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巨菌草化學機械法制漿預浸漬工藝探究

2025-04-15 00:00:00程窯徐峻魯俊良張曉銳王湘槐
中國造紙 2025年3期

摘要: 本研究以巨菌草為原料,采用化學機械法制漿工藝,通過單因素實驗,從用堿量、反應溫度、反應時間3方面探究預浸漬工藝對紙漿化學組分、纖維形態及其紙張物理強度的影響。結果表明,用堿量對紙漿綜纖維素含量影響較大,反應溫度、反應時間的升高均對增強紙張物理性能有積極作用,巨菌草化學機械法制漿最適預浸漬工藝條件為用堿量8%、反應溫度90 ℃、反應時間60 min。在此工藝條件下,巨菌草化學機械漿性能及其紙張物理強度均良好,紙漿的綜纖維素含量為79. 2%,纖維素含量為62. 5%,半纖維素含量為16. 8%,木質素含量為17. 8%,纖維平均長度為0. 75 mm,粗度為0. 14 mg/m,細小纖維面積比為16. 9%,平均寬度為22. 3 μm,紙張抗張指數為42. 8 N·m/g,撕裂指數為4. 70 mN·m2/g,耐破指數為1. 87 kPa·m2/g。

關鍵詞:巨菌草;化學組分;纖維形態;物理強度

中圖分類號:TS74 文獻標識碼:A DOI:10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 03. 015

纖維原料是造紙工業的基礎,但由于我國木材原料相對短缺,因此合理利用非木材原料仍是當前我國造紙工業的原料方針[1-2]。據統計,2023年非木材紙漿的產量為575萬t,主要包括竹漿、稻麥草漿[3]。當前,非木材制漿主要采用化學法,雖然所制紙漿纖維長且結實,但存在化學藥品用量大、廢液回收率較低、治理成本高等難題。與化學漿比較,機械漿具有得率高、松厚度高、污染低、生產成本低[4]等優勢,但其缺陷也很明顯,如粗纖維含量高、強度性能和漂白性能差等,其中紙張物理強度差是限制機械漿發展的一個重要因素[5]?;瘜W機械漿(以下簡稱化機漿)的紙張性能相比于機械漿有較大提升,化機漿具有得率高、強度好、污染負荷輕、生產成本低等優點[6],同時具有原料適應性廣、流程緊湊、設備投資少等優點[7],是當前非木材制漿的重要發展方向之一。

巨菌草是一種原產于北非的多年生禾本科植物,其環境適應性強、生長快,一年內株高最高可達7 m, 且光合作用效率較高, 年產量最高可達525 t/hm2 [8-10]。目前,國內外對巨菌草制漿造紙性能的研究較少,現有的少數研究僅對巨菌草原料本身和化學法制漿特性進行了初步研究,并沒有系統闡述巨菌草化機漿性能及其紙張的物理強度。良好的預浸漬是化學機械法制漿工藝的關鍵,預浸漬效果不佳將導致磨漿能耗較高、成漿纖維束含量較高、纖維長度分布較廣、紙張結合強度較差[7,11],且增加后續漂白段的處理難度[12]。

本研究以巨菌草為原料,采用化學機械法制漿工藝,探究了化學預浸漬用堿量、反應溫度、反應時間對巨菌草化機漿性能的影響,為巨菌草制漿造紙提供了一個可行的工藝方案。

1 實驗

1. 1 實驗原料與試劑

3年生巨菌草(纖維素含量47.1%,半纖維素含量24.8%,木質素含量24.5%),福建省國家菌草中心;氫氧化鈉,分析純,南京化學試劑有限公司;硫酸,分析純,廣州化學試劑廠;亞氯酸鈉,分析純,上海麥克林生化科技有限公司;冰醋酸,分析純,上海潤捷化學試劑有限公司。

1. 2 實驗儀器

紫外可見分光光度計,UV-1900,上海元析儀器有限公司;瑞士梅特勒-托利多;纖維分析儀,MorfiCompact,法國Techpap;耐破度測定儀,CE180,瑞典Lamp;W;抗張強度儀,CE062,瑞典Lamp;W;撕裂度儀, 009,瑞典Lamp;W。

1. 3 實驗方法

將巨菌草除雜、洗凈、風干、切段(長度2~3 cm)。取70 g絕干巨菌草于密封袋中,控制用堿量、反應溫度、反應時間等因素,進行預浸漬處理。用2500-Ⅱ高濃盤磨機(日本KPK) 對預浸漬后的巨菌草進行磨漿,為了不過分損傷纖維并提高打漿度,本研究采用2段磨漿工藝,磨漿工藝條件設置為:一段磨的磨盤間距0.3 mm,二段磨的磨盤間距0.1 mm。磨漿結束后將巨菌草漿配至漿濃3%,置于80 ℃水浴鍋中消潛30 min后進行篩漿,篩選后的細漿用PFI磨漿機在磨盤間距0.1 mm下打漿至 (40±2) °SR。使用RK3AK?WT 凱塞法自動抄紙機(奧地利PTI), 抄造定量100 g/m2的紙張,90 ℃下干燥,將紙張置于恒溫恒濕環境下平衡水分24 h,進行紙張物理強度測定。

1. 3. 1 化學組分的測定

將預浸漬后的巨菌草洗凈風干后,先用800Y粉碎機(武義海納電器有限公司) 粉碎,并用標準篩選出粒徑250~420 μm的粉末,儲存于帶磨砂玻璃塞的廣口瓶中。在平衡水分后進行巨菌草化學組測定,按照GB/T 2677.10—1995 測定綜纖維素含量, 按照GB/T 2677.8—1994 測定酸不溶木質素含量, 按照GB/T 10337—2008測定酸溶木質素含量,其他組分含量參照文獻[13]的方法進行測定。

1. 3. 2 纖維形態的測定

取篩選后的細漿樣品, 將其配制成質量分數0.03%的纖維懸浮液,用纖維分析儀進行纖維長度、細小纖維比、寬度和粗度的測定。

1. 3. 3 紙張物理強度的檢測

紙張的抗張指數、撕裂指數、耐破指數分別按照GB/T 12914—2018、GB/T 455—2002、GB/T 454—2020進行測定。

2 結果與討論

2. 1 不同用堿量下化機漿化學組分、纖維形態及其紙張物理強度分析

在探究用堿量對巨菌草化機漿性能及其紙張性能的研究中,預浸漬過程的反應溫度和反應時間分別為90 ℃和60 min。纖維原料化學組分、纖維形態及其紙張物理性能是評價紙漿優劣的重要依據,也是制定制漿和漂白等后續工藝的重要依據[14]。綜纖維素是纖維素和半纖維素的總稱,是預判造紙原料優劣的關鍵因素之一,原料的綜纖維素含量越高,其制漿得率也越高[15]。圖1為不同用堿量下紙漿化學組分、纖維形態和紙張物理強度的分析結果。從圖1(a)可以看出,隨著用堿量不斷增加,綜纖維素含量也在不斷增加。當用堿量為5%~10%時,綜纖維素含量增長較快,平均綜纖維素含量從約76% 上升至約80%;繼續增加用堿量,綜纖維素含量雖繼續增加,但趨于穩定;當用堿量為14% 時,綜纖維素含量約81%。同時,隨著用堿量的增加,巨菌草化機漿的纖維素含量也不斷增加,半纖維素和木質素含量不斷減少。纖維素含量在用堿量為5%~8%時增長最快,從52%提升至63%左右, 繼續提高用堿量到14%, 纖維素含量上升至66%,僅提升了約3個百分點。半纖維素含量在用堿量為5%~8%時減少最快,從24%下降至17%,繼續提高用堿量到14%,半纖維素含量減少至13%,僅降低了4個百分點。木質素含量在用堿量為5%~11%時下降較快,從約22%下降至約14%,再增加用堿量,木質素含量雖繼續下降,但趨于穩定,到用堿量為14%時木質素含量約為13%。

紙漿的纖維形態特征與紙張物理性能密切相關[16-17],也是評價造紙纖維質量的重要指標。較大的纖維長度可以提供更多的氫鍵結合位點,有助于提高紙張的強度。另外,纖維粗度對紙張的特性,特別是紙張的印刷性能有重要的影響。從圖1(b)可以看出,隨著用堿量的不斷增加,纖維平均長度先增大后減小,這是因為當用堿量較低時,纖維潤脹不充分,在盤磨階段沒有分散開來,隨著用堿量的增加,纖維平均長度不斷增加。當用堿量為5%~8%時,纖維平均長度增長最快,在用堿量為10%時,纖維平均長度最大,達0.78 mm左右。當用堿量超過10%時,纖維平均長度開始下降,這是因為當用堿量過高時,纖維剝離開來并變軟,從而扭結折彎,平均長度變小。隨著用堿量的不斷增加,纖維平均粗度先減小,后趨于平緩。當用堿量為5%~6%時,纖維平均粗度下降速度最快,在用堿量為8% 時纖維平均粗度最小,約0.14 mg/m,當用堿量超過8%時,纖維平均粗度略有增加后趨于平緩,且均在0.14~0.25 mg/m,這意味著此時纖維柔韌,抄造出來的紙張比較細膩。

從圖1(c)可以看出,隨著用堿量的增加,細小纖維面積比不斷減小,從23.5%下降至13.9%;在用堿量達9%后,細小纖維面積比的下降趨勢減緩,細小纖維面積比維持在15% 左右。隨著用堿量的增加,纖維平均寬度先減少后增加,在用堿量為8% 時最低,約為22.3 μm,此時長寬比達到最大,繼續增加用堿量,纖維平均寬度雖有提升,但維持在23 μm左右,變化較小。

對紙漿進行抄紙,分析紙張抗張指數、撕裂指數和耐破指數,這是檢測紙漿性能的重要的指標[18]。影響紙張抗張強度最重要的因素是纖維之間的結合力以及纖維自身的強度,影響紙張撕裂強度的重要因素是纖維長度,影響紙張耐破度的主要因素是纖維長度和纖維間的結合力。從圖1(d)可以看出,隨著用堿量的不斷增加,紙張的3種物理強度指標均不斷增加,這是因為用堿量的增加提高了紙張纖維間的結合力,纖維潤脹程度逐漸升高,磨漿過程中纖維發生切斷的現象逐漸減少。指標上的變化體現在浸漬過程中,用堿量的增加能夠使纖維在磨漿過程中易解離,最終所得紙漿中,長纖維組分增加,整體的纖維平均長度增加,細小纖維含量減少,纖維的柔軟度提高,進而提高了紙漿的物理強度。在用堿量為5%~8%時,紙張的抗張指數增長較快,在用堿量為8%時達42.8 N·m/g,繼續增加用堿量,抗張指數幾乎保持不變。在用堿量為8%時,撕裂指數達4.70 mN·m2/g,繼續增加用堿量,撕裂指數僅有微小提升。在用堿量為5%~8%時,紙張的耐破指數增長很快, 在用堿量為8% 時達1.87 kPa·m2/g,繼續增加用堿量,耐破度提升十分微小。

綜上所述,結合紙漿化學組分、纖維形態和紙張物理性能,較佳的巨菌草化機漿預浸漬用堿量為8%。

2. 2 不同反應溫度下化機漿化學組分、纖維形態及其紙張物理強度分析

在探究反應溫度對巨菌草化機漿性能及其紙張性能的研究中,預浸漬的用堿量為8%,反應時間為60 min。圖2為不同反應溫度下紙漿化學組分、纖維形態和紙張物理強度的分析結果。從圖2(a)可以看出,隨著反應溫度的升高,綜纖維素含量先減少后略微提升。在反應溫度為80 ℃時,綜纖維素含量最高,達到81%左右,繼續升高反應溫度,綜纖維素含量雖有波動,但維持在80%左右。同時,隨著反應溫度的增加,巨菌草化機漿的纖維素含量不斷增加,半纖維素和木質素含量不斷減少。其中,纖維素含量整體呈線性增長,但增長速率不快;半纖維素含量在反應溫度gt;90 ℃時,雖繼續減少,但變化不大。這是因為在反應溫度lt;90 ℃時,纖維素含量增加速率小于半纖維素含量減少速率,所以綜纖維素含量整體上才有下降的趨勢。隨著反應溫度的提升,木質素含量整體下降趨勢平緩,當反應溫度為80 ℃時,木質素含量約為19%,當反應溫度為100 ℃時,木質素含量約為17%,僅下降了約2個百分點,表明反應溫度對巨菌草化學組分的影響不大。

從圖2(b)可以看出,隨著反應溫度的升高,纖維平均長度先上升后下降,在反應溫度80~90 ℃時,纖維平均長度的上升幅度最大,在反應溫度達90 ℃時幾乎達到最大,約為0.75 mm。隨著反應溫度的升高,纖維平均粗度不斷下降,在反應溫度為80~90 ℃時,纖維平均粗度的下降速率較快,當反應溫度達到90 ℃后,纖維平均粗度雖繼續下降,但幾乎保持不變。

從圖2(c)可以看出,隨著反應溫度的升高,細小纖維面積比先減少后增加,但整體變化不大,均維持在16%~18%。在反應溫度為85 ℃時,細小纖維面積比最小,為16.1%。隨著反應溫度的升高,纖維平均寬度整體呈下降趨勢,在反應溫度為90 ℃時,纖維平均寬度下降速率最快,繼續升溫,纖維平均寬度雖有提升,但變化很小,故反應溫度在90 ℃時,纖維平均寬度達到最小值,且此時長寬比最大,達33.6。

從圖2(d)可以看出,隨著反應溫度的增加,紙張的3種物理強度指標均不斷增加,其中抗張指數和撕裂指數均呈近線性增長,耐破指數在反應溫度80~95 ℃時的增長速度較快。在反應溫度為90 ℃時,紙張的抗張指數、撕裂指數和耐破指數均已達到良好數值,分別為42.8 N·m/g、4.70 mN·m2/g、1.87 kPa·m2/g,其中抗張指數和撕裂指數分別高于磺化濕地松化機漿[19]和竹柳化機漿所抄紙張[20]。

綜上所述,從節約能源角度出發,結合紙漿化學組分、纖維形態及其紙張物理性能,較佳的巨菌草化機漿預浸漬反應溫度為90 ℃。

2. 3 不同反應時間下化機漿化學組分、纖維形態及其紙張物理強度分析

在探究反應時間對巨菌草化機漿及其紙張性能的研究中,預浸漬的用堿量為8%,反應溫度為90 ℃。圖3為不同反應時間下紙漿化學組分、纖維形態和紙張物理強度的分析結果。從圖3(a)可以看出,隨著反應時間的增加,綜纖維素含量先趨于平緩,再減少,最后略微提升。當反應時間為50 min時,綜纖維素含量最高,約為82%,繼續增加反應時間,綜纖維素含量雖有波動,但均維持在80%左右。同時,隨著反應時間的增加,纖維素含量也在不斷增加,半纖維素和木質素含量則不斷減少。纖維素含量整體呈線性增加,反應時間每增加10 min,纖維素含量升高約1個百分點。在反應時間40~60 min時,半纖維素減少速率最快,在反應時間60 min時,半纖維素含量約為17%。繼續增加反應時間,半纖維素含量雖有減少,但變化不大,反應時間增加到80 min時,半纖維素含量僅下降了約1個百分點。這是因為在反應時間lt;60 min時,纖維素含量增加速率小于半纖維素含量減少速率,所以綜纖維素含量整體上才有下降的趨勢。在反應時間為40~60 min時,木質素含量減少速率最快,在反應時間60 min時,木質素含量約為18%,繼續增加反應時間,木質素含量雖有減少,但變化不大,反應時間增加到80 min時,木質素含量僅下降了約1個百分點。

從圖3(b)可以看出,隨著反應時間的增加,纖維平均長度不斷增加,在反應時間40~60 min時,纖維平均長度增加速率最快,在反應時間60 min時,纖維平均長度約為0.75 mm,繼續增加反應時間,纖維平均長度雖有增加,但變化很小,反應時間增加到80 min時,纖維平均長度僅變化了不到0.1 mm。隨著反應時間的增加,纖維平均寬度不斷減小,在反應時間為40~60 min時,纖維平均寬度減小速率較大,繼續增加反應時間,纖維平均寬度變化很小。

從圖3(c)可以看出,隨著反應時間的增加,細小纖維面積比不斷下降,從18.0%減小至15.1%。隨著反應時間的增加,平均寬度僅有微小波動,均維持在22.5 μm左右,表明反應時間對細小纖維面積比和平均寬度影響不大。

從圖3(d)可以看出,隨著反應時間的增加,紙張的抗張指數、撕裂指數和耐破指數均不斷增加,其中撕裂指數幾乎呈線性增長,抗張指數和耐破指數增長趨勢相近,均從60 min后開始有較快增長。在反應時間60 min時,紙張抗張指數、撕裂指數和耐破指數均已較優,分別為42.8 N·m/g、4.70 mN·m2/g、1.87 kPa·m2/g。

綜上所述,從節約能源角度出發,結合紙漿化學組分、纖維形態和紙張物理性能,較佳的巨菌草化機漿預浸漬反應時間為60 min。

3 結論

本研究以巨菌草為原料,采用化學機械法制漿工藝,通過單因素實驗,從用堿量、反應溫度、反應時間3方面探究預浸漬工藝的最佳參數,主要對巨菌草化機漿的化學組分(纖維素、半纖維素和木質素含量)、纖維形態特征(纖維平均長度、纖維平均粗度、纖維平均寬度和細小纖維面積比) 及其紙張物理性能(抗強指數、撕裂指數、耐破指數) 進行了討論。

3. 1 隨著用堿量的增加,巨菌草化機漿的綜纖維素含量不斷增加,在用堿量gt;10%時增長趨緩;木質素含量不斷減小,在用堿量gt;11%時減少趨緩;纖維平均長度先增后減,在用堿量為10%時達到最大;纖維平均粗度、纖維平均寬度均先減小,在用堿量gt;8%時趨于穩定;細小纖維面積比不斷減小,在用堿量gt;9%時下降趨勢減緩;紙張物理強度不斷增加,在用堿量為8%時達較高水平,繼續增加用堿量,紙張物理強度增幅不大。因此,巨菌草化學機械法制漿工藝的最適用堿量為8%。

3. 2 隨著反應溫度的升高,巨菌草化機漿的綜纖維素含量維持在80%左右;木質素含量不斷減小,在反應溫度為100 ℃時木質素含量達到最小值;纖維平均長度先增加后減少,在反應溫度為90 ℃時達到最大值;纖維平均粗度不斷減小;細小纖維面積比先減小后增大,在反應溫度為85 ℃時達到最小值;纖維平均寬度維持在22~24 μm;紙張物理強度不斷增加,在反應溫度為90 ℃時達較高水平。因此,巨菌草化機漿預浸漬的最適反應溫度為90 ℃。

3. 3 隨著反應時間的增加,巨菌草化機漿的綜纖維素含量均約為80%;木質素含量不斷減小,在反應時間為40~60 min時減少速率最快;纖維平均長度不斷增加,在反應時間為60 min時達到最大值;纖維平均粗度、細小纖維面積比均不斷減少;纖維平均寬度均維持在22~23 μm;紙張物理強度不斷增加,在反應時間為60 min時達較高水平。因此,巨菌草化機漿工藝的最適反應時間為60 min。

參 考 文 獻

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(責任編輯:魏琳珊)

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