全封閉分級篩選對竹漿纖維特性及紙張性能的影響

關鍵詞：本色竹漿；分級篩選；纖維質量；打漿；紙張性能中圖分類號： TS749⁺ . 3 文獻標識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 05. 009

Effects of Fully Enclosed Classification Screening on the Characteristics of Bamboo Pulp Fibers and Paper Properties

WANG Xu1 LUO Qing1，* HU Jiangtao2 XU Yongjian1 WANG Xinyu1 LIU Yukai1 LIU Yuxing1 （1. College of Bioresources Chemical and Materials Engineering，National Demonstration Center for Experimental Light Chemistry Engineering Education，Shaanxi University of Science amp; Technology，Xi’an，Shaanxi Province，710021； 2. Welbon Schoeller New Materials Co.，Ltd.，Huangshan，Anhui Province，245200） （*E-mail：luoqing@sust. edu. cn）

Abstract： This study focused on unbleached bamboo pulp，using a Bauer Mc Nett fiber classifier to perform fully enclosed classification screening of bamboo pulp to obtain long fibers（R16）and short fibers（P16）. Using PFI refining for beating，the lignin content，fiber quali‐ ty，and pulping characteristics of long and short fibers were analyzed to explore the effects of long and short fibers beating and mixing pro‐ cesses on the properties of bamboo pulp paper. The results showed that the lignin content of P16 was higher than that of R16. During the beating process，the changes of fiber morphology of P16 were primarily characterized by the rupture of primary and secondary walls，whereas R16 was mainly dominated by fuzzing on the surface. The average fiber length of R16 and P16 decreased，while the content of fine fibers， water retention value，and crystallinity all increased. The optimal beating degrees for R16 and P16 were 32 and 36^o SR，respectively. The resulting paper had a bursting index of 5.65kPa?m²/g ，a tensile index of 76.0N?m/g ，and a tearing index of 17.7mN?m²/g ，all of which were better than unclassified bamboo pulp paper.

Key words：unbleached bamboo pulp；classification screening；fiber quality；beating；paper properties

我國是紙張生產和消費大國。據統計，2023年全國紙及紙板生產量為12 965萬 t，消費量為13 165萬 t；2023 年全國紙漿消耗總量為11 899 萬 t，木漿消耗量占紙漿消耗總量的 42% ，其中進口木漿占 23% 、國產木漿僅占 19%^[1] 。我國擁有豐富的竹材資源，約占全球竹資源總量的 33% ，竹林總面積超過750 萬 hm² 。竹材具有適應性強、生長迅速、砍伐期短等優點，纖《中國造紙》2025 年第 44 卷 第 5 期維形態與性能僅次于針葉木，是優良的造紙原料[2-3]。

除此以外，由于竹材具有極強的固碳效果，在我國竹業碳儲量穩步提高的時代背景下，竹產業的經濟效益、生態效益及社會效益日益凸顯[4-6]。因此，合理、高效地利用竹材，將成為有效緩解木漿原料短缺問題的重要途徑之一[7-8]。

竹漿纖維長度介于針葉木漿纖維和闊葉木漿纖維之間，呈細長形態，具有長寬比大、壁腔小、打漿延展性好、力學性能優異和可塑性強的特點，可以代替木材作為優良的造紙原料，滿足制造中高檔紙張的需求[9-11]。雷利榮等[12]研究發現硫酸鹽竹漿纖維長度為2.03mm ，長纖維級分R16占比為 51.6% ，且其纖維長度高達 2.40mm 。朱宗偉等[9]通過纖維篩分儀對漂白硫酸鹽竹漿進行篩分，結果表明，長纖維級分的含量較高，R16 級分纖維的含量為 50.8% ，纖維平均長度約為 2.00mm ，接近漂白針葉木漿纖維（ （2.11mm） ）。不同長度纖維在相同打漿度時，所需打漿轉數不同，纖維長度越大所需打漿轉數越多。在竹漿打漿過程中，短纖維易受到過度損傷，從而影響紙漿性能和紙張強度。因此，根據不同長度纖維的特性分別進行打漿處理，能有效避免短纖維被過度處理，充分發揮長纖維的優勢，進而提高全竹漿紙的性能。

本研究采用本色竹漿為原料，利用鮑爾纖維篩分儀對竹漿進行全封閉分級篩選，避免了纖維流失，實現了纖維全組分利用；通過PFI 磨漿機，對分級后纖維按特性分別進行打漿處理，避免了短纖維過度損傷，并進行混合抄紙，探究了長短纖維打漿及混抄工藝對紙張性能的影響。

1 實 驗

1. 1 實驗原料及儀器

本色硫酸鹽竹漿（打漿度 13°SR ），取自國內某紙廠。

PFI 磨漿機 （DCS-041OPF）、紙頁壓榨器 （2571-1），日本KRK公司；鮑爾纖維篩分儀（BMN5A），德國PTI公司；紙樣抄片器（BBS-3），德國HG公司；纖維質量分析儀 （MorFi Compac），法國 Techpap 公司；X射線衍射儀（XRD，D8 Advance）、傅里葉變換紅外光譜儀 （FT-IR，VECTOR-22），德國Bruker公司；掃描電子顯微鏡（SEM，VEGA3SBH），捷克TESCAN公司；標準漿料疏解器（260），瑞典Lamp;W公司；循環泵（MP-40R），東莞市光泉泵業有限公司；水分快速測定儀（HC103），瑞典梅特勒-托利多公司；超景深顯微鏡（KH8700），日本Hirox公司。

1. 2 實驗方法

1. 2. 1 全封閉分級篩選

將本色竹漿置于標準漿料疏解器中進行疏解，利用鮑爾纖維篩分儀粒徑約 1.00mm （16 目）篩網對疏解后漿料進行分級篩選，篩選漿濃為 0.5% ，篩選用水通過循環泵實現封閉循環。其中，截留在16 目篩網的長纖維組分用R16 表示，通過16 目篩網的短纖維組分用P16表示。

1. 2. 2 打漿

按照 GB/T 29287—2012 《紙漿 實驗室打漿 PFI磨法》對R16 和P16 進行打漿，其中R16 打漿濃度為5% ，P16打漿濃度為 10% 。

1. 2. 3 抄紙

將R16 和P16 按分級比例混合后，用紙樣抄片器進行抄紙，紙張定量為 60g/m² 。

1. 2. 4 物理性能測試

按照 GB/T 12914—2018 《紙和紙板 抗張強度的測定 恒速拉伸法 （ 20mm/min ）》、GB/T 455—2002《紙和紙板撕裂度的測定》和GB/T 454—2020 《紙 耐破度的測定》分別測定紙張的抗張強度、撕裂度和耐破度。

1. 2. 5 保水值測試

按照 GB/T 29286—2012 《紙漿 保水值的測定》測定竹漿的保水值。

1. 2. 6 結晶度測試

將纖維試樣放入XRD 中測試 2θ=5^°～40^° 范圍的衍射圖譜。纖維素結晶度 根據峰強度法計算，見式（1）。

式中， I_am 和 I₀₀₂ 分別代表纖維素晶體結構無定形區和（002）晶面衍射強度。

1. 2. 7 FT-IR 測試

將紙張裁成 2cm×2cm 的正方形紙張，利用FT-IR檢測紙張在 500～4000cm^-1 波數范圍的紅外光譜。

1. 2. 8 SEM測試

將漿料進行冷凍干燥、制樣、真空噴金 30s ，利用SEM對干燥后的纖維進行觀察，加速電壓 3.0kV 。

1. 2. 9 纖維形態測試

取適量分散好的纖維，用赫氏試劑染色制成試片，使用超景深顯微鏡觀察纖維形態并拍照。

2 結果與討論

2. 1 R16和P16的占比及纖維形態分析

竹漿分級篩選后，R16和P16的占比如圖1所示。由圖1可知，R16和P16的占比分別為 41.4% 和 58.6% 。圖2 是竹漿R16 和P16 的纖維形態圖。從圖2（a）可以看出，R16的竹纖維細長，纖維表面光滑，雜細胞含量較少；從圖2（b）可以看出，P16 的纖維長度較短，雜細胞含量較高。由于竹漿中雜細胞主要是石細胞和薄壁細胞，其會對紙漿的物理性能產生不利影響[13]。

圖1 R16和P16的占比

Fig. 1 Proportion of R16 and P16

圖2 竹漿各級分纖維形態圖

Fig. 2 Microscopy images of bamboo pulp fiber at all levels

2. 2 R16和P16的木質素含量分析

木質素具有的三維網狀結構，能夠有效保護細胞壁中的纖維素和半纖維素，使其不易被外界微生物降解，同時增加細胞壁的強度和韌性[14]，且該特性使纖維能夠更好地克服機械壓力，延緩生物降解。竹漿纖維紅外譜圖中吸收峰的峰面積大小是定量分析竹漿纖維中木質素含量的重要指標之一。圖3為R16和P16的FT-IR譜圖。由圖3可知，R16和P16吸收峰峰面積存在一定的不同，反映了木質素含量的差異性。既往研究表明， 1020cm^-1 處的吸收峰是由愈創木基C—H彎曲振動和伯醇C—O伸縮振動引起； 1136cm^-1 處的吸收峰是由紫丁香基C—H 伸縮振動引起； 1187～1215cm^-1 處的吸收峰是紫丁香基芳環C—O 振動和 C=0 伸展振動， 1 317cm^-1 處的吸收峰是紫丁香基苯環振動；2 899cm^-1"處的吸收峰屬于木質素芳香環中甲氧基的—OCH 和木質素側鏈亞甲基的C—H 伸縮振動[15-17]。P16 在 1 020、1 136、1 187～1 215、1 317 和 2899cm^-1"處的吸收峰峰面積大于R16，即峰強度較大，表明P16的木質素含量高于R16。

圖 3 R16和 P16的 FT-IR 譜圖

Fig. 3 FT-IR spectra of R16 and P16

2. 3 打漿度對R16和P16纖維形貌的影響

圖4 是不同打漿度R16 纖維的SEM 圖。從圖4（a）可以看出，未打漿的R16 的纖維表面褶皺現象明顯。由圖4（b）～圖4（e）可知，隨著打漿度提高，R16 的纖維表層逐漸被破壞，產生起毛現象。圖5是不同打漿度P16 纖維的SEM 圖。從圖5（a）可以看出，未打漿的P16 纖維表面褶皺現象明顯。由圖5（b）～圖5（d）可知，當打漿度為 28～36^°SR 時，竹漿纖維P16 表層結構最先遭到破壞，纖維表層細胞壁脫落，產生纖維碎片。由圖5（e）可以看出，當打漿度為 40°SR 時，P16 外層細胞壁的破裂較顯著，竹漿纖維表面輕微起毛。這是因為P16 的木質素含量高于R16，木質素三維網狀結構所起的保護作用是P16在打漿過程中表現出細胞壁剝離、表面細纖維化不明顯的主要原因之一，與2.2的實驗結果相符合。

2. 4 打漿度對竹漿纖維基本性能的影響

纖維基本性能與紙張機械強度關系密切，也是判斷紙漿性質的重要參數[18]。表1 為不同類型纖維的平均長度及細小纖維含量。從表1 可以看出，未打漿時，R16 的纖維平均長度為 2.430mm ，大于 P16（ 1.454mm ）；R16 的細小纖維含量為 2.50% ，小于P16 （ 18.6% ）；未分級竹漿纖維平均長度為 1.858mm ，細小纖維含量為 11.9% 。圖6 為打漿度對竹漿纖維平均長度和細小纖維含量的影響。從圖6可以看出，隨著打漿度的提高，R16 和P16 的纖維平均長度逐漸減少，細小纖維含量逐漸增大；當打漿度為 40°SR 時，R16 和 P16 的纖維平均長度分別為 1.979 和 1.211mm ，細小纖維含量分別為 5.5% 和 39.7% 。相比于 R16，P16 的纖維平均長度較低且細小纖維含量較高的原因是P16的木質素含量較高，這使得打漿過程產生的纖維碎片較多。隨著打漿度的提高，未分級和分級竹漿的纖維平均長度逐漸減少，細小纖維含量逐漸增大；當打漿度為 40°SR 時，未分級和分級竹漿的纖維平均長度分別為1.479 和 1.528mm ，細小纖維含量分別為32.3% 和 25.6% 。相較于分級竹漿，未分級竹漿纖維平均長度較低和細小纖維含量較高的原因在于分級處理減弱了短纖維的處理程度，避免了短纖維的過度處理。

Fig. 4 SEM images of R16 with different beating degrees

圖4 不同打漿度R16的SEM圖

圖5 不同打漿度P16的SEM圖

表1 不同類型纖維平均長度及細小纖維含量

Table 1 Average length and fines content of different types of fibers

圖6 打漿度對纖維平均長度和細小纖維含量的影響

2. 5 打漿度對竹漿保水值影響

纖維保水值反映了其潤脹程度，保水值越高，纖維潤脹能力和細纖維化程度越強，有利于紙張性能的提高。圖7 為打漿度對P16 和R16 保水值的影響。從圖7可以看出，隨著打漿度的提高，竹漿纖維的保水值呈現增加趨勢，R16 的保水值從 189% 增加到264% ，P16 的保水值從 292% 增加到 359% 。當打漿度為 時，同一打漿度的R16與P16，P16的保水值始終較大，且R16 與P16 保水值隨打漿度的變化趨勢與纖維平均長度呈負相關關系[19]，與前文細小《中國造紙》2025 年第 44 卷 第 5 期纖維含量變化結果相一致。結合圖4 和圖5 推測，打漿使竹漿纖維產生表面和內部的細纖維化，破壞了分子間氫鍵，產生了更多的游離羥基，增強了纖維與水分子之間的氫鍵作用，使大量水分子保留在纖維之間，進而促使保水值提高[20-23]。

圖7 打漿度對R16與P16保水值的影響

Fig. 7 Effects of beating degrees on water retention value of R16 and P16

2. 6 打漿度對竹漿結晶度的影響

圖8 分別為不同打漿度R16 和P16 的XRD 譜圖。從圖8可以看出，R16和P16均呈現纖維素I型結構的典型XRD 譜圖，表明分級篩選和打漿處理未改變纖維素的晶型結構[24]。

纖維素結晶度升高，表明纖維素分子鏈間距減小，這會引起分子間氫鍵數量增多和纖維間結合強度增加，進而使紙張強度增加。圖9 為不同打漿度R16和P16 的結晶度。未打漿時，R16 和P16 的結晶度為40.6% 和 38.2% 。由圖9 可知，隨著打漿度的增加，R16 和P16 的結晶度增加；同一打漿度下，R16 的結晶度大于P16，與纖維長度呈顯著正相關關系[25]；當打漿度為 時，R16 和 P16 的結晶度分別為52.3% 和 47.9% 。這是因為隨著打漿度的增加，纖維發生吸水潤脹和細纖維化，進而使纖維比表面積增加，產生更多游離羥基，令氫鍵數量增加，纖維晶體通過氫鍵進行了規則的排列，提高了纖維晶格的穩定性，結晶度也得到提高[26-27]；同時，打漿處理使纖維無定形區被破壞，導致無定形區面積減小，結晶區面積相對增加，纖維結晶度提高[28]。

2. 7 打漿度對紙張物理性能的影響

2. 7. 1 撕裂度

影響紙張撕裂指數大小的主要因素是纖維平均長度，其次是纖維間結合力和纖維自身強度等。通常，纖維平均長度越大的紙漿，所抄造紙張的撕裂指數越高。這是因為紙漿纖維長度越大，纖維之間的結合面積增加，結合程度增強，在撕裂所抄造紙張時，纖維主要是由于纖維自身強度而被拉斷[29]。圖10 是打漿度對紙張撕裂指數的影響。如圖10 所示，隨著R16和P16 打漿度的增加，紙張的撕裂指數先增加后減小，當R16 打漿度為 32^°SR ，且 P16 為 32^°SR 時，紙張撕裂指數最高，為 18.8mN?m²/g 。這是因為在打漿初期，纖維初生壁和次生壁外層破裂，產生了大量纖維碎片，促進了纖維吸水潤脹和表面細纖維化，從而提高了纖維保水值和結晶度，增強了纖維間結合力，導致撕裂紙張時克服拉開纖維的摩擦力較大。因此，隨著打漿度的增加，紙張撕裂指數增加；隨著打漿度的進一步提高，纖維平均長度持續減小，纖維表面損傷程度逐漸加重，纖維間結合力不斷增強，纖維間不易發生滑移，撕裂紙張時，撕裂方式以拉斷纖維為主，由于拉斷纖維的力小于拉開纖維間滑移所需的力，撕裂指數下降。

圖8 不同打漿度R16與P16的XRD譜圖

圖9 不同打漿度R16與P16的結晶度

2. 7. 2 抗張性能

紙張的抗張指數主要與纖維平均長度和纖維間結合力有關。圖11（a）是紙張抗張指數與R16 纖維打漿度變化的關系圖。由圖11（a）可知，當P16打漿度不變時，隨著R16打漿度的提高，紙張的抗張指數先上升后下降，當R16 打漿度為 36^°SR ，且 P16 為 時，紙張的抗張指數最高，為 81.0N?m/g 。這是因為在打漿過程中，R16竹漿纖維被切斷而使纖維平均長度減小，但纖維表面細纖維化程度提高，纖維保水值和結晶度提高，纖維間結合力增強，纖維間結合力對紙張抗張指數的影響大于纖維平均長度的影響，此時隨著R16 打漿度的增大，紙張的抗張指數呈增長趨勢；紙張抗張指數達到最大值后，再繼續打漿，纖維間結合力雖然繼續提高，但隨著纖維平均長度的下降，紙張的抗張指數呈下降趨勢，表明纖維平均長度對抗張指數的影響更顯著。

圖10 打漿度對紙張撕裂指數的影響

Fig. 10 Effect of beating degrees on tearing index of paper

圖11 打漿度對紙張抗張指數的影響

圖11（b）是紙張抗張指數與P16打漿度變化的關系圖。由圖11（b）可知，當R16打漿度不變時，隨著P16打漿度提高，紙張的抗張指數呈上升趨勢。這是因為隨著打漿度的增加，P16 中細小纖維含量顯著提高，在打漿過程中，細小纖維更容易吸水潤脹和分絲帚化，產生更多的游離羥基，分子間氫鍵數目增加，從而增加纖維間結合面積，提高纖維保水值和結晶度。

2. 7. 3 耐破度

影響紙張耐破指數的主要因素是纖維間結合力和纖維平均長度，其次是纖維自身強度。圖12（a）是紙張耐破指數與R16 打漿度變化的關系圖。由圖12（a）可知，隨著R16打漿度的提高，紙張的耐破指數先上升后下降，當R16 打漿度為 36^°SR ，且 P16 為 時，紙張的耐破指數最高，為 6.03kPa?m²/g 。這是因為隨著打漿度的增加，纖維細胞壁逐漸破裂，纖維表面分離出微細纖維，纖維間結合力上升，雖然纖維長度由于打漿的切斷作用而略有降低，但纖維間結合力起主導作用，使得紙張的耐破指數提高；由于紙張在破裂時不僅受到拉力作用，同時也受到撕力作用影響，因此，在打漿度較大時，由于較強的打漿作用，纖維表面損傷增加，纖維被嚴重切斷，纖維自身強度降低，使紙張的耐破指數開始下降。

圖12 打漿度對紙張耐破指數的影響

Fig. 12 Effect of beating degrees on bursting index of paper

圖12（b）是紙張耐破指數與P16打漿度變化的關系圖。由圖12（b）可知，當R16打漿度不變時，隨著P16打漿度提高，紙張耐破指數呈上升趨勢。這是因為在打漿過程中，纖維總體切斷程度較小，隨著打漿度的增加，P16 中細小纖維含量顯著提高，細小纖維更容易吸水潤脹和分絲帚化，產生更多的游離羥基，分子間氫鍵數目增加，增加纖維間結合面積，紙張耐破指數呈上升趨勢。

通過綜合對比分析，混抄的R16 和P16 的打漿度分別為32和 36^°SR 時，分級處理所得紙張性能最佳。在此打漿度條件下，紙張的各項物理性能為耐破指數 5.65kPa?m²/g ，抗張指數 76.0N?m/g ，撕裂指數17.7mN?m²/g 。

2. 8 未分級與分級紙張性能對比

圖13 為打漿度對未分級竹漿紙強度性能的影響。由圖13 可知，未分級紙張的耐破指數和撕裂指數均隨著打漿度的升高而上升，抗張指數隨著打漿度的升高先上升再下降。通過綜合對比分析，未分級處理所得紙張最佳性能對應的打漿度為 36^°SR ，紙張耐破指數為 4.97kPa?m²/g ，抗張指數為 70.8N?m/g ，撕裂指數為 13.8mN?m²/g 。

圖14 為分級與未分級竹漿紙的最佳強度性能對比結果。從圖14 可以看出，經過分級處理的紙張，其強度性能整體優于未分級紙張強度性能。這可能是由于分級后纖維在打漿過程中損傷程度較低，避免了短纖維的過度處理。一般來說，隨著漿料中細小纖維含量增加，纖維間結合面積及結合力也會增加，但纖維平均長度會略有降低，對紙張的物理性能均產生不利影響[30-31]，這與上述實驗結果相一致。

3 結 論

以本色竹漿為研究對象，通過鮑爾纖維篩分儀對竹漿進行全封閉分級篩選并測定竹漿各級分的纖維含量，研究不同長度纖維的打漿特性以及不同打漿度混合配抄的紙張性能，并與未分級竹漿紙張性能進行對比。

3. 1 本色竹漿通過全封閉分級篩選得到的R16 和P16 纖維的含量分別為 41.4% 和 58.6% ；纖維平均長度分別為 2.430 和 1.454mm ；細小纖維含量分別為2.5% 和 18.6% 。

3. 2 在紅外譜圖中，P16 的木質素相應峰位強度均高于R16，表明P16 木質素含量高于R16。因此，在PFI 打漿過程中，P16 的纖維形態變化以初生壁和次生壁的破裂為主，產生更多的纖維碎片，而R16以表面起毛為主。

3. 3 隨著打漿度的增加，R16和P16竹漿纖維平均長度逐漸下降，細小纖維含量增加，纖維保水值和結晶度不斷提高。在相同打漿度下，與分級纖維相比，未分級纖維的纖維平均長度較小，細小纖維含量較大。3. 4 R16和P16的最佳混抄打漿度分別為32和 36°SR ，在此條件下抄造紙張的耐破指數為 5.65kPa?m²/g ，抗張指數為 76.0N?m/g ，撕裂指數為 17.7mN?m²/g ，3項物理性能指標均優于未分級竹漿紙張。

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