桑枝-桉木板皮混合制漿漂白特性的研究

徐 峻 劉 鵬 匡奕山 莫立煥 李 軍

(華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東廣州,510640)

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·漂白特性·

桑枝-桉木板皮混合制漿漂白特性的研究

徐 峻 劉 鵬 匡奕山 莫立煥 李 軍*

(華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東廣州,510640)

探究了不同桑枝替代率下桑枝-桉木板皮混合硫酸鹽法制漿和ODEp漂白的特性。結果表明,桑枝的化學組分與桉木板皮存在較大差異,桑枝綜纖維素含量低、木素含量高、纖維長度較長；在相同制漿漂白工藝下,桑枝較桉木難漂白,其所占比例越高,紙漿的卡伯值越高、白度越低,但桑枝替代率不超過30%時,紙漿具有較好的可漂性,氧脫木素效率在40%以上,漂白漿的白度在78%以上；另外,桑枝的加入可以提高混合漿的黏度和撕裂度,但對漂白漿的抗張強度和耐破度不利。

桑枝；混合漿；ODEp漂白

(*E-mail: ppjunli@scut.edu.cn)

經過10多年的持續、快速發展,我國造紙工業的年生產量、消費量均達到1億t左右,紙漿消耗總量則超過9000萬t；而我國造紙纖維資源短缺問題越來越突出[1]。我國農業科技發達,擁有較為豐富的稻麥草、蘆葦、玉米秸稈等非木材纖維,非木材纖維制漿造紙是我國造紙工業的一大特色[2]。但是,隨著農業科技和城鎮化建設的發展,纖維秸稈產量逐漸減少、品質嚴重下降,所以積極開發、利用其他纖維原料,增加原料供給途徑[3-4],是中國造紙界“十二五”期間的重要課題,對促進我國制漿造紙工業可持續發展具有重要的意義。

廣東、廣西等南方省份是我國桉樹的主要種植區,桉木資源相對較多,已成為一種重要的建材、家具和造紙用纖維原料來源。桉木板皮即桉木旋切單板,是把桉木原木用旋切機沿著桉木外圍切線方向按一定的厚度旋切出來的薄板,在加工過程中,因尺寸、形狀不符合規格要求等原因產生不合格單板。桉木板皮具有良好的制漿漂白性能,現有很多工廠將桉木板皮用于制漿,桉木板皮的供需矛盾也日益凸顯,給企業正常生產帶來極大壓力。桑枝屬木本科闊葉材,有較強韌的樹皮部纖維,也是一種較好的纖維原料,能夠用于紙漿生產[5-7]；但因其大規模收貯、備料較難[8],加上制漿得率較低,目前并未有全桑枝制漿的工業應用?；诖?有企業提出利用當地豐富的桑枝原料替代部分生產用桉木板皮,以降低生產成本。本課題研究了桑枝原料特性及其加入量對桑枝-桉木板皮混合制漿及漂白特性的影響,為后續工業應用提供一定的指導。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗用切好的全桿桑枝和桉木板皮均由廣西某廠提供。取部分代表性的上述原料用植物粉碎機粉碎,篩分后取40～60目之間的原料于封口塑料袋中平衡水分,供原料分析使用。另外,分別將上述原料浸泡于清水中,待浸泡完全后撈出放置2 h,將其分別裝入塑料袋密封平衡水分,測定水分后供蒸煮使用。

1.2 實驗儀器

植物粉碎機,Metso FS-300自動纖維分析儀,KRK蒸煮鍋,FYX-75電熱高壓釜,YQ-Z-48B白度儀,TAPPI標準抄片器。

1.3 蒸煮

稱取相當于絕干質量為500 g的試樣,裝入KRK水平式旋轉蒸煮鍋中,按給定的蒸煮工藝進行蒸煮,工藝條件和原料配比見表1。蒸煮后的漿料擠出黑液,洗凈后用篩漿機進行篩選、甩干，放入封口塑料袋中平衡水分供后續分析和漂白使用。

表1 蒸煮實驗中桑枝和桉木板皮的配比

注 蒸煮工藝：用堿量21.5%(以NaOH計),硫化度15%,液比1∶4,溫度165℃,升溫60 min,保溫60 min。

1.4 氧脫木素(O)

氧脫木素在帶有攪拌器的電熱高壓釜中進行,工藝條件為：NaOH用量2.5%,MgSO4用量0.5%,H2O2用量0.8%,反應溫度90～100℃,壓力0.4 MPa,時間60 min。

1.5 常壓二氧化氯漂白(D)和過氧化氫強化堿抽提(Ep)

D段、Ep段漂白均在聚乙烯密封袋中進行,工藝條件按現有生產線的工藝進行[9]。各段漂白后漿料洗滌干凈,平衡水分，供下一段漂白或紙漿特性分析使用。

1.6 檢測分析

綜纖維素按GB/T2677.10—1995測定,聚戊糖按照GB/T2677.9—1994四溴化法測定,酸不溶木素按照GB/T2677.8—1994測定,酸溶木素按照GB/T 10337—1989測定,細漿得率、粗渣率和白度按文獻[10]中的方法測定,卡伯值按GB/T1546—2004進行測定。漂后漿經PFI磨漿處理,采用TAPPI標準抄片器進行抄片,壓榨烘干,在標準大氣條件(相對濕度(50±2)%,溫度(25±1)℃)下處理手抄片24 h后進行物理性能測定。

2 結果與討論

2.1 桑枝和桉木板皮的化學組分和纖維形態

桑枝和桉木板皮的纖維平均長度、寬度及主要組分見表2。

表2 桑枝和桉木板皮原料的纖維長度、寬度及主要組分

從表2可以看出，桑枝纖維長度比桉木板皮的長,其數均纖維平均長度為0.56 mm,而桉木板皮的纖維長度僅為0.32 mm；就纖維寬度而言,兩者相差不大,均在15 μm左右；從纖維細胞的長寬比來看,桑枝原料長寬比為37.1,比桉木板皮的高。

另外,從表2的主要組分含量來看,桑枝的綜纖維素含量比桉木板皮纖維的低約5.77個百分點,僅有67.35%,而聚戊糖含量則比板皮的高7.17個百分點,這顯示出桑枝的制漿得率要比桉木板皮低。此外,從總木素含量來看,桑枝的總木素含量達到25.40%,也比桉木板皮的總木素含量高,預示著桑枝比桉木板皮難蒸煮。

2.2 桑枝加入量對桉木板皮制漿的影響

根據表1不同原料配比進行蒸煮,所得未漂漿特性和黑液分析結果見表3。從表3可知,在同一蒸煮條件下,桑枝和桉木板皮的制漿得率和特性存在較大差異。與100%的桉木板皮漿相比,100%的桑枝漿的細漿得率比純桉木板皮漿的低12.9個百分點,這歸因于桑枝原料綜纖維素含量較低,這也是全桿桑枝制漿較少應用的原因之一。但從不同桑枝加入量下桑枝-桉木板皮混合蒸煮所得漿料的得率來看,在20%或30%的桑枝替代率下,紙漿的得率仍能保持在50%以上,下降較少；桑枝替代率超出30%后,制漿得率下降較多。從卡伯值變化來看,桑枝的加入使未漂漿的卡伯值急劇上升,如桉木板皮漿卡伯值僅為12.4,加入20%桑枝后,卡伯值增大到18.4,繼續增加桑枝比例,卡伯值上升到20以上,全桑枝漿的卡伯值達到22.7,這說明桑枝比桉木板皮難蒸煮,主要歸因于桑枝原料的總木素含量較高。同時也表明,若用桑枝部分替代桉木板皮進行混合蒸煮,堿的消耗會增加,導致加入桑枝后黑液殘堿下降。

表3 不同桑枝比例的混合蒸煮實驗結果

另外,從表3可以看出,加入桑枝后,隨著桑枝含量的增加,紙漿黏度也隨之增加,這主要是因為桑枝既含有交織能力好的較長韌皮部纖維、又具有類似楊木的木質部纖維,表現出良好的協同效應[11-12],從而對桉木板皮漿產生增強作用。對于紙漿白度,與100%桉木板皮漿相比,100%桑枝未漂漿的白度僅為27.8%,比前者低16.8%,這也預示著全桑枝漿較難漂白,在漂白過程中需要消耗更多的漂白劑。

2.3 桑枝加入量對桉木板皮漿漂白的影響

2.3.1 氧脫木素

氧脫木素被認為是蒸煮脫木素外,成本最低且最簡單的脫木素方式,且具有廢水可進入堿回收化學系統、減少后續漂白化學品量、降低化學品成本和廢水污染負荷等優點,現在已經成為普遍采用的清潔紙漿漂白方式[13-14]。對上述不同桑枝替代率的混合漿進行氧脫木素實驗,所得漿料的白度、黏度、卡伯值變化如圖1和圖2所示。

圖1 氧脫木素后紙漿的白度和黏度

圖2 氧脫木素后紙漿的卡伯值和脫木素效率

從圖1可知,氧脫木素后,紙漿白度得到明顯提升,這主要是因為氧脫木素過程中存在游離基反應和離子反應的復合相互作用[14],游離基反應使木素降解、碎片化而溶出,而離子反應破壞了木素的發色結構,從而使漿料的白度提高。當然,從白度的增幅來看,各種漿的變化幅度不相同,桑枝添加比例越高,白度增值越小,如全桉木板皮氧脫木素漿白度增值達20%,而全桑枝漿氧脫木素后白度增值僅為6.2%。另外,從圖2紙漿的黏度來看,與未漂漿相比,氧脫木素后紙漿黏度均有不同程度下降,但與全桉木板皮漿(替代率為0)和全桑枝漿(替代率100%)相比,混有一定比例桑枝的混合漿,其氧脫木素后黏度變化相對較小,說明桑枝部分替代桉木板皮進行制漿,對提高漿料的強度是有幫助的。

2.3.2 DEp漂白

對氧脫木素漿進行DEp漂白,所得漂后漿的白度和黏度分析結果見表4。

表4 不同桑枝替代率混合漿的DEp漂白實驗結果

注 D段工藝條件：ClO2用量1.5%,H2SO4用量0.5%,漿濃10%,溫度60℃,時間60 min；Ep段工藝條件：NaOH用量1.2%,H2O2用量0.5%,漿濃10%,溫度75℃,時間90 min。

從表4可以看出,經DEp漂白后100%桉木板皮漿很容易就達到了85.5%的白度,相比之下,含桑枝的混合漿白度則較低,尤其是100%桑枝漂白漿白度僅有67.0%,較前者低21.6%,這說明桑枝的加入增大了漂白的難度,即紙漿的可漂性降低。在桑枝替代率不超過30%時,紙漿的白度達到78%以上,能滿足一般應用要求。

從表4紙漿的黏度來看,用桑枝替代部分板皮的混合漿黏度明顯高于全桉木板皮漿,但在替代率達到30%以上后,桑枝對提高混合漿黏度的作用減弱,黏度變化不明顯。

2.3.3 漂后漿的物理特性

將漂后漿打漿至(45±2)°SR左右,按照定量60 g/m2抄片,然后進行物理性能分析,所得實驗結果見表5。

表5 漂后漿的物理性能

從表5可以看出,與全桉木板皮漂白漿相比,不同替代率下的桑枝-板皮混合漂白漿的抗張指數和耐破指數均呈下降趨勢,且桑枝替代率越高,其對應值越低。這可能是因為決定紙張抗張強度和耐破度的主要因素是纖維間的結合強度,而纖維間結合力來自于分子間的氫鍵結合以及纖維分子間的范德華力,但纖維表面存在的木素具有疏水性,則會阻止纖維素分子間氫鍵的形成[15-16],降低纖維間的結合強度；有關研究表明[16],紙張的抗張指數、耐破指數與紙漿纖維中的木素含量呈現明顯的負線性相關性,由于桑枝木素含量高且較難脫出,桑枝替代率越高,漂白后存在于混合漿料纖維表面的木素含量就越多,則其抗張指數和耐破指數就越低。對于撕裂指數,則主要受纖維長度的影響,由于桑枝纖維比桉木板皮長,所以桑枝替代率越高,撕裂指數越高?？偟膩砜?桑枝替代率在不超過30%時,漂白漿的抗張指數在50 N·m/g左右,撕裂指數在6.4 mN·m2/g左右,耐破指數在2.8 kPa·m2/g以上,性能較優,能滿足大部分應用要求。

3 結 論

3.1 桑枝綜纖維素含量低、總木素含量高,較桉木板皮難制漿漂白；在混合蒸煮時,桑枝配比越高,未漂漿的卡伯值越高,得率和白度越低。

3.2 桑枝替代率越高,混合漿氧脫木素效率越低、白度增值越??；經后續DEp漂白,混合漿的白度差異很大,全桉木板皮漿白度達到85.5%,而全桑枝漿的白度僅為67.0%,但在桑枝替代率不超過30%時,混合漿白度可以達到78%以上。

3.3 桑枝的加入可顯著提高漂白漿的黏度和撕裂指數,但對紙漿的抗張指數和耐破指數不利；當桑枝替代率不超過30%時,漂白漿的抗張指數在50 N·m/g左右,撕裂指數在6.4 mN·m2/g左右,耐破指數在2.8 kPa·m2/g以上,性能較優,能滿足大部分應用要求。

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(責任編輯：馬 忻)

Pulping and Bleaching Performances of Mixed Mulberry Branches-Eucalyptus Slab Raw Material

XU Jun LIU Peng KUANG Yi-shan MO Li-huan LI Jun*

(StateKeyLabofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510640)

The kraft pulping and ODEp bleaching performances of mixed mulberry branches-eucalyptus slab raw material with various mulberry branches ratio were studied.The result indicated that there was relatively big difference in the chemical composition between mulberry branches and eucalyptus slab.Mulberry branches had lower content of holocellulose than eucalyptus slab, but had higher content of lignin and the longer fiber length.Under the same pulping and bleaching process conditions, mulberry branches were more difficult to be bleached compared with eucalyptus slab.Higher proportion of mulberry branches in the raw material resulted in higher Kappa number and lower brightness of the pulp.The mixed pulp had a good bleachability when the proportion of nulberry branches were lese than 30%, and the oxygen delignification rate was more than 40%, and the brightness of bleached pulp was higher than 78%.In addition, the usage of mulberry branches could improve the viscosity and the tear strength of the mixed pulp, but deteriorate the tensile strength and the burst strength.

mulberry branches; mixed pulp; ODEp bleaching

徐 峻先生,博士,高級工程師；主要從事制漿造紙新技術與植物資源利用方面的工作。

2015-06-24(修改稿)

國家水體污染治理與控制科技重大專項(2014ZX-07213001)；制漿造紙工程國家重點實驗室開放基金(201356)；制漿造紙工程國家重點實驗室自主研究課題(C714041z)。

TS745

A

10.11980/j.issn.0254-508X.2015.11.002

*通信作者：李 軍先生，E-mail:ppjunli@scut.edu.cn。