煙稈CMP漿配抄包裝用薄頁紙的研究

沈靖軒 陳 婉 劉潤昌 馬 濤 堯珍玉 溫光和

(云南瑞升煙草技術(shù)集團(tuán)有限公司，云南昆明，650106)

煙稈作為煙草種植中大量的副產(chǎn)物，一直沒有被有效地利用。煙稈皮部和芯部均含有一定木質(zhì)化程度的纖維，其化學(xué)組成主要為綜纖維素、木素、抽出物以及灰分等，但其含量可能因原料產(chǎn)地不同而有較大差異［1-2］。在制漿造紙工業(yè)中，煙稈作為制漿造紙?jiān)系难芯勘砻鳎捎没瘜W(xué)法進(jìn)行煙稈制漿是可行的，能獲得質(zhì)量較高、易漂的紙漿［2］，而采用煙稈纖維化學(xué)漿制備的包裝用紙也具有較優(yōu)的性能［3］。針對煙稈化學(xué)漿得率較低的問題，高得率制漿方法被用于其制漿性能的研究，如爆破法制漿［4］、APMP制漿［5］，所得紙漿可用于各種不同的場合，拓寬了煙稈纖維作為造紙?jiān)蠎?yīng)用的范圍。

在煙草工業(yè)中，煙稈還被用于煙草薄片中以代替木漿纖維，起到增加紙張強(qiáng)度［6］、減少卷煙木質(zhì)氣的作用［7］。此外，有學(xué)者進(jìn)行了煙稈機(jī)械漿制備煙草薄片原紙的研究，在特定的應(yīng)用場合取得了一定的成果［8］;安瑞等人［9］采用白腐菌粗酶處理煙梗 RMP以提高煙草薄片的可用性，并進(jìn)行了煙草薄片型卷煙紙的制備及性能研究，通過工藝優(yōu)化減輕了卷煙紙的木質(zhì)雜氣［10］;為了制備雪茄煙紙，王鳳蘭等人［11］進(jìn)行了煙梗制漿漂白和配抄工藝的研究，取得了較為理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

然而，由于作物的特殊性，煙稈原料化學(xué)組成成分較為復(fù)雜，抽出物含量較高，化學(xué)制漿廢水難處理，環(huán)境壓力大，同時(shí)制漿得率較低，經(jīng)濟(jì)成本高。在煙稈漿應(yīng)用研究方面，也相對不足。因此，本實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)機(jī)械法 (CMP)對煙稈全稈進(jìn)行制漿研究，并評價(jià)用其配抄包裝用薄頁紙 (如內(nèi)襯原紙)的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

新鮮煙稈取自云南石林板橋鎮(zhèn)。除去碎葉、泥土等雜物，人工劈開并除髓、削片，獲得20～30 mm左右的片狀原料，經(jīng)自然風(fēng)干后用密封袋保存。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 纖維形態(tài)

采用光學(xué)顯微鏡法 (GB/T10336—1989)測定煙稈全稈纖維的長度、寬度及長寬比。

1.2.2 化學(xué)組成

分 別 采 用 GB/T2677.3—1993、GB/T2677.4—1993、 GB/T2677.5—1993、 GB/T2677.6—1994、GB/T2677.10—1995、GB/T2677.8—1994 測定煙稈原料的灰分、熱水抽出物、1%NaOH抽出物、苯-醇抽出物、綜纖維素、酸不溶木素的含量。

1.2.3 CMP制漿工藝

通過備料、預(yù)汽蒸、化學(xué)預(yù)浸漬、機(jī)械磨漿以及洗滌、篩選制備CMP漿，并通過制漿得率、白度(GB/T8940.2—1988，白度測定儀，DN-48B，杭州品享科技有限公司)，以及所抄紙張抗張強(qiáng)度的測定來考察煙稈采用CMP制漿工藝的優(yōu)劣。具體流程如圖1所示。

圖1 煙稈CMP制漿工藝流程

1.2.4 配抄實(shí)驗(yàn)

將濃縮得到的漿料采用立式磨漿機(jī) (ZQS7-PFI，陜西科技大學(xué)機(jī)械廠)進(jìn)行精磨，并與漂白闊葉木漿進(jìn)行配抄，得到CMP漿添加量不同的低定量紙張。分 別 采 用 GB/T451.2、GB/451.3、GB/T453、GB/T457檢測紙張定量、厚度 (紙與紙板厚度儀，PNPT6，杭州品享科技有限公司)、抗張強(qiáng)度 (PNTT300電腦抗張實(shí)驗(yàn)機(jī)，杭州品享科技有限公司)和伸長率、耐折度 (MIT耐折度儀，PN-NZ135，杭州品享科技有限公司)。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維形態(tài)

通過偏光顯微鏡 (LEICA DM2500P，德國)測定煙稈全稈的纖維形態(tài)，測定結(jié)果見表1。

表1 煙稈全稈纖維平均長度、寬度和長寬比

從表1可以看出，煙稈全稈纖維的平均長度相對較長，一方面因皮部纖維長度較長，帶來全稈纖維平均長度略高;另一方面可能因?yàn)闊煵萜贩N和產(chǎn)地的關(guān)系。纖維長度和長寬比均顯示此種煙稈是一種比較好的造紙用原料。

2.2 化學(xué)組成

煙稈CMP漿化學(xué)組成測定結(jié)果見表2。

表2 煙稈CMP漿化學(xué)組成 %

從表2的結(jié)果可以看出，煙稈全稈漿的灰分含量較木材高很多，甚至高于草類原料，表明如果用化學(xué)法制漿可能帶來一些潛在的問題，比如堿回收時(shí)造成硅干擾;抽出物含量，尤其是1%NaOH抽出物含量較高，表明采用化學(xué)法 (堿法)制漿時(shí)制漿得率將較低，從而降低經(jīng)濟(jì)效益;苯-醇抽出物含量比較高，化學(xué)制漿時(shí)可能消耗較多的化學(xué)藥品，以及產(chǎn)生一些其他的影響;綜纖維素含量處于較低水平，同樣可預(yù)見化學(xué)法制漿時(shí)得率將較低;木素含量和其他草類原料相仿，低于木材的木素含量。

此種煙稈原料化學(xué)成分和一些文獻(xiàn)記載的數(shù)據(jù)有一些差異，灰分較高，綜纖維素含量相對更低，最大的原因應(yīng)該是煙草品種不同而帶來的差異，如同各種竹類原料、木材原料之間化學(xué)成分也差別較大一樣。同時(shí)，煙稈生長環(huán)境，如土壤、氣候等同樣是影響化學(xué)成分分布的因素。由此，系統(tǒng)分析各產(chǎn)地、各煙草品種的化學(xué)成分含量，并以此來指導(dǎo)具體的制漿方法和工藝是值得進(jìn)行的。基于以上分析，本實(shí)驗(yàn)采用CMP法進(jìn)行煙稈漿的制備。

2.3 CMP制漿工藝

根據(jù)化學(xué)成分分析，實(shí)驗(yàn)室模擬CMP制漿工藝進(jìn)行煙稈漿的制備，以此探討該工藝用于制備煙稈漿以及抄造卷煙包裝用薄頁紙的可行性。

影響CMP漿質(zhì)量的因素較多，如預(yù)浸漬時(shí)間、溫度、藥品用量、磨漿濃度、磨漿壓力等。本實(shí)驗(yàn)采用統(tǒng)一的磨漿條件而重點(diǎn)對預(yù)浸漬條件進(jìn)行初步探索。

實(shí)驗(yàn)中采用高濃盤磨機(jī) (ZSP-300)進(jìn)行三段磨漿，一段磨漿濃度40%，間隙0.5 mm;二段磨漿濃度30%，間隙0.3 mm;消潛濃度3%，溫度70℃，時(shí)間20 min;三段磨漿濃度20%，間隙0.2 mm。

實(shí)驗(yàn)室采用電熱蒸煮鍋 (ZQS1-15型，15 L，陜西科技大學(xué)機(jī)械廠)對備料后的煙稈進(jìn)行水預(yù)浸來代替預(yù)汽蒸，常壓下浸漬10 min，溫度90℃，對煙稈進(jìn)行除氣、軟化，并起一定的潤脹作用。

化學(xué)浸漬同樣采用電熱蒸煮鍋進(jìn)行，浸漬條件見表3，不同工藝條件下的漿料性能見表4。

表3 CMP預(yù)浸漬工藝條件

表4 不同工藝條件下漿料的性能

從表3和表4可以看出，A漿白度低于B漿和C漿，原因可能是浸漬液濃度相同下藥品用量少，也即液比較低，藥品較少進(jìn)入煙稈內(nèi)部，與表面成分反應(yīng)較多，產(chǎn)生較多的有色基團(tuán);而A漿得率相對較高，歸因于處理時(shí)間、溫度和藥品用量均較為溫和。B漿和C漿白度相仿，而得率相對較高，源于其較溫和的處理?xiàng)l件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)置預(yù)浸漬條件時(shí)，為提高紙漿白度，在保證用藥量情況下，可適當(dāng)?shù)奶岣咭罕龋顾幰焊走M(jìn)入原料內(nèi)部，更充分地與煙稈原料接觸，從而使原料浸漬更均勻，但較長的浸漬時(shí)間和較高的溫度會(huì)導(dǎo)致煙稈漿料得率下降明顯。整體上，3個(gè)樣品漿料的白度均不高，得率相比于木材等原料的CMP制漿低，可能由于原料中抽出物含量較高，影響浸漬過程，導(dǎo)致漿料顏色較暗，而抽出物和灰分等的脫除，導(dǎo)致了漿得率偏低。本實(shí)驗(yàn)條件下，綜合上述結(jié)果，B制漿工藝優(yōu)于A和C制漿工藝。

2.4 配抄實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室采用B制漿工藝制備煙稈CMP漿，濃縮后進(jìn)行精磨和抄紙。實(shí)驗(yàn)室采用PFI立式磨漿機(jī)對3個(gè)樣品漿進(jìn)行磨漿，漿濃10%，絕干漿30 g，磨漿間隙0.16 mm，打漿度60°SR，抄片評價(jià)其強(qiáng)度;同時(shí)以B漿與漂白闊葉木漿進(jìn)行配比抄造紙張，評價(jià)配抄后紙張的強(qiáng)度。抄造采用凱塞快速紙張成形法(BBS型，德國)進(jìn)行，紙張定量32 g/m2，每個(gè)紙樣30張。紙張性能檢測結(jié)果見表5。

表5 煙稈CMP漿不同添加比例時(shí)紙張性能

由表5可知，B漿與闊葉木漿配抄，隨著煙稈CMP漿比例的升高，抗張強(qiáng)度下降比較明顯。說明雖然煙稈纖維的長度與闊葉木相仿，但因煙稈CMP漿中非纖維物質(zhì)的存在，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。添加比例為20%時(shí)，抗張強(qiáng)度達(dá)到1.24 kN/m，在未進(jìn)行施膠等工藝情形下，接近內(nèi)襯原紙所需的抗張強(qiáng)度，表明該比例下煙稈CMP漿可用于內(nèi)襯原紙的抄造;耐折度隨著煙稈CMP漿比例升高也呈下降趨勢，但不如抗張強(qiáng)度下降的明顯，因歸功于磨漿 (打漿)的作用，通過適當(dāng)?shù)哪{ (打漿)工藝，可以提高煙稈纖維性能，達(dá)到更高的使用要求;A、B和C 3種漿單獨(dú)抄紙，所得紙張抗張強(qiáng)度遠(yuǎn)不如配抄紙張，一定程度上表明，煙稈化機(jī)漿單獨(dú)制備包裝用薄頁紙時(shí)強(qiáng)度上稍欠;3種紙漿相互比較，除A漿抗張強(qiáng)度稍差外，其他指標(biāo)差異并不大。因此，對于預(yù)處理工藝和磨漿工藝對煙稈化機(jī)漿強(qiáng)度的影響，需要在后續(xù)工作中進(jìn)行更充分的研究。

4 結(jié)論

對煙稈全稈的纖維形態(tài)，化學(xué)組成進(jìn)行了分析，探討了煙稈CMP漿的制漿工藝，并將煙稈CMP漿與闊葉木漿進(jìn)行配抄。

4.1 煙稈全稈纖維相對較長，平均纖維長度達(dá)1223.4 μm，長寬比為41，比較適中，為一種較好的造紙?jiān)稀?/p>

4.2 煙稈全稈化學(xué)組成中，灰分10.4%，熱水抽出物15.2%，1%NaOH抽出物 37.4%，苯-醇抽出物4.1%，綜纖維素65.4%，木素18.7%。其中灰分含量較高，堿法制漿時(shí)或在堿回收中會(huì)帶來問題;3種抽出物含量均較高，在化學(xué)制漿時(shí)或產(chǎn)生不同程度的影響，如藥品量增加、樹脂障礙以及漿白度低等問題。

4.3 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室模擬CMP制漿工藝和抄紙實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)用煙桿可采用CMP法進(jìn)行制漿，制漿得率接近80%，白度超過40%(B漿)，所抄紙張的抗張強(qiáng)度0.56 kN/m。采用全煙稈CMP漿抄造包裝用薄頁紙，如煙包內(nèi)襯原紙，紙張強(qiáng)度上稍差。與漂白闊葉木漿配抄，煙稈CMP漿添加比例20%時(shí)，紙張抗張強(qiáng)度達(dá)1.24 kN/m，伸長率達(dá)1.2%，接近卷煙包裝用內(nèi)襯原紙的要求。而預(yù)處理工藝以及磨漿工藝對煙稈化機(jī)漿強(qiáng)度等指標(biāo)的影響，則需要設(shè)計(jì)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入研究，以獲得更合理的制漿工藝條件。

4.4 與化學(xué)制漿相比，CMP制漿將減少煙稈制漿廢水的排放，減輕了環(huán)保壓力。作為煙草同宗同源的原料，煙稈CMP漿可用于卷煙包裝用內(nèi)襯原紙的抄造，進(jìn)一步的研究可以延伸到煙包卡紙等方面，為煙稈廢棄物利用提供更廣闊的思路。

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