桉樹木材性質(zhì)對其硫酸鹽法制漿性能的影響

鄺仕均

(中國制漿造紙研究院，北京，100061)

桉樹木材性質(zhì)對其硫酸鹽法制漿性能的影響

鄺仕均

(中國制漿造紙研究院，北京，100061)

討論了桉木的木材密度、木素含量、木素的紫丁香基和愈創(chuàng)木基比值 (S/G)、抽提物含量、聚木糖和糖醛酸含量等重要木材性質(zhì)對其硫酸鹽法制漿行為的影響。

桉木;硫酸鹽法制漿

當(dāng)今桉木漿已成為世界范圍十分重要的造紙纖維原料。據(jù)估計，到2015年全球商品漿產(chǎn)量將達(dá)到7500萬t，其中3500萬t是闊葉木漿，而桉木漿占闊葉木漿的一半，桉木漿是產(chǎn)量最大的單一原料商品漿。人們之所以青睞于桉木漿，一是由于在某些地區(qū)桉木木材生產(chǎn)率高，紙漿得率高而生產(chǎn)出的桉木漿成本低;二是經(jīng)過多年的應(yīng)用，人們已能充分掌握桉木纖維的優(yōu)良品質(zhì)，生產(chǎn)出成本、質(zhì)量俱佳的產(chǎn)品。即使是傳統(tǒng)應(yīng)用漂白針葉木漿生產(chǎn)的紙漿品種，也越來越多地以部分甚至全部桉木漿為原料。桉木漿用在生活用紙、印刷書寫紙等紙張品種的生產(chǎn)已十分普遍。

桉木漿的質(zhì)量和桉木木材質(zhì)量有密切關(guān)系。桉木纖維因樹種、樹齡的不同而會有很大差異，通過選擇不同樹種、樹齡的原料，結(jié)合不同的制漿工藝可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的適用于大多數(shù)紙張產(chǎn)品的桉木漿。桉木木材的性質(zhì)，包括木材密度、纖維形態(tài) (粗度、纖維長度分布等)、木素含量、抽出物和聚木糖含量、糖醛酸含量、木素的紫丁香基和愈創(chuàng)木基比值 (S/G)等，對桉木硫酸鹽法制漿性能有很重要的影響。當(dāng)然，諸如微纖維角度、纖維素結(jié)晶度、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、纖維素和聚木糖分子質(zhì)量分布、非過程元素等對紙漿生產(chǎn)也很重要，但作為生產(chǎn)廠，這些因素一般都不作為日常生產(chǎn)的控制參數(shù)。本文簡要討論影響桉木硫酸鹽法制漿性能的一些重要木材性質(zhì)。

1 桉木木材性質(zhì)對硫酸鹽法制漿性能的影響

1.1 木材密度

漂白硫酸鹽漿生產(chǎn)的工藝已很成熟，工廠重點關(guān)注的是提高生產(chǎn)效率和降低成本。當(dāng)考慮生產(chǎn)低成本商品漿時，往往用制漿得率來評價木材原料的優(yōu)劣。但是制漿得率不只與木材性質(zhì)有關(guān)，同時還受所采用的制漿工藝、所要求的卡伯值等因素的影響。

木材密度是硫酸鹽法制漿最重要的木材性質(zhì)，影響紙漿纖維粗度及其分布，從而影響紙漿的用途。木材密度直接決定生產(chǎn)噸漿所需的木材體積，也就是常說的單位木材體積消耗 (SWC)。木材成本是紙漿生產(chǎn)成本的重要組成部分，即使是成本較低的木漿生產(chǎn)廠，其木材費(fèi)用也至少占生產(chǎn)成本的40%。因此，SWC對于生產(chǎn)成本是十分重要的。

不同桉樹樹種的木材密度對SWC有明顯的影響。根據(jù)木材密度和制漿得率可以計算出SWC，高密度的木材和高制漿得率時SWC最少。木材的密度和制漿得率并無明顯的關(guān)系，因為制漿得率除受木材密度的影響外，還受制于木材諸多其他性質(zhì)。

一般來說，桉木木材密度350～650 kg/m3，制漿得率48%～56%。因此通過控制木材密度比控制制漿得率更易于降低 SWC。例如，巨桉木材密度為389 kg/m3，制漿得率為55.9%，其SWC為4.62 m3/t絕干漿。而尾葉桉木材密度為544 kg/m3，制漿得率雖然相對比較低，為51.7%，但是SWC卻比巨桉要低得多，僅為3.56 m3/t絕干漿。由此可見，高密度木材因為生產(chǎn)每噸漿所用木材體積較小，制漿生產(chǎn)成本較低。使用像尾葉桉這類密度較高的木材還可以增加產(chǎn)量，因為蒸煮鍋木材裝鍋量可以明顯增加。

上述的例子是密度低的木材制漿得率高，而密度高的木材制漿得率低，但情況并非總是如此。有人對10種熱帶地區(qū)生長的桉木進(jìn)行制漿實驗，并未發(fā)現(xiàn)木材密度和制漿得率有相關(guān)關(guān)系。但有人發(fā)現(xiàn)，南部智利的藍(lán)桉的制漿得率和木材密度正相關(guān)，還發(fā)現(xiàn)，木材密度和樹齡成線性正相關(guān)。巴西林業(yè)部門正進(jìn)行培育既有高木材密度同時也有高制漿得率的樹種。

對于生長在巴西的桉木，木材密度和制漿得率之所以缺乏正相關(guān)，原因之一可能是這些木材過早形成的心材，心材因為含有大量的多酚類抽出物而不利于制漿得率提高。隨著樹齡增長，其木材密度增大，有利于制漿得率提高;但同時它的抽出物含量也增加，蒸煮到一定卡伯值時活性堿用量增加，從而使得率下降。表1是烏拉圭北部3種桉木樹齡對木材密度、抽出物含量和制漿得率的影響。

表1 桉木樹齡對木材密度、抽出物含量和制漿得率(卡伯值在17.0～21.5)的影響

有些研究人員研究了藍(lán)桉木材密度對其制漿性能的影響，表2是蒸煮條件和所得結(jié)果。

從表2可見，具有最高木材密度的樣品要求比較緩和的蒸煮條件，其制漿得率比木材密度最低的樣品高出近10個百分點。高木材密度樣品的高制漿得率主要歸因于木素含量低 (見表3)和多糖組分中纖維素相對含量較高。

表2 不同木材密度的藍(lán)桉硫酸鹽法制漿實驗結(jié)果

表3 不同木材密度藍(lán)桉木素含量%

上述3種漿漂白性能沒有區(qū)別，3種漿漂白損失均在3%左右;低密度木材制漿漂前和漂后黏度都最低。

表4是幾種桉木所生產(chǎn)紙漿的纖維形態(tài)。同為藍(lán)桉，由表4可見，木材密度最高的樣品所生產(chǎn)的漿纖維平均長度為0.85 mm，比中等密度和低密度的樣品(分別為 0.81和 0.71 mm)都要長，纖維寬度(19.3 μm)和粗度 (0.072 mg/m)都最高，但每克漿的纖維根數(shù)最少。這里，纖維長度和粗度與木材密度成線性關(guān)系。

表4 不同木材密度藍(lán)桉未漂硫酸鹽漿纖維形態(tài)

低木材密度桉木漿纖維不打漿也很柔軟，高木材密度桉木漿纖維即使使用PFI磨打漿4500轉(zhuǎn)仍然很僵硬。低木材密度藍(lán)桉漿由于纖維細(xì)胞壁很薄，纖維具有較高的比表面積，因而有較高的濾水阻力。

在相同PFI磨打漿轉(zhuǎn)數(shù)下，低木材密度桉木漿成紙有較高緊度，也有較高的抗張強(qiáng)度和耐破度。但是經(jīng)過適當(dāng)打漿的高木材密度桉木漿可以生產(chǎn)強(qiáng)度高的紙張，這是因為在相同的紙張緊度下，高木材密度和中等木材密度桉木漿纖維所產(chǎn)生的纖維之間的結(jié)合力更高。

雖然木材密度高的桉木有利于制漿，但這些紙漿的缺點是纖維光散射能力差，打漿能耗高。

1.2 抽出物含量

速生桉樹由于砍伐樹齡短，抽出物含量低，對制漿得率的負(fù)面影響不明顯，木材總抽出物含量和制漿得率之間存在一定的相關(guān)性。最明顯的是乙醇-甲苯抽出物組分;二氯甲烷 (DCM)抽出物因含有少量親油性組分就不那么顯著，但這些組分會生成引起麻煩的樹脂。親油性抽出物主要含有飽和與未飽和脂肪酸和甾醇酯類物質(zhì)，它們會引起桉木硫酸鹽漿廠的樹脂障礙，大多數(shù)漿廠用滑石粉和其他樹脂控制方法來應(yīng)對樹脂障礙所引起的麻煩。

1.3 木素含量及木素結(jié)構(gòu)

從物料平衡角度考慮，木素含量和硫酸鹽法制漿得率應(yīng)該是負(fù)相關(guān)的，但實際情況并非總是如此。研究人員對25個三年生的桉木樣品進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)只有一個樣品在卡伯值17～18時存在負(fù)相關(guān)。對這些出乎意料的結(jié)果的解釋是，幼齡材主要是低密度木材，低木材密度同樣會影響制漿得率。另一個研究報告采用10種不同桉木樹種，在它們的砍伐樹齡也發(fā)現(xiàn)類似的不良相關(guān)性。很明顯，制漿得率除和木素含量有關(guān)外，還受很多因素影響。

此外，木素結(jié)構(gòu)對脫木素速率和制漿得率也起著重要作用。木素結(jié)構(gòu)如S/G，C-4縮合結(jié)構(gòu)的含量等都直接影響木素在制漿過程的行為。因此，僅木素含量并不足以決定制漿得率的高低，制漿得率必須從木素含量、S/G、抽出物含量和木材密度來考慮。

一般來說，木素S/G越高的木材越易制漿，因為紫丁香基木素在硫酸鹽法制漿中更容易發(fā)生反應(yīng)。大量研究表明，S/G和蒸煮有效堿用量成負(fù)相關(guān)，而和制漿得率成正相關(guān)。由于生長在巴西的桉樹無性系木素的S/G變化范圍很小 (2～3)，因此很難發(fā)現(xiàn)它們的S/G和制漿得率有很好的相關(guān)性。但是Minas Gerais等人從巴西4個不同地區(qū)種植的6種尾巨桉無性系所采集的24個三年生木材樣品的實驗結(jié)果表明，它們的S/G和制漿得率之間有很好的正相關(guān)。根據(jù)這些研究結(jié)果，人們正在致力通過樹木改良計劃和基因工程來提高桉木木素的S/G。

對100株三年生尾巨桉研究表明，木素含量和木素S/G成負(fù)相關(guān)，同時發(fā)現(xiàn)高S/G的木素含有更多的β-O-4醚鍵，因此含有高S/G木素的木材容易蒸煮和有較高制漿得率的原因是它們有較多的醚鍵，較少的縮合木素。高S/G木素可能的負(fù)面影響是會使黑液熱值降低，紫丁香基木素比愈創(chuàng)木基木素含氧量更多，會引起黑液熱值下降;但是通過制漿過程加速脫木素，高S/G木素能減少多糖損失，從而彌補(bǔ)紫丁香基木素高含氧量所引起的可能損失。此外，還已證明，高S/G木素桉木的硫酸鹽漿在一定卡伯值下易于漂白，這主要由于這些硫酸鹽漿具有較多的β-O-4鍵，較少的C-4縮合鍵。

1.4 半纖維素和糖醛酸含量

眾多研究已經(jīng)證明，在桉木硫酸鹽法制漿過程中，木材大部分糖醛酸都被轉(zhuǎn)變成己烯糖醛酸，這種轉(zhuǎn)變使得木材的聚木糖不再進(jìn)行降解反應(yīng)，從而提高紙漿得率。事實上，在硫酸鹽法制漿過程中，桉木聚木糖的分子質(zhì)量只降低約一半。表5列出不同桉木木材及其硫酸鹽漿中聚木糖的相對分子質(zhì)量。

表5 幾種桉木及相應(yīng)硫酸鹽漿聚木糖分子相對分子質(zhì)量 ×103

桉木聚木糖在硫酸鹽蒸煮中不易降解，大多數(shù)桉木硫酸鹽漿的聚木糖含量通常都很高。木材的聚木糖保留達(dá)50% ～59%(見表6)。

桉木聚木糖含有大量的4-O-甲基葡萄糖醛酸，用H NMR技術(shù)測出每10個木糖單元就有1.9～2.8個4-O-甲基葡萄糖醛酸，這會起到保護(hù)作用，不發(fā)生剝皮反應(yīng)和β(1-4)葡萄糖醛酸鍵不發(fā)生水解。對6種七年生桉木研究表明，桉木在硫酸鹽法制漿過程中，4-O-甲基葡萄糖醛酸含量和聚木糖的脫除成負(fù)相關(guān)，因此可以預(yù)測，糖醛酸含量高的木材會有較高的制漿得率，因為紙漿中保留有較多的聚木糖。另外有研究表明，含有大量己烯糖醛酸的硫酸鹽法紙漿得率較高。還值得指出的是，桉木硫酸鹽蒸煮黑液中只含有少量的聚木糖，看來沒有必要去開發(fā)從黑液提取聚木糖的方法。

表6 桉木硫酸鹽蒸煮后聚木糖的分布

南非的桉樹雜交樹種的硫酸鹽漿含有大量的己烯糖醛酸。已發(fā)現(xiàn)，不同種植環(huán)境的不同樹種己烯糖醛酸的含量不同。立地條件差的樹木的己烯糖醛酸含量較高。己烯糖醛酸的存在會使紙漿的卡伯值升高，從而使得對紙漿殘余木素的估值偏高。有人發(fā)現(xiàn)，9.4～11.6 μmol己烯糖醛酸在卡伯值測定時會增加1個卡伯值單位。

桉木硫酸鹽漿保留大量的聚木糖，這有利于改善桉木漿的打漿性能，可以明顯降低打漿能耗。為了使抗張強(qiáng)度達(dá)到60 N·m/g，紙漿聚木糖含量從13%增加至17%，可以減少能耗40%，也就是聚木糖含量每增加1%，節(jié)能約達(dá)10%。

2 結(jié)語

用于硫酸鹽法制漿的高質(zhì)量桉木應(yīng)具有合理高的密度，較少的抽出物和木素含量，木素有較高紫丁香基木素和愈創(chuàng)木基木素的比值 (S/G)，較高的聚木糖和糖醛酸含量。木材密度比制漿得率對制漿單位木材體積消耗的影響更大，木素含量高的木材一般來說具有較低的S/G，比較難進(jìn)行硫酸鹽法蒸煮;桉樹樹齡明顯影響木材化學(xué)成分和纖維形態(tài)，從而影響硫酸鹽法制漿行為和紙張用途。桉木半纖維素主要由聚木糖組成，后者富含糖醛酸，在硫酸鹽法制漿中比較穩(wěn)定。在硫酸鹽法制漿過程聚木糖的分子質(zhì)量可以保留一半以上，降解較少。保留在硫酸鹽漿中的較多量的聚木糖大大改善打漿性能。木材樹齡和密度增加會增加纖維粗度，這對漿料打漿性能有不利影響，但有利于紙漿的濾水性能。

漂白桉木硫酸鹽漿主要用于生活用紙和印刷書寫紙的生產(chǎn)。生活用紙要求紙漿有高松厚性和良好吸收性;而印刷書寫紙要求紙漿有良好的打漿性能，使紙張有很好的撕裂度、抗張指數(shù)，良好的勻度和印刷適性。生活用紙要求纖維具有高粗度，且以短纖維為主，聚木糖含量低;而印刷書寫紙對纖維特性的要求還不是那么清楚。但是這兩種用途的漿同樣都要求有良好的濾水性能。遺憾的是，因為桉木漿本身纖維較短，濾水性能都較差。

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Effect of Eucalyptus Wood Properties on Its Kraft Pulping Performance

KUANG Shi-jun
(China National Pulp and Paper Research Institute，Beijing，100061)
(E-mail:ksj@cnppri．com．cn)

Effect of some important properties of eucalyptus wood such as wood density，lignin content，S/G ratio in lignin，extractives content，contents of xylose and uronic acids on its kraft pulping performance is discussed in this paper．

eucalyptus wood;kraft pulping

TS721+.1;TS743+.11

A

0254-508X(2011)12-0051-04

2010-09-06

(責(zé)任編輯:郭彩云)