混合商品桉木片原料硫酸鹽漿氧脫木素工藝優化

薛 斌，李 群，王 彪

(天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學材料科學與化學工程學院，天津 300457)

混合商品桉木片原料硫酸鹽漿氧脫木素工藝優化

薛 斌，李 群，王 彪

(天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學材料科學與化學工程學院，天津 300457)

針對混合商品桉木片硫酸鹽法制漿漂白過程強度損失較為嚴重問題，利用正交實驗方法完成混合商品桉木片硫酸鹽漿氧脫木素工藝優化，確定在NaOH用量2%、時間60min、溫度100℃、氧壓0.5MPa、MgSO4用量0.2%的條件下，紙漿的打漿度為15°SR，其抗張指數達到39,N·m/g以上，黏度＞780mL/g．通過單因素實驗，進一步探討氧脫木素工藝中NaOH用量對于紙漿性能的影響，提出氧脫木素工段NaOH用量與紙漿黏度、卡伯值分別具有線性關系：Yη＝－17.84,XNaOH＋829.92，R2＝0.989,8；Ykappa＝－0.62,XNaOH＋10.56，R2＝0.995,9．

混合商品桉木片；氧脫木素；紙漿性能

隨著我國制漿造紙工業規模的不斷擴大，木材原料資源緊缺的問題也日益突出[1]．為緩解這一問題，大量進口國外商品木材成為我國制漿造紙企業采取的重要措施之一[2–3]．但是，進口木片原料采購、運輸等環節中存在著諸多問題，很難保證穩定的木片原料質量，從而導致制備的紙漿普遍存在紙漿強度差、塵埃度高等缺陷，限制了進口商品木片原料的應用比例．為了最大程度上克服原料本身質量問題所導致的不利影響，針對原料質量特點，在常規制漿工藝基礎上進一步探索進口商品木片原料特點，提出與之適應的工藝優化方案，成為企業降低原料成本、提高紙漿質量所必須面對的重要課題．

本文針對目前制漿企業普遍采用的、對于紙漿強度影響較為顯著的氧脫木素處理工藝，以進口商品桉木片混合原料自制硫酸鹽漿為原料，開展氧脫木素工藝優化研究工作，探討氧脫木素工藝因素對于紙漿性能的影響，為指導企業的實際生產提供實驗數據支持．

1 材料與方法

1.1 原料

桉木原木片取自海南某制漿企業自有原料林場，削片后備用；國產商品桉木片、進口商品桉木片由海南某制漿企業提供．上述3種原料木片按m(原木片)∶m(國產商品木片)∶m(進口商品木片)＝10∶65∶25制備硫酸鹽法桉木漿，所得漿料風干備用．原漿性能見表1．

表1 自制原漿基本性能Tab. 1 Basic performance of home-made virgin pulp

1.2 實驗方法

1.2.1 氧脫木素工藝優化實驗

以NaOH用量(A)、溫度(B)、處理時間(C)、氧壓(D)、MgSO4用量(E)為主要影響因素，設計L16(45)正交實驗，完成氧脫木素工藝條件優化．因素水平表見表2.

表2 氧脫木素工藝優化的正交實驗因素水平表Tab. 2Orthogonal factors for process optimization of oxygen delignification

1.2.2 氧脫木素過程NaOH與主要紙漿性能的相關性分析實驗

在正交實驗確定的反應溫度、時間、氧壓、MgSO4用量的條件下，以NaOH用量為變量，采用單因素實驗方法，分析確定氧脫木素過程NaOH用量與國標規定的黏度、抗張強度等主要紙漿指標之間的定量關系．

1.2.3 短序漂白實驗

根據當前典型的短序漂白流程，按D0-Ep-D1的漂序(實驗條件見表3)完成氧脫木素階段后的漿料漂白，用于紙漿性能評價．

表3 氧脫木素漿在D0-Ep-D1漂序的工藝條件Tab. 3Process conditions in the bleaching sequence of D0-Ep-D1 for oxygen delignification

1.2.4 紙漿性能分析

分別按照GB/T 12914—2008《紙和紙板·抗張強度的測定》、GB/T 10338—2008《紙漿·羧基含量的測定》、GB/T 1546—2004《紙漿·卡伯值的測定》和GB/T 1548—2004《紙漿·黏度的測定》進行抗張強度、羧基含量、卡伯值和特性黏度的測定．

2 結果與討論

2.1 氧脫木素工藝優化

本文進行L16(45)的正交實驗，以紙漿抗張指數為主要技術指標，綜合考慮對于紙漿強度性能以及后續漂白處理影響較大的羧基含量、黏度、卡伯值性能參數，探討氧脫過程的最佳工藝條件．正交實驗的結果見表4．

表4 紙漿氧脫木素的正交實驗結果Tab. 4 Orthogonal test results of oxygen delignification of pulp

2.1.1 抗張指數的極差分析

紙漿抗張指數是QB/T 1678—2007《漂白硫酸鹽木漿》明確規定的紙漿產品質量標準之一，也是影響紙漿使用的最為重要的性能指標之一．如前所述，對于混合商品桉木片原料，紙漿強度特別是抗張強度偏低是制約其配抄應用的主要問題．因此，在制漿過程中通過工藝優化，最大程度保持其強度、避免氧脫處理造成強度損失是工藝優化的主要目標之一．抗張指數極差分析結果見表5．

表5 抗張指數的極差分析結果Tab. 5 Results of range analysis of tensile index

由表5可知：影響抗張指數的因素主次為NaOH用量＞MgSO4用量＞時間＞氧壓＞溫度；對紙漿抗張強度影響最大的因素為NaOH用量，影響程度要遠高于其他因素；以提高紙漿抗張強度為目標獲得的最優實驗條件為A3E2C3D2B2．

2.1.2 紙漿黏度的極差分析

紙漿黏度是相關標準明確規定的另一重要的紙漿等級判斷依據，同時也反映了制漿過程中纖維素的降解程度，間接影響到紙漿強度．氧脫木素過程中，保持較高的黏度水平，有利于后續漂白處理的參數選擇，在一定程度上有利于獲得良好的紙漿強度．紙漿黏度的極差分析結果見表6．

表6 紙漿黏度的極差分析結果Tab. 6 Results of range analysis of pulp viscosity

由表6可知：影響紙漿黏度的因素順序為NaOH用量＞溫度＞時間＞氧壓＞MgSO4用量；以降低紙漿黏度為目標獲得的最優實驗條件為A1B1C1D2E2．

2.1.3 紙漿卡伯值的極差分析

卡伯值間接反映了氧脫木素過程中紙漿脫木素程度，作為紙漿可漂性評價指標之一，為進一步確定后續漂白工藝條件提供依據．根據表7的極差分析結果可知：影響紙漿卡伯值的因素順序為NaOH用量＞溫度＞時間＞氧壓＝MgSO4用量；以降低紙漿卡伯為目標獲得的最優實驗條件為A4B3C4D4E2．

表7 紙漿卡伯值的極差分析結果Tab. 7 Results of range analysis of kappa number

2.1.4 紙漿羧基含量的極差分析

羧基含量在一定程度上體現了氧脫木素過程中，纖維素、半纖維素以及殘余木素被氧化的程度，對于保持紙漿強度具有一定的作用[4–6]．根據表8的極差分析結果可知：影響紙漿羧基含量的因素順序為NaOH用量＞MgSO4用量＞溫度＞氧壓＞時間，其中NaOH用量對紙漿羧基含量具有更為顯著的影響；以提高紙漿羧基含量為目標獲得的最優實驗條件為A2E4B3D3C3．

表8 紙漿羧基含量的極差分析結果Tab. 8 Results of range analysis of carboxyl content

2.1.5 綜合分析

綜合以上實驗結果，同時考慮可漂性等因素，確定最終優化工藝參數如下：NaOH用量2%、溫度100℃、時間60min、氧壓0.5MPa、MgSO4用量0.2%．根據該條件，完成驗證實驗，經后續D0-Ep-D1漂白處理，自制混合漂白漿的紙漿性能指標見表9．

表9 漂白漿的紙漿性能Tab. 9 Slurry ability of bleaching pulp

由表9可知：在打漿度為45°SR條件下，自制漂白漿紙漿抗張指數為71.52,N·m/g．參照QB/T 1678—2007《漂白硫酸鹽木漿》對于闊葉木漂白硫酸鹽漿的要求，自制漂白漿紙漿抗張指數和白度分別達到優等品的標準，黏度指標達到一等品的級別，可以滿足生產應用要求．

2.2 在氧脫木素過程中NaOH用量與紙漿黏度、卡伯值的定量關系

根據氧脫木素工藝優化正交實驗結果，NaOH用量對于各項指標均具有顯著的影響．紙漿抗張指數、黏度分別為QB/T 1678—2007《漂白硫酸鹽木漿》要求的重要強度性能指標，為便于了解NaOH用量對于紙漿強度性能的基本作用規律，在反應溫度100℃、時間60min、氧壓0.5MPa、MgSO4用量0.2%的條件下，分別對NaOH用量與抗張指數(測定時的打漿度為15°SR)、黏度、卡伯值指標進行單因素分析，結果如圖1—圖3所示．

紙漿的抗張強度受到纖維強度和纖維結合兩方面的影響，是紙漿物理強度的一項重要指標，能夠反映出紙漿性能的好壞．如圖1所示，無論NaOH用量為多少，氧脫木素后的紙漿抗張指數都要低于表1中自制原漿的抗張指數42.43,N·m/g．這是因為紙漿氧脫的選擇性較差，會明顯降低紙漿的纖維形態如長度和寬度，減弱了纖維自身的強度，使得氧脫木素后的紙漿的抗張指數都低于自制原漿的抗張指數．

圖1 NaOH用量與抗張指數的關系Fig. 1Relationship between NaOH dosage and the tensile index

圖2 紙漿黏度與NaOH用量之間的關系Fig. 2Relationship between NaOH dosage and the viscosity

圖3 NaOH用量對紙漿卡伯值的影響Fig. 3Influence of NaOH dosage on the kappa number of pulp

從圖1還可以看出：隨著NaOH用量的增大，紙漿的抗張指數會先變大后逐漸減小，并且在NaOH用量為2%左右，抗張指數達到最大．這是因為在NaOH用量為1%～2%時，隨著NaOH用量增加，木素不斷脫除，提高纖維間的結合，能夠彌補纖維損傷對抗張指數造成的不利影響，促使抗張指數變大；在NaOH用量為2%～5%時，隨著NaOH用量增加，纖維損傷越來越重，木素脫除促使纖維結合增強，但沒彌補纖維損傷對抗張指數的不利影響，紙漿抗張指數會變小．

由圖2、圖3可知：紙漿的黏度與NaOH用量呈線性相關：Yη＝－17.84,XNaOH＋829.92，R2＝0.989,8；紙漿卡伯值與NaOH用量也呈線性相關：Ykappa＝－0.62,XNaOH＋10.56，R2＝0.995,9．眾所周知，紙漿的黏度和強度是成正比關系的，但圖2的黏度變化是直線，而圖1的強度變化是曲線．這是因為紙漿的強度不僅受到纖維強度的影響，還會受到纖維結合的影響，在氧脫木素過程中，除了黏度下降外，紙漿卡伯值下降，說明木素脫除程度加深，纖維間結合增強，減緩紙漿強度的下降趨勢，甚至會使得紙漿強度變大，因此紙漿強度和黏度變化趨勢不同．

在氧脫木素過程中，隨著NaOH用量的不斷增加，殘余木素脫出的同時，纖維素的降解也趨于嚴重，導致紙漿黏度和強度下降，對于質量較差的混合商品桉木片原料而言，纖維素的降解作用對于紙漿強度指標的影響更為嚴重，需嚴格優化和控制氧脫木素工藝加以解決，避免因強度問題造成紙漿質量等級下降．

3 結 論

(1)通過正交實驗得出混合商品桉木片原料硫酸鹽漿氧脫木素的最佳工藝條件為：NaOH用量2%、溫度100℃、時間60min、氧壓0.5MPa、MgSO4用量0.2%．其中紙漿抗張強度影響因素主次為NaOH用量＞MgSO4用量＞時間＞氧壓＞溫度．自制漿在最優條件下氧脫木素，后續D0-Ep-D1漂白處理，紙漿抗張強度和白度達到QB/T,1678—2007《漂白硫酸鹽木漿》優等品的標準．

(2)紙漿的黏度和卡伯值與NaOH用量呈線性相關：Yη＝－17.84,XNaOH＋829.92，R2＝0.989,8；Ykappa＝－0.62,XNaOH＋10.56，R2＝0.995,9．

［1］ 詹懷宇，付時雨，李海龍. 淺述我國制漿科學技術學科現狀與發展[J]. 中國造紙，2011，30(2)：49–57.

［2］ 任國慶，彭東梅，季愛坤. 山地速生楊木制漿特性探討[J]. 黑龍江造紙，2012，40(4)：1–3.

［3］ 蔣忠道，許元春. 速生材楊木制漿工藝[J]. 西南造紙，2005，34(2)：35.

［4］ 李賢慧，錢學仁. 紙漿中的羧基及其對造紙過程和紙張性能的影響[J]. 中國造紙，2008，27(7)：51–57.

［5］ 郭延柱，傅英娟，李超，等. 纖維電荷對制漿造紙過程及紙張性能的影響[J]. 造紙化學品，2009，21(2)：16–21.

［6］ Bhardwaj N K，Duong T D，Hoang V，et al. Determination of fiber charge components of Lo-Solids unbleached kraft pulps[J]. Journal of Colloid and Interface Science，2004，274(2)：543–549.

責任編輯：周建軍

Optimization of Oxygen Delignification Process for Sulfate Pulp of Mixed Eucalyptus Wood Chips

XUE Bin，LI Qun，WANG Biao

(Tianjin Key Laboratory of Pulp and Paper，College of Material Science and Chemical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China)

When the mixed eucalyptus wood chips were used in the kraft pulping and bleaching，strength loss was a relatively serious problem. The optimum parameters in the oxygen delignification for the sulfate pulp of mixed eucalyptus wood were obtained via orthogonal experiments．The alkali charge，reaction time，reaction temperature，oxygen pressure and dosage of MgSO4were 2%，60min，100℃，0.5MPa and 0.2%，respectively. Under the optimum process conditions，the tensile index and viscosity were respectively higher than 39,N·m/g and 780mL/g while the beating degree of pulp was 15°SR. The influence of the dosage of NaOH on slurry ability in the oxygen delignification was further studied with single factor experiments，in order to put forward the linear relationship between the dosage of NaOH，kappa number and the viscosity of the pulp：Yη＝－17.84,XNaOH＋829.92，R2＝0.989,8；Ykappa＝－0.62,XNaOH＋10.56，R2＝0.995,9．

mixed eucalyptus wood chips；oxygen delignification；the performance of pulp

TS71＋3

A

1672-6510(2014)04-0035-04

10.13364/j.issn.1672-6510.2014.04.008

2013–11–08；

2014–02–27

薛 斌（1989—），男，山東濰坊人，碩士研究生；通信作者：李 群，教授，liqun@tust.edu.cn.