楸樹枝椏材硫酸鹽法制漿的研究

王軍輝 張紅杰 石淑蘭 胡惠仁 翟文繼 王秋霞

（1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，國家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100091；2.天津科技大學(xué)，天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457；3.河南省南陽市林業(yè)科學(xué)研究所，河南南陽，473015）

楸樹（Catalpa bungei C.A.Mey.）為紫葳科梓樹屬楸樹組，原產(chǎn)我國，適應(yīng)性強(qiáng)、分布范圍廣。東起海濱、西至甘肅、南起云南、北到長城的廣大區(qū)域均有分布，但主要分布于黃河流域和長江流域。栽培歷史悠久，至今已有2600年。楸樹是我國傳統(tǒng)栽培的珍貴優(yōu)質(zhì)用材樹種和著名園林觀賞樹種，素以材質(zhì)優(yōu)良而深受群眾喜愛。楸材作為優(yōu)質(zhì)上等木材可以滿足國內(nèi)對(duì)高級(jí)木材的需要，緩解大量依靠進(jìn)口、上等材供不應(yīng)求的矛盾［1］。目前市場上對(duì)楸樹木材的利用主要側(cè)重主干材部分，枝椏材部分未能得到很好的開發(fā)與利用。本研究的主要目的是探索楸樹枝椏材制漿的可行性，以提高楸樹利用的經(jīng)濟(jì)效益。與木材主干相比，枝椏材具有徑級(jí)小、比表面積大、樹皮含量較高、可利用率較低、樹皮剝除比較困難等特點(diǎn)，因此需要帶皮制漿，而樹皮對(duì)制漿有較大影響［2-6］。本研究以河南南陽的3個(gè)楸樹無性系為原料，并依據(jù)枝椏材試樣直徑大小，將每個(gè)無性系枝椏材原料分為兩種不同徑級(jí)，進(jìn)行了楸樹枝椏材硫酸鹽化學(xué)法制漿性能、漂白性能與紙張物理性能的實(shí)驗(yàn)。研究楸樹不同無性系和不同徑級(jí)枝椏材制漿造紙性能的差異，為楸樹枝椏材制漿造紙的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)和理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

楸樹枝椏材試樣于2007年6月取自河南南陽楸樹無性系示范林，分別為8401、8402和金絲楸。3個(gè)楸樹無性系的生長數(shù)據(jù)見表1。在示范林內(nèi)每個(gè)無性系取樣3個(gè)分生株，每株的枝椏材按直徑大小分為粗、細(xì)兩部分，采用削片機(jī)分別削片。隨后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將每個(gè)無性系3個(gè)分生株粗枝椏材和細(xì)枝椏材木片混合，共制備成6個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品：8401（粗）、8401（細(xì)）；8402（粗）、8402（細(xì)）；金絲楸（粗）、金絲楸（細(xì)），風(fēng)干。

表1 3個(gè)楸樹無性系的生長情況（15年生）

1.2 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.2.1 楸樹枝椏材試樣的皮部比例測定

各取實(shí)驗(yàn)原料100g，每種取3份平行樣，經(jīng)人工剝皮后，分別將皮部和木質(zhì)部試樣置于烘箱中，在105℃下烘干至質(zhì)量恒定，按照國家標(biāo)準(zhǔn)［7］分別測定枝椏材皮部和木質(zhì)部的比例。

1.2.2 硫酸鹽法蒸煮

利用電熱回轉(zhuǎn)式蒸煮鍋（西北輕工業(yè)學(xué)院機(jī)械廠制造，容積15L，內(nèi)裝4個(gè)容積2L的小罐），采用硫酸鹽法（NaOH和Na2S為蒸煮藥液）蒸煮。首先通過改變蒸煮用堿量，分別確定粗枝椏材和細(xì)枝椏材的合適蒸煮用堿量；然后在粗枝椏材和細(xì)枝椏材各自相同的用堿量下，比較3個(gè)楸樹無性系兩類枝椏材制漿造紙性能差異。其他蒸煮條件為：液比1∶4，升溫至110℃進(jìn)行小放汽，然后再升溫至165℃后保溫，保溫時(shí)間為2.5h。蒸煮結(jié)束后，取廢液測定殘堿量和黑液pH值。漿料經(jīng)洗滌后測定粗漿得率，經(jīng)篩漿后（篩板篩縫為0.25mm），測定篩渣率和細(xì)漿卡伯值。

1.2.3 打漿

采用PFI磨（挪威制造）進(jìn)行未漂硫酸鹽漿的打漿實(shí)驗(yàn)。打漿條件：漿量30g（絕干計(jì)），打漿濃度10％，打漿間隙為零，加重砣。依據(jù)打漿轉(zhuǎn)數(shù)控制最終打漿度在45.0°SR左右。

1.2.4 漂白

采用無元素氯D1EpD2漂白程序進(jìn)行硫酸鹽漿的漂白，分別利用白度計(jì)（SE070，L＆W公司生產(chǎn)）和毛細(xì)管黏度計(jì)按照標(biāo)準(zhǔn)方法［7］測定紙漿白度和聚合度。各段漂白條件如表2所示。

表2 楸樹枝椏材未漂硫酸鹽漿的漂白條件

1.2.5 硫酸鹽漿手抄片制備與物理性能測定

將6種實(shí)驗(yàn)樣品采用PFI磨打漿（45.0°SR），然后在實(shí)驗(yàn)室紙頁標(biāo)準(zhǔn)成形器（加拿大制造）上抄造手抄片，定量60g/m2。將手抄片放置于相對(duì)濕度為（50±2）％和溫度為（23±1）℃的恒溫恒濕室中平衡水分后，分別利用抗張強(qiáng)度測定儀（SE062，L＆W公司生產(chǎn)）、撕裂度測定儀（SE009，L＆W公司生產(chǎn)）、耐破度測定儀（SE002，L＆W公司生產(chǎn)）和MIT耐折度儀（美國Tinius Olsen測定儀器公司生產(chǎn)）按國家標(biāo)準(zhǔn)方法［7］進(jìn)行手抄片的抗張強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、耐破強(qiáng)度和耐折度等性能的測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 無性系楸樹枝椏材皮部和木質(zhì)部比例比較

由表3可見，無論是8401、8402還是金絲楸，其粗枝椏材木質(zhì)部的比例均較細(xì)枝椏材大。其中：粗枝椏材的皮部含量僅為8％～10％，木質(zhì)部的比例為90％～92％；與之相比，細(xì)枝椏材的皮部比例達(dá)到15％～16％，木質(zhì)部比例僅為84％～85％。3個(gè)無性系楸樹枝椏材相比較，8401的皮部比例較8402和金絲楸低。

表3 6種楸樹枝椏材原料皮部和木質(zhì)部含量的比較

2.2 用堿量對(duì)楸樹不同徑級(jí)枝椏材硫酸鹽法蒸煮的影響

選用無性系8401粗枝椏材和細(xì)枝椏材，分別進(jìn)行硫酸鹽法蒸煮最佳工藝條件的探索實(shí)驗(yàn)。固定硫化度、液比、蒸煮最高溫度和蒸煮時(shí)間，改變蒸煮用堿量，根據(jù)紙漿得率、篩渣率和紙漿卡伯值的變化規(guī)律，最終確定各自最佳的用堿量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見表4和表5。

2.2.1 楸樹粗枝椏材制漿

表4 用堿量對(duì)8401粗枝椏材硫酸鹽法蒸煮的影響

由表4可見，隨著蒸煮用堿量的增加，粗枝椏材紙漿得率呈下降趨勢，篩渣率也隨之下降。由于蒸煮用堿量的增加，加強(qiáng)了脫木素程度，使紙漿卡伯值降低。同時(shí)，黑液殘堿增加，pH值上升。當(dāng)用堿量為18％時(shí)，篩渣率達(dá)到1％左右，已達(dá)到化學(xué)法制漿的纖維分離點(diǎn)程度，說明木質(zhì)纖維細(xì)胞壁胞間層的木素已經(jīng)基本脫除，纖維細(xì)胞之間結(jié)合已經(jīng)變?nèi)?。但此時(shí)紙漿卡伯值仍較高，說明纖維細(xì)胞次生壁中，仍保留相當(dāng)多的木素，需要繼續(xù)蒸煮脫出。當(dāng)用堿量增加至20％～22％時(shí)，紙漿卡伯值又有明顯降低；但當(dāng)用堿量超過21％以后，卡伯值降低幅度變緩。因此最終選定粗枝椏材硫酸鹽法蒸煮適宜用堿量為21％（以Na2O計(jì)）。

表5 用堿量對(duì)8401細(xì)枝椏材硫酸鹽法蒸煮的影響

2.2.2 楸樹細(xì)枝椏材制漿

由表5可見，在固定硫化度、液比、蒸煮最高溫度和蒸煮時(shí)間的條件下，增加蒸煮用堿量，細(xì)枝椏材的紙漿得率也呈下降趨勢，篩渣率隨之下降，紙漿卡伯值降低，黑液殘堿增加，pH值上升。最終選定用堿量為22％（以Na2O計(jì)）為細(xì)枝椏材硫酸鹽法蒸煮的適宜條件。與粗枝椏材相比，達(dá)到相近的紙漿卡伯值，細(xì)枝椏材的用堿量之所以略高主要是由于細(xì)枝椏材的皮部比率比粗枝椏材高的緣故（見表3）。

表6 楸樹3個(gè)無性系硫酸鹽法制漿性能比較

表7 不同無性系和兩類徑級(jí)枝椏材未漂硫酸鹽漿的物理性能比較

表8 楸樹不同無性系和不同徑級(jí)枝椏材硫酸鹽漿漂白性能比較

2.3 相同用堿量下楸樹不同無性系枝椏材硫酸鹽法

蒸煮性能的比較

在相同蒸煮工藝條件下，楸樹不同無性系枝椏材硫酸鹽法蒸煮實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表6。由表6可以看出，在相同蒸煮條件下，8401、8402和金絲楸3個(gè)無性系粗枝椏材制漿性能差別不明顯。在相同工藝條件下蒸煮，所得紙漿的卡伯值、紙漿得率和篩渣率都比較接近，但8402紙漿的卡伯值較低，制漿性能較好。但楸樹3個(gè)無性系細(xì)枝椏材硫酸鹽法制漿性能沒有表現(xiàn)出明顯的差別。與8401和金絲楸相比，8402細(xì)枝椏材的制漿性能略優(yōu)，紙漿得率略高，紙漿卡伯值略低。

2.4 不同無性系和兩種徑級(jí)楸樹枝椏材未漂硫酸鹽漿的物理性能比較

由表7可見，對(duì)于同一無性系，粗枝椏材硫酸鹽漿手抄片的緊度均略高于細(xì)枝椏材漿，而且，粗枝椏材硫酸鹽漿的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)也明顯高于細(xì)枝椏材硫酸鹽漿。楸樹不同無性系枝椏材漿物理性能也有差異。無性系8401兩類枝椏材漿的各項(xiàng)物理指標(biāo)均較高，8402枝椏材漿次之，而金絲楸枝椏材漿的物理強(qiáng)度相對(duì)較差。

2.5 不同無性系和兩類徑級(jí)楸樹枝椏材硫酸鹽漿漂白性能比較

不論是粗枝椏材還是細(xì)枝椏材，3個(gè)楸樹無性系枝椏材漿中，以8401漿相對(duì)較難漂白。在相同的漂白工藝和漂白條件下，8401漿最終漂白漿的白度較另兩種漿低，白度僅為83％～84％。而8402和金絲楸硫酸鹽漿的可漂性相對(duì)較好，經(jīng)D1EpD2漂白后，均可以達(dá)到85％以上的高白度，能夠用于配抄高級(jí)文化紙。楸樹不同無性系和不同徑級(jí)枝椏材漂白漿的聚合度相差不大，如表8所示。

3 結(jié)論

3.1 通過對(duì)河南南陽3個(gè)楸樹無性系（8401、8402和金絲楸）在不同用堿量下的硫酸鹽法蒸煮實(shí)驗(yàn)研究，確定了楸樹粗、細(xì)枝椏材硫酸鹽法蒸煮的最佳用堿量分別為21％和22％（以Na2O計(jì)）。在此條件下蒸煮，可獲得卡伯值為21和紙漿得率分別為41％和34％的未漂硫酸鹽化學(xué)漿。

3.2 在相同的蒸煮工藝條件下，不同徑級(jí)楸樹枝椏材硫酸鹽法制漿性能相比，粗枝椏材紙漿的卡伯值較低；黑液殘堿較高。特別是粗枝椏材的紙漿得率顯著高于細(xì)枝椏材（高5～7個(gè)百分點(diǎn)）。這表明同一楸樹的粗枝椏材的制漿造紙性能要好于細(xì)枝椏材。

3.3 3個(gè)無性系楸樹枝椏材硫酸鹽法蒸煮制漿性能差別不十分明顯，在相同蒸煮條件下所得紙漿的卡伯值、紙漿得率和篩渣率相近。但比較而言，8402紙漿的卡伯值較低，制漿性能較好。楸樹枝椏材硫酸鹽漿在相同打漿度（45°SR）下的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)相比較，8401粗枝椏材略好，8402次之，金絲楸相對(duì)較差。8401楸樹枝椏材硫酸鹽漿相對(duì)較難漂白，8402和金絲楸硫酸鹽漿的可漂性相對(duì)較好。經(jīng)D1EpD2無元素氯漂白后，8402和金絲楸最終漂白漿均可達(dá)到85％以上的白度；而8401漿白度可達(dá)到83％。

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