃等。干角质化是指干燥过程中造成的角质化。它主要指分子上的变化，不影响纤维外观形态。废纸纤维性能降低主要是因为发生了干角质化。其机理主要是纤维细胞腔的不可逆收缩和内部氢键的形成。纤维干燥过程中，随着干燥温度的上升和干燥时间地增加，原来彼此分开的纤维素原纤会变得接近，从而形成较大的原纤聚集束，使得纤维细胞壁表面结构变得更加紧密。细胞壁表面结构的变化使得细胞壁产生向内收紧的拉力，从而使得纤维细胞壁上的孔隙发生关闭，同时使得水分子可到达的原纤表面减小，降低了纤维素羟基的反应性和可及度。
干角质化主要与干燥温度、干燥时间有关。在较高温度干燥时，纤维均会发生角质化，但该种程度的角质化在某一特定时间后发生，即湿纸页干燥存在一个特定的时间，干燥至此时间前一般不易发生较大程度的角质化。而在较低温度干燥时，无论干燥时间多长，均不会发生较大程度的角质化，即湿纸页干燥又存在某个特定的温度，超过该温度干燥纤维均会发生较大程度的角质化，而等于或低于该温度均不会发生。因此存在一个角质化高温区，即干燥过程中会发生较大程度角质化的温度范围；一个角质化低温区，即干燥过程中不会发生这种程度角质化的温度范围；一个临变时间，即干燥高温区尚未发生较大程度角质化的最长时间；一个临变温度，即干燥低温区的最高温度。湿纸页在高温区干燥一定时间后，原纤会相互靠近，细纤维联在一起形成扁平的带状，在还没有形成更大的原纤聚集束之前进入低温区干燥，细胞壁产生的拉力减小，孔隙关闭程度减轻，纤维素-纤维素间氢键形成的可能性减小，从而使得角质化程度降低。可知在于燥过程中对操作温度进行合理组合，不仅可以降低能耗，还可以延缓其衰变速率，提高纤维成纸强度，改善其回用性能。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：
(1)干燥是一种耗能较多的通用工业操作过程，其耗能所占的比例占造纸业的35％左右。高温干燥过程中废纸纤维品质衰变程度可能会急剧增加，低温干燥虽然能够减缓纤维品质衰变程度但干燥时间又过长。传统的干燥工艺采取低温一高温干燥，虽然能有效降低能耗，保证纤维的成纸强度，却会引起废纸纤维较大程度的品质衰变。根据纤维发生干角质化的机理，采用高温一低温组合干燥的方式，既保证了废纸纤维的成纸强度又降低了废纸纤维的角质化程度，从而提高其循环使用次数。湿纸页在高温区干燥一定时间后，原纤会相互靠近，细纤维联在一起形成扁平的带状，在还没有形成更大的原纤聚集束之前进入低温区，使得细胞壁产生的拉力减小，孔隙关闭程度减轻，角质化程度降低。因此采用前高后低的分段变温干燥方法，既能缩短干燥时间、降低能耗，又能有效抑制废纸纤维品质衰变程度的增加。
(2)本发明所采用的改善废纸纤维回用性能的方法，是通过对干燥工艺的条件和方式进行有效控制来抑制废纸纤维回用过程中润胀能力和成纸强度的下降，操作步骤简单，不需添加额外的化学药品，可广泛应用于一般的造纸厂。
【具体实施方式】
目前废纸纤维回用，用得最多的原料是旧瓦楞箱纸板(OCC)浆。以下结合实施例对本发明的具体实施方式作详细描述。
实施例1
将OCC浆抄成定量约100g/m2的浆片。在0.2MPa压榨压力下进行三次压榨，使得湿纸页含水量质量分数为65％；将压榨后的纸页送入温度为115℃的高温烘缸中干燥4min后，再送入温度为55℃的低温烘缸中干燥14min，取出。
所得纸页一部分用于测定纸张的各种强度，其余部分进行回用。回用工艺方法同上。
表1
表1示出干燥工艺优化处理对OCC浆回用性能的改善作用，原浆为OCC浆，从表1中的数据可以看出干燥工艺优化处理的浆料抄造的纸页其纤维保水值、抗张指数、耐破指数和环压指数都有大幅度的提高(增量均以传统工艺处理的指标为比较标准)。与传统工艺处理的OCC浆相比，回用一次后其纤维保水值、抗张指数、耐破指数和环压指数分别提高了10.9％、13.4％、10.0％和17.4％。
实施例2
将OCC浆抄成定量约100g/m2的浆片。在0.2MPa压榨压力下进行三次压榨，使得湿纸页含水量为62％。
将压榨后的纸页送入温度为125℃的高温烘缸中干燥6min后，再送入温度为65℃的低温烘缸中干燥16min，取出。
所得纸页一部分用于测定纸张的各种强度，其余部分进行回用。回用工艺方法同上。
表2
表2示出干燥工艺优化处理对OCC浆回用性能的改善作用，原浆为OCC浆，从表2中的数据可以看出干燥工艺优化处理的浆料抄造的纸页其纤维保水值、抗张指数、耐破指数和环压指数都有大幅度的提高(增量均以传统工艺处理的指标为比较标准)。与传统工艺处理的OCC浆相比，回用一次后其纤维保水值、抗张指数、耐破指数和环压指数分别提高了9.9％、13.5％、10.8％和13.6％。
实施例3
将OCC浆抄成定量约100g/m2的浆片。在0.2MPa压榨压力下进行三次压榨，使得湿纸页含水量达到60％；将压榨后的纸页送入温度为120℃的高温烘缸中干燥5min后，再送入温度为60℃的低温烘缸中干燥15min，取出。
所得纸页一部分用于测定纸张的各种强度，其余部分进行回用。回用工艺方法同上。
表3
表3示出干燥工艺优化处理对OCC浆回用性能的改善作用原浆为OCC浆，从表3中的数据可以看出干燥工艺优化处理的浆料抄造的纸页其纤维保水值、抗张指数、耐破指数和环压指数都有大幅度的提高(增量均以传统工艺处理的指标为比较标准)。与传统工艺处理的OCC浆相比，回用一次后其纤维保水值、抗张指数、耐破指数和环压指数分别提高了12.9％、14.7％、11.0％和17.9％。传统工艺处理的浆料，在经过五次回用后，其抄造的纸页各项指标都已经非常低，满足不了纸页的使用要求。而经过干燥工艺优化处理的OCC浆料，在经过五次回用后，其各项指标都比传统工艺处理的要高。可见，对废纸纤维进行干燥工艺优化处理，不仅能够提高纤维的各项强度指标，而且能够增加废纸纤维的回用次数。
OCC浆经过本发明的干燥工艺优化处理方法与几种常用纤维预处理方法的纤维强度增强效果对比见表4(增量均以传统工艺处理的指标为比较标准)。
表4
处理方法 保水值增量 ％ 抗张指数增量 ％ 耐破指数增量 ％ NaOH预处理 20.5 11.6 11.4 Na2CO3预处理 19.6 12.7 13.8 热处理 10.2 7.8 8.3 干燥工艺优化 12.9 14.7 11.0
从表4中的数据可以看出，采用本发明的组合干燥方式在提高废纸纤维的强度方面具有与化学预处理相似的效果，解决了回用中废纸纤维强度急剧下降问题，可实现废纸纤维多次回用，而其强度性能不至于下降太大。同时，这种方法不用添加额外的化学品，不会增加生产成本及废水的污染负荷，而且工艺简单，在生产应用上有很强的竞争优势。