響應面分析法優化桑枝SCMP制漿工藝

趙桂玲 文 鳳 趙 晨 李 寧 柳俊萬 許傳林 駱蓮新

(廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧，530004)

廣西每年生產300多萬t桑枝，但只有一部分桑枝用作燃料和栽培食用菌，大部分桑枝作為農業廢棄物，經濟利用價值低，對環境也造成污染，因此，桑枝利用率不高［1-2］。桑枝具有優良的纖維，且綜纖維含量較高［3］。國內對桑枝采用化學法制漿的研究比較多，桑枝化學法制漿有硫酸鹽法、AP-AQ法和燒堿蒽醌法等［4-6］，但高得率制漿的研究比較少。響應面分析法 (response surface methodology，簡稱RSM)可以研究多個變量與一個或大于一個因變量之間的回歸關系，通過回歸方法分析獲得自變量與因變量之間的回歸關系，從而獲得最佳的工藝條件［7］。

本課題研究桑枝磺化化機漿 (SCMP漿)制漿造紙工藝，采用單因素實驗，測定桑枝SCMP漿的紙張性能，并采用響應面分析法優化實驗，獲得制備桑枝SCMP漿的最佳工藝條件。

1 實驗

1.1 實驗原料

桑枝來源于廣西南寧蠶桑基地，桑枝切成長度為20～30 mm，自然風干備用。

1.2 實驗儀器

ZQSI-15電熱蒸煮鍋，咸陽通達輕工設備有限公司;ZSP300高濃磨漿機，吉林造紙有限公司造紙機械廠;YQ-Z-48A白度儀，杭州輕通儀器開發公司;DC-NPY5600耐破度測定儀，四川長江造紙儀器有限責任公司;L＆W抗張強度及斷裂韌性測定儀，Lorentzen＆Wettre公司;83-20-00撕裂度儀，荷蘭Buchel公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 磺化條件

用清水浸泡桑枝，濾掉清水后放置電熱蒸煮鍋內，加入NaOH溶液和Na2SO3溶液，液比為1∶5，升溫到130℃后保溫120 min，取出桑枝，濾掉廢液后放進清水中浸泡，采用高濃磨漿機磨漿。磨漿工藝為三段磨漿，磨漿濃度15%，磨盤間距分別為0.3 mm、0.15 mm、0.15 mm。

1.3.2 打漿

采用PFI磨打漿，肖伯氏打漿度儀測定漿料打漿度。

1.3.3 抄造手抄片

采用Tappi抄片器抄造定量為70 g/m2的手抄片。

1.3.4 性能測定

在457 nm波長的藍光下測定紙漿的白度［8］;耐破指數按照國家標準GB/T 454—1989計算;撕裂指數按照國家標準GB/T 455.1—1989計算;抗張指數按照國家標準GB/T 453—1989計算。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗研究

2.1.1 Na2SO3用量對SCMP漿性能的影響

表1為桑枝SCMP制漿時Na2SO3用量對紙漿性能的影響。

表1 Na2SO3用量對SCMP漿性能的影響

從表1可知，隨Na2SO3用量的增加，紙漿白度增加，當 Na2SO3用量為21%時，紙漿白度達到50.2%;而紙漿的耐破指數和撕裂指數則出現先增加后減小的趨勢。Na2SO3用量增加使木素引入更多磺酸基，當其用量增加到一定量后，有部分木素磺酸鹽溶出，因此紙漿白度不斷增加。同時，紙漿中總酸基含量增加，紙漿中纖維間結合力也增大，從而提高紙漿的耐破指數。當Na2SO3用量增加到15%時，紙漿的耐破指數最大，繼續增加用量，紙漿中羧酸基含量下降引起纖維間結合力減小，耐破指數也下降。Na2SO3用量從9%增加到15%時，桑枝磺化度增加，有利于磨漿時纖維分離，長纖維含量增加，從而提高紙漿的撕裂指數，紙漿的撕裂指數從3.88 mN·m2/g增加到5.27 mN·m2/g，Na2SO3用量超過15%時，紙漿的撕裂指數開始下降。隨Na2SO3用量的增加，紙漿的抗張指數不斷增加。

2.1.2 NaOH用量對SCMP漿性能的影響

表2為桑枝SCMP制漿時NaOH用量對紙漿性能的影響。

表2 NaOH用量對SCMP漿性能的影響

NaOH會使纖維變黃，NaOH用量增加會加劇纖維變黃程度。如表2所示，紙漿白度隨NaOH用量的增加不斷下降。NaOH具有潤脹纖維的作用，有利于磨漿時纖維細纖維化，增強纖維間結合力，使得紙漿的耐破指數增加。NaOH用量增加到4%時，紙漿的耐破指數出現了峰值，為4.99 kPa·m2/g。NaOH用量高于4%時，紙漿的耐破指數呈現下降趨勢。由于NaOH用量過高時漿料中總酸基含量 (磺酸基和羧酸基)減少，纖維間結合力也減弱，紙漿的抗張指數和撕裂指數隨NaOH用量增加出現先增加后減小的趨勢。在NaOH用量較低時，NaOH使纖維潤脹，磨漿時使纖維完整分離，并使纖維細纖維化，增強了纖維自身強度，因此，紙漿的抗張指數和撕裂指數出現增大現象。NaOH用量大于6%時，紙漿的抗張指數和撕裂指數出現下降，NaOH用量較高，溶液中鈉離子增加，會減小離子密度太大所形成的水合離子的半徑，引起纖維潤脹程度的下降［9］。

2.1.3 最高溫度對SCMP漿性能的影響

表3為桑枝SCMP制漿時最高溫度對紙漿性能的影響。

表3 最高溫度對桑枝SCMP漿性能的影響

由表3可知，最高溫度為115℃時，紙漿白度達到最高，為48.2%;繼續升溫，紙漿白度開始下降。溫度增加有利于化學藥液與桑枝的反應，增加磺化速率，利于桑枝木素引入磺酸基基團，降低木素的軟化溫度，增強木素與水的親和力，從而利于纖維分離，增加細纖維化程度，因此，紙漿的耐破指數呈增加趨勢。最高溫度達130℃時，紙漿的耐破指數出現下降趨勢，盡管提高反應溫度可以加快磺化反應速率，但對紙漿的耐破指數不利。而紙漿的抗張指數隨最高溫度上升而增加。表3中最高溫度不斷上升，紙漿的撕裂指數不斷增加，最高溫度上升到145℃時，紙漿的撕裂指數達到最大值為6.72 mN·m2/g;最高溫度超過145℃時，紙漿的撕裂指數出現下降趨勢。最高溫度上升，有利于纖維軟化，提高漿料中長纖維比例，因此紙漿的撕裂指數增加。

2.1.4 保溫時間對SCMP漿性能的影響

表4為桑枝SCMP制漿時保溫時間對紙漿性能的影響。

表4 保溫時間對桑枝SCMP漿性能的影響

保溫時間在60～120 min時，紙漿的漿白度、耐破指數和抗張指數不斷增加，但保溫時間大于120 min時，紙漿白度、耐破指數和抗張指數下降，見表4。適當延長保溫時間，桑枝中半纖維在堿性條件下會部分溶出，有利于提高紙漿耐破指數。延長保溫時間超過120 min后，桑枝可能軟化過度，可能會增加表面被木素包覆的纖維比例，引起漿料白度下降，同時阻礙纖維分離，造成磨漿困難［10］。降低漿料中纖維細纖維化程度，可引起紙漿耐破指數下降。由實驗結果可知，保溫時間60 min延長到80 min，紙漿撕裂指數增加到最大值，最大值為6.30 mN·m2/g，當保溫時間延長大于80 min時，紙漿撕裂指數開始下降現象。適當延長保溫時間，提高桑枝磺化度和長纖維含量，增強紙漿撕裂指數。桑枝中韌皮部長纖維含量比較高，超時延長保溫時間，桑枝韌皮部纖維會部分堿性水解，降低漿料中長纖維比例，從而降低紙漿撕裂指數。

2.2 采用響應面分析法優化桑枝SCMP制漿工藝

2.2.1 實驗設計

采用響應面分析實驗軟件Design-Expert 8.0.1中Box-Behnken，實驗設計了NaOH用量 (X1)、Na2SO3用量 (X2)和最高溫度 (X3)3因素3水平共17個實驗點進行響應面分析，其中5個實驗中心點，研究了不同條件下制漿對SCMP漿白度的影響。Box-Behnken實驗因素、水平及實驗結果見表5和表6。

表5 Box-Behnken實驗因素及水平

表6 Box-Behnken實驗設計與結果

2.2.2 響應面分析法實驗結果與分析

根據SAS設計軟件中Box-Behnken實驗設計得到以白度為目標的回歸方程:

式中，Y1為白度，X1為 NaOH用量，X2為Na2SO3用量，X3為最高溫度;方程中各項系數絕對值大小直接反映各個因素對目標值的影響程度，系數的正負反映了影響的方向。從式 (1)可知，最高溫度線性項對白度影響比較顯著。

2.2.3 回歸方程方法分析

表7為白度回歸方程方法分析表。表7中 F值為423.60，表示這個模型是顯著的，發生數據偏差或丟失的可能性只有0.01%，方程可靠性高。同時大于F值的幾率小于0.05，所以模型的顯著性明顯。相關系數R2=0.9982，說明其擬合程度高;R2Adj－R2Pred= 0.9958 －0.9707=0.0251＜0.2，表明模型可信度高。精密度表示實驗結果的重現性，一般要求大于4。表7中精密度為71.513，遠遠大于4，表明實驗結果重現性好。從表7中差異顯著 (P值)可以看出NaOH用量、Na2SO3用量和最高溫度對白度的影響都是極其顯著的，NaOH用量與Na2SO3用量間交互作用和NaOH用量與最高溫度間交互作用都是相對顯著的。

2.2.4 各因素相互影響響應面分析

采用Design-Expert 8.0.1中Box-Behnken分析得到回歸方程方法分析的等高線圖和三維響應曲面圖，如圖1～圖3所示。等高線圖的形狀為橢圓形，表示該兩因素間交互作用顯著;等高線圖的形狀為圓形，則表示該兩因素間交互作用不顯著。三維響應曲面圖可以直觀地反應因素對目標值的影響。

當最高溫度為 130℃時，NaOH用量與Na2SO3用量交互作用對SCMP漿白度影響如圖1所示。從圖1可知，Na2SO3用量比NaOH用量對白度影響效果更加顯著。

表7 白度回歸方程方法分析表

圖1 NaOH用量與Na2SO3用量交互作用對SCMP漿白度的影響

圖2 NaOH用量與最高溫度交互作用對SCMP漿白度的影響

當Na2SO3用量15%時，NaOH用量與最高溫度交互作用對SCMP漿白度影響見圖2。從圖2可知，紙漿白度隨著最高溫度上升而下降，當最高溫度為115℃、NaOH用量3%時，紙漿白度達到最高值。

當NaOH用量4%時，Na2SO3用量與最高溫度交互作用對SCMP漿白度影響見圖3。從圖3可知，紙漿白度隨著Na2SO3用量的增加而增加，Na2SO3用量為18%、最高溫度115℃時，紙漿白度達到最大值。

圖3 Na2SO3用量與最高溫度交互作用對SCMP漿白度的影響

2.2.5 響應面分析法得到桑枝SCMP制漿最佳工藝

綜上可知，通過響應面分析法獲得的制備桑枝SCMP漿的最佳工藝為:NaOH用量3%，Na2SO3用量18%，最高溫度為115℃，根據式 (1)預計此條件下SCMP漿白度為49.4%。為驗證該方法可靠性，在此條件下制備SCMP漿，實驗測得SCMP漿白度為49.4%，耐破指數為4.51 kPa·m2/g，抗張指數為31.8 N·m/g，撕裂指數為5.35 mN·m2/g。實驗結果與期望值相等，表明該法可靠。

3 結論

采用桑枝為原料制備磺化化機漿 (SCMP漿)，考察磺化條件對SCMP漿性能的影響，并通過響應面分析法獲得制備桑枝SCMP漿的最佳工藝為:NaOH用量3%，Na2SO3用量為18%，最高溫度115℃。在此條件下獲得的SCMP漿白度為49.4%，耐破指數為5.35 mN·m2/g，抗張指數為31.8 N·m/g，撕裂指數為 5.35 mN·m2/g。

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