竹子纖維原料的蒸煮特性分析及其改進(jìn)

劉一山

（四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輕工工程實(shí)驗(yàn)室，四川 都江堰 611837）

我國是世界上竹子資源最豐富的國家，竹子的品種有500多種，栽培面積、蓄積及年產(chǎn)量居世界之冠。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國竹林面積達(dá)420萬hm2，占世界四分之一，竹材年砍伐量約900萬t[1]。隨著人們對(duì)竹子制漿造紙性能的深入認(rèn)識(shí)和大量的生產(chǎn)實(shí)踐，竹子已經(jīng)成為我國制漿造紙的一種重要纖維原料，竹漿的產(chǎn)量越來越大[2-3]。目前，竹子主要用于生產(chǎn)化學(xué)漿，通常采用硫酸鹽法進(jìn)行蒸煮。隨著竹漿企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，新型、高產(chǎn)能的竹漿蒸煮設(shè)備不斷投入生產(chǎn)，如大型立式蒸鍋、塔式連續(xù)蒸煮系統(tǒng)等，但在生產(chǎn)上卻出現(xiàn)了一些問題，如漿料很難一次噴放干凈、卡伯值波動(dòng)性大、漿渣率高等[4-5]。這是因?yàn)檫@些新設(shè)備最初的設(shè)計(jì)更多地參考了木片蒸煮參數(shù)，而竹材的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與木材相比有很大的差異。

本文在對(duì)竹子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，提出“加強(qiáng)竹片滲透、提高蒸煮效果”的設(shè)想，并將一種蒸煮滲透劑在生產(chǎn)上進(jìn)行了中試，希能給竹子的蒸煮生產(chǎn)提供參考。

1 竹子的蒸煮特性

1.1 竹子的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)

在植物分類學(xué)上竹子屬禾本目（Graminales）禾本科（Gramineae ）竹亞科（Bambusoideae）[6]。因而，不同于針葉木和闊葉木的化學(xué)組成，竹子中木素的含量相對(duì)較少[7-8]；另外，竹子木素的結(jié)構(gòu)中含有較多的紫丁香基單元，其中5%～10%的香豆酸和少量阿魏酸以酯的形式與其他木素單元鏈接[9]。這樣結(jié)構(gòu)的木素在化學(xué)蒸煮中容易被降解而溶出，所以，竹子蒸煮時(shí)較針葉木容易成漿。但是，竹子的組織結(jié)構(gòu)非常緊密，且表面覆蓋著富含硅和蠟質(zhì)的堅(jiān)硬薄層，纖維細(xì)胞腔內(nèi)有膠狀物質(zhì)的沉積及侵填體的聚積[10]。這樣的結(jié)構(gòu)，使蒸煮液進(jìn)入竹材內(nèi)部的難度加大，滲透困難，延長了滲透時(shí)間。從上面的分析來看，竹子的蒸煮特性表現(xiàn)出兩面性：一方面木素的脫除容易，另一方面蒸煮液的滲透困難。

1.2 竹子的蒸煮特點(diǎn)

在實(shí)際生產(chǎn)上，竹片蒸煮工藝的特點(diǎn)表現(xiàn)為“長升溫、短保溫”，即竹片蒸煮過程中的升溫緩慢、時(shí)間長，而到達(dá)最高溫度后保溫的時(shí)間較短。這是因?yàn)檎糁笏幰和衿瑑?nèi)部的滲透比較困難，需要較長的時(shí)間才能使藥液充分有效地進(jìn)入竹片內(nèi)部，有些企業(yè)采用二次升溫或低溫（120 ℃）保溫的蒸煮技術(shù)，都是為了促進(jìn)藥液的滲透；而竹材中的木素較少且易降解，一旦藥液充分滲透與木素接觸，就可很快地完成脫木素的反應(yīng)，不需要很長的時(shí)間就可將木素脫除使竹片蒸解成紙漿。

1.3 竹漿蒸煮出現(xiàn)的問題

經(jīng)過調(diào)查，很多竹漿企業(yè)蒸煮上普遍存在著諸如這樣的問題：

（1）噴放困難。保溫結(jié)束后漿料很難一次噴放干凈，需要多次噴放才能將鍋內(nèi)漿料噴放完。這樣會(huì)浪費(fèi)時(shí)間，降低蒸煮設(shè)備的產(chǎn)能，還會(huì)增加蒸汽的消耗。

（2）漿渣率高。蒸煮后的粗漿料經(jīng)過篩選，篩出較多的漿渣、細(xì)漿的收獲率低，還會(huì)堵塞篩漿機(jī)、甚至損壞篩鼓，使紙漿的生產(chǎn)成本增加，還會(huì)影響生產(chǎn)正常進(jìn)行。

（3）硬度波動(dòng)大。主要出現(xiàn)在連續(xù)蒸煮系統(tǒng)漿料的卡伯值常常波動(dòng)，嚴(yán)重的時(shí)候相差甚至超過10個(gè)單位。紙漿硬度的波動(dòng)給漂白工段產(chǎn)生很大的影響，并降低了產(chǎn)品質(zhì)量。

（4）結(jié)垢嚴(yán)重。結(jié)垢不僅出現(xiàn)在堿回收系統(tǒng)，在蒸煮器的藥液加熱循環(huán)系統(tǒng)、洗選漂設(shè)備和漿料管道等處也產(chǎn)生垢層，對(duì)生產(chǎn)造成不利影響。

竹漿生產(chǎn)出現(xiàn)這些問題的主要原因是竹片的均勻性差?，F(xiàn)在竹漿廠普遍收購的原料為混合竹片，及由不同竹種、不同竹齡、長短厚度不一的竹片組成。不同竹種和竹齡的竹片，木素的含量、組成都有差異，在蒸煮過程中與蒸煮液反應(yīng)的情況不同，再加上竹片的長度、厚度差異，蒸煮的化學(xué)反應(yīng)不能均勻進(jìn)行，蒸煮效果隨著竹片的變化而變化。易煮的竹片被過煮，使纖維受到嚴(yán)重的損傷；而難煮的竹片未成漿，粗渣量大而細(xì)漿的收獲率低。因而在生產(chǎn)上常常出現(xiàn)噴放困難、漿渣率高及硬度波動(dòng)大的問題。

2 改進(jìn)竹漿蒸煮的措施

資料介紹[11]，滲透劑能夠提高蒸煮的均勻性，增加紙漿得率、白度和成紙強(qiáng)度，降低紙漿硬度、用堿量和粗渣率，縮短蒸煮時(shí)間、提高設(shè)備產(chǎn)量，并使制漿系統(tǒng)的結(jié)垢大大減弱。為此，進(jìn)行了添加滲透劑的蒸煮試驗(yàn)。

PPT 401滲透劑的性質(zhì)如表1所示。

表1 PPT401蒸煮滲透劑的性質(zhì)

PPT 401滲透劑是一種表面活性劑，具有增強(qiáng)物質(zhì)傳遞動(dòng)力學(xué)的能力。在蒸煮初期，能夠提高纖維原料的滲透性、加快蒸煮液滲透；在蒸煮中期，可防止降解木素的縮合和沉積；在蒸煮的后期，能夠減少纖維細(xì)胞壁有機(jī)物沉積淤塞通道，改善溶解木素從纖維內(nèi)部傳遞出來的條件，有利于木素的脫除。PPT 401是一種新型的蒸煮助劑，可以增加蒸煮液滲透效率和防止過蒸煮以提高產(chǎn)品得率和均勻性。在蒸煮最初的15 min內(nèi)，PPT 401滲透劑能夠使料片吸收蒸煮液的量增加30%，并可很快地使蒸煮液與料片內(nèi)部的木素接觸進(jìn)而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。從PPT 401滲透劑的性質(zhì)介紹及應(yīng)用的效果，并結(jié)合竹漿蒸煮的特性，這種蒸煮助劑也能夠提高竹片的蒸煮效果，解決竹漿生產(chǎn)出現(xiàn)的問題。出于這樣的目的，在鍋內(nèi)某造紙企業(yè)的蒸煮車間進(jìn)行了應(yīng)用PPT 401滲透劑試驗(yàn)。

某廠以收購的混合竹片為原料，以110 m3立式蒸煮鍋為設(shè)備，采用硫酸鹽法進(jìn)行蒸煮，蒸煮的主要工藝條件如表2所示。為了不影響企業(yè)的正常生產(chǎn)，在蒸煮條件保持不變的情況下，將滲透劑添加到蒸煮液中送入鍋內(nèi)，進(jìn)行了添加滲透劑的蒸煮試驗(yàn)，蒸煮結(jié)果如表3所示。

表2 蒸煮的工藝條件

從表2的蒸煮結(jié)果可以看出PPT 401滲透劑能夠明顯地改善竹片的蒸煮。在其他蒸煮條件不變的情況下添加滲透劑，能夠提高紙漿得率和白度、降低紙漿硬度，并提高了殘堿含量。另外，在紙漿的洗滌、篩選、漂白系統(tǒng)中，泡沫減少、濾水加快，漂白漿的白度也有明顯提高；在抄紙車間，從試驗(yàn)班次所制紙漿的成紙性能來看，產(chǎn)品的挺度、抗張強(qiáng)度等指標(biāo)也有一定的增加。

表3 蒸煮滲透劑的性質(zhì)

3 結(jié)束語

竹子是一種非木材纖維原料，木素含量相對(duì)較低、易脫出；但是，竹子結(jié)構(gòu)致密、表面覆蓋著富含硅和蠟質(zhì)的堅(jiān)硬薄層，蒸煮液的滲透困難，從而給生產(chǎn)帶來較多的問題。生產(chǎn)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蒸煮滲透劑的使用，可加快蒸煮液進(jìn)入竹片內(nèi)部的速度，提高蒸 煮的均勻性，改善蒸煮效果，提高紙漿得率和質(zhì)量。

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