毛竹在化學(xué)熱磨機械漿生產(chǎn)中的應(yīng)用與探討

摘 要： 本研究以毛竹為原料，系統(tǒng)探究其在化學(xué)熱磨機械漿 （CTMP） 生產(chǎn)中的工藝優(yōu)化及性能表現(xiàn)。通過調(diào)整NaOH用量和蒸煮壓力，分析毛竹CTMP的物理強度指標變化規(guī)律，并分析其對紙張機械強度影響。結(jié)果表明，毛竹原料結(jié)構(gòu)致密，軟化程度與NaOH用量呈顯著相關(guān)性：當NaOH用量為 10% 時，漿 料 性 能 最 優(yōu)，紙 張 耐 破 指 數(shù)、耐 折 度 及 環(huán) 壓 指 數(shù) 分 別 達 1. 29 kPa·m2/g、4 次 和8. 96 N·m/g，較其他組提升顯著。此外，蒸煮壓力由 450 kPa 增至 600 kPa 雖能略微提升部分指標，但整體效果有限，表明NaOH用量是核心影響因素。

關(guān)鍵詞：毛竹；化學(xué)熱磨機械漿；物理強度

中圖分類號：TS743 文獻標識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 06. 019

我國造紙工業(yè)發(fā)展迅速，但造紙用原料長期依賴進口。自禁廢令和限塑令實施以來，我國造紙工業(yè)纖維原料短缺的問題進一步加劇，纖維原料缺口增大，非木材纖維原料高得率制漿技術(shù)迎來新的發(fā)展機遇[1]。近年來，各造紙企業(yè)推行林漿紙一體化發(fā)展，同時國家大力提倡“以竹代塑”理念[2] 。國內(nèi)廢紙資源有限，且廢紙循環(huán)利用次數(shù)多，導(dǎo)致纖維質(zhì)量無法滿足以廢紙為主要原料的造紙企業(yè)的生產(chǎn)需求。在此背景下，充分利用非木材纖維資源對解決企業(yè)纖維原料短缺的問題具有重要意義[3]。

我國竹材資源十分豐富，目前已發(fā)現(xiàn)631種竹類植物，竹林總面積可達 750 多萬 hm2，約占世界總量的 30%[4-5]，我國擁有豐富的竹資源，被譽為第二森林。竹材是一種優(yōu)良的纖維原料，可提取竹原纖維，是最早用于機制紙的纖維原料之一。竹材的纖維形態(tài)、化學(xué)成分介于針葉木和闊葉木之間，竹漿的品質(zhì)與木漿相當[6]。我國竹類品種大體分為 2 大類：一類為薄壁中小徑竹，是我國目前用量最多的制漿造紙竹種[7]；另一類為厚壁大徑竹，主要為毛竹，約占全國竹林總面積的70%，總蓄積量達1.2億t，但因為毛竹結(jié)構(gòu)致密，藥液難浸透，存在蒸煮周期長、化學(xué)品消耗量大等問題，最終導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高[8]。

化學(xué)熱磨機械漿 （CTMP） 生產(chǎn)工藝中，原料利用率高、投資少 （較化學(xué)法制漿）、生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)中添加的化學(xué)品不含硫，廢水易于處理[9]。利用毛竹制備 CTMP 是毛竹開發(fā)利用的一個重要方向。本研究結(jié)合實際制漿工藝生產(chǎn)本色竹漿，對比不同軟化藥劑 （NaOH） 用量、蒸煮壓力對 CTMP 指標進行研究，探討毛竹 CTMP 在廢紙資源為主的造紙行業(yè)中的應(yīng)用實踐，以期替代部分國廢資源，提高經(jīng)濟效益。

1 實 驗

1. 1 實驗原料與試劑

毛竹 （新鮮砍伐未霉變） 產(chǎn)地浙江，取自國內(nèi)某造紙企業(yè)竹纖維漿線；NaOH （純度 99.9%） 購于浙江某化學(xué)品公司。

1. 2 生產(chǎn)工藝流程

本實驗生產(chǎn)線為自建年產(chǎn)10萬t毛竹化學(xué)熱磨機械漿 （CTMP） 中試生產(chǎn)線。根據(jù)毛竹特性采用主流CTMP生產(chǎn)工藝流程，竹片先進行備料篩選水洗，通過預(yù)汽蒸平衡原料水分，后經(jīng)螺旋擠壓撕裂，通過控制 NaOH 用量和橫管蒸煮壓力探索漿料最終工藝指標，具體生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

毛竹竹片經(jīng)過篩選，合格竹片經(jīng)過雙鼓水洗機洗滌，后經(jīng)雙螺旋濾水機脫水后，在 90 ℃左右條件下進行預(yù)汽蒸 40～60 min，汽蒸后的竹片經(jīng)螺旋擠壓撕裂，原料壓潰后比表面積增大。在擠壓撕裂過程中，原料中不利于漿料軟化反應(yīng)的部分有機低分子抽出物經(jīng)擠壓去除，減少了化學(xué)品的無效利用。壓潰后形成料塞，螺旋末端漿濃提高至 60%，出螺旋后迅速膨脹，增大藥液接觸面積，增強毛竹原料的吸 液 能 力 。 通 過 控 制 T 型 管 中 NaOH 用 量 （5%～20%） 和橫管蒸煮軟化的反應(yīng)條件 （蒸煮壓力 450～600 kPa），進行高溫高壓蒸煮軟化反應(yīng) （20 min），具體工藝條件如表 1 所示。橫管蒸煮軟化后的物料通過一道高濃磨漿 （漿濃 35%），磨后所得漿料在高濃反應(yīng)塔中利用殘留化學(xué)品繼續(xù)滯留反應(yīng) 2 h，漿料經(jīng)塔底稀釋，后經(jīng)中濃泵送螺旋壓榨機進行洗漿，洗后漿料再經(jīng)消潛，依次通過低濃磨漿，篩選濃縮后，制得毛竹 CTMP。

1. 3 紙張的抄造

按照GB/T 24324—2009，以毛竹為原料，采用標準紙頁成型器 （TD10-200，咸陽通達輕工設(shè)備有限公司） 抄造定量為140 g/m2的紙張。

1. 4 紙張性能檢測

按照 GB/T 24323—2009 對紙張的耐破度和耐折度進行測定；按照 GB/T 2679.8—2016 對紙張的環(huán)壓強度進行測定。

1. 5 漿料中化學(xué)組分含量的測定

漿料中綜纖維素含量參照 TAPPI T249 om-00進行測定。漿料中Klason木質(zhì)素含量參照TAPPI T222 om-02進行測定；酸溶木質(zhì)素含量參照 TAPPI T13 wd-74 進行測定，Klason木質(zhì)素與酸溶木質(zhì)素之和為總木質(zhì)素含量。

1. 6 纖維形態(tài)測定

取適量的 CTMP，參照 TAPPI T232 cm-01 采用纖維分析儀 （16000013，杭州輕通博科自動化技術(shù)有限公司） 測定其長度、寬度等纖維形態(tài)參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

由生產(chǎn)實踐可知，毛竹CTMP物理指標強度與化學(xué)品用量直接相關(guān)。化學(xué)漿物理指標強度高，與CTMP 主要區(qū)別在于原料所受化學(xué)品作用程度的差異。化學(xué)漿通過脫除木質(zhì)素實現(xiàn)紙漿纖維柔順化，經(jīng)打漿工序的分絲帚化處理，纖維間結(jié)合強度顯著提升，從而優(yōu)化紙張的抗張強度、耐破度等關(guān)鍵物理性能指標。而CTMP制漿過程中保留木質(zhì)素，紙漿纖維必須先得到充分的軟化與潤脹，使纖維在磨漿過程中更好地進行分絲帚化，以達到更好的結(jié)合強度。

2. 1 預(yù)處理對毛竹CTMP紙張性能的影響

通過生產(chǎn)實踐將所得CTMP漿料進行抄紙，然后對紙張的物理指標性能進行檢測。圖 2（a）和圖 2（b）是在蒸煮壓力分別為450 和600 kPa條件下，NaOH用量對紙張物理性能的影響。對比圖 2（a）和圖 2（b）可知，在蒸煮壓力為 600 kPa 條件下，不同 NaOH 用量對紙張物理性能的影響與在蒸煮壓力為 450 kPa條件下所得結(jié)果的趨勢一致。在蒸煮壓力 450 kPa （圖 2（a））時，隨著NaOH用量的增加，紙張耐破指數(shù)、耐折度和環(huán)壓指數(shù)均呈先增大再降低的趨勢。在NaOH用量為 10% 時，紙張耐破指數(shù)、耐折度和環(huán)壓指數(shù)均達到 最 高，分 別 為 1.29 kPa·m2/g、4 次 和 8.96 N·m/g。當 NaOH 用量為 5% 時，毛竹原料結(jié)構(gòu)致密，化學(xué)藥品難以滲透，盡管經(jīng)過高溫高壓蒸煮，也無法充分軟化毛竹原料，木質(zhì)素、纖維素、半纖維素分離程度小；機械作用會損傷或切斷紙漿纖維，無法保證紙漿纖維較好的結(jié)合強度。逐步增加NaOH用量，毛竹原料中的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素分離降解程度加劇，毛竹原料軟化效果增強，NaOH 用量增加至 10%時，紙張物理強度指標達到最大；但隨著NaOH用量的繼續(xù)增加，毛竹原料中木質(zhì)素、纖維素、半纖維素降解程度加劇，最終導(dǎo)致紙張的物理強度指標降低，化學(xué)品消耗量大，無法滿足造紙企業(yè)實際生產(chǎn)需求。

綜上可得，NaOH用量為10%時，紙張的物理強度指標最優(yōu)。

圖 3為在 NaOH 用量 10% 的條件下，蒸煮壓力對紙張物理性能的影響。由圖 3 可知，當蒸煮壓力為450 kPa 時，紙張的耐破指數(shù)、耐折度和環(huán)壓指數(shù)別為 1.29 kPa·m2/g、4 次及 8.96 N·m/g；當蒸煮壓力為600 kPa 時，紙張的耐破指數(shù)、耐折度和環(huán)壓指數(shù)分別 為 1.44 kPa·m2/g、5 次 及 8.80 N·m/g。由 此 表 明，通過提高蒸煮壓力，紙張物理指標有部分提高但并不明顯。原因在于毛竹原料進入橫管蒸煮的蒸煮壓力增大導(dǎo)致溫度提高，蒸煮軟化反應(yīng)的強度亦有所增加，毛竹原料中的木質(zhì)素、半纖維素和纖維素在加堿降解分離過程中，當NaOH用量達到10%時，已接近纖維解離所需的用堿量極限。此時若繼續(xù)增加NaOH并提高蒸煮壓力，對原料的軟化作用提升有限，因此對紙漿纖維物理強度指標的改善效果不再顯著。

2. 2 預(yù)處理對漿料化學(xué)組分和纖維形態(tài)的影響

表 2 為預(yù)處理條件對漿料化學(xué)組分的影響。由表 2 可知，隨著 NaOH 用量的增加，CTMP 漿中木質(zhì)素含量降低，這是由于NaOH能使木質(zhì)素和纖維素之間的酯鍵斷裂，提高木質(zhì)素的去除率[10]。NaOH 用量為 10% 時，木質(zhì)素含量下降幅度最大。此后，繼續(xù)增加 NaOH 用量，木質(zhì)素含量下降不明顯。相應(yīng)地，綜纖維素含量隨NaOH用量的增加而增加。蒸煮壓力和溫度增加，導(dǎo)致木質(zhì)素含量進一步下降，綜纖維素含量增加，但是增加幅度不大。因此，當NaOH用量為 10% 時，紙張物理指標性能相對最好。這是因為CTMP屬于高得率漿，制漿過程中保留了毛竹原料中的大部分木質(zhì)素，使紙漿纖維比較挺硬，成紙時紙張不透明度大、松厚度高、形穩(wěn)性好，同時還可降低生產(chǎn)成本。

纖維形態(tài)是衡量造紙原料是否適用抄紙的重要指標，包括纖維長度、纖維寬度、長寬比等指標。表3為8組CTMP的纖維形態(tài)分析。由表3可知，8組CTMP的纖維長度最大值為1.84 mm，最小值為1.61 mm，寬度相差不大，分布在20.81～22.56 μm；毛竹纖維長寬比均高于木材纖維 （針葉木、闊葉木的纖維長寬比分別約為 60～80和 30～65）[2]。由此說明，增加 NaOH 用量，可以顯著增強毛竹竹片原料結(jié)構(gòu)的軟化和膨脹效應(yīng)，弱化竹片纖維間結(jié)合力，在后續(xù)機械磨漿過程中更易實現(xiàn)纖維分離，減少磨漿對竹片纖維形態(tài)的損傷和切斷，維持纖維形態(tài)的完整性，最終使紙漿保持較高的纖維平均長度和細小組分，減少了紙漿纖維卷曲和扭結(jié)現(xiàn)象[11]。此外，蒸煮壓力和蒸煮溫度的增加，加速了纖維的分離，導(dǎo)致纖維長寬比減小。

長寬比大的纖維有利于提高紙張強度，這是因為纖維分布細密，使纖維之間相互交織的次數(shù)增多，進而增強紙張強度。另外，CTMP是集化學(xué)處理、熱處理和機械磨漿三者為一體的制漿方法。經(jīng)過汽蒸的竹材除利用化學(xué)藥品進行短時間的浸漬外，還需要再進行熱處理，使竹材得以軟化，軟化后的竹材能分離出較多完整的纖維，也有利于提高紙張強度。

3 結(jié) 論

3. 1 在以毛竹為原料生產(chǎn)化學(xué)熱磨機械漿 （CTMP）工藝中，原料的軟化程度與NaOH用量直接相關(guān)，當NaOH強度指標最優(yōu)用量為10：%耐破指數(shù)為時，原料軟化程度最佳1. 29 kPa·m，紙張物理2/g，耐折度為4次，環(huán)壓指數(shù)為8. 96 N·m/g。

3. 2 在最佳 NaOH 用量 （10%） 下，通過調(diào)整橫管蒸煮壓力，發(fā)現(xiàn)蒸煮壓力與溫度的提高，對原料的軟化反應(yīng)強度有一定效果，但對提高毛竹CTMP的紙張物理強度指標無顯著變化。

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（責(zé)任編輯：呂子露）