響應(yīng)面分析法優(yōu)化桑枝SCMP制漿工藝

趙桂玲 文 鳳 趙 晨 李 寧 柳俊萬 許傳林 駱蓮新

(廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西南寧，530004)

廣西每年生產(chǎn)300多萬t桑枝，但只有一部分桑枝用作燃料和栽培食用菌，大部分桑枝作為農(nóng)業(yè)廢棄物，經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值低，對(duì)環(huán)境也造成污染，因此，桑枝利用率不高［1-2］。桑枝具有優(yōu)良的纖維，且綜纖維含量較高［3］。國內(nèi)對(duì)桑枝采用化學(xué)法制漿的研究比較多，桑枝化學(xué)法制漿有硫酸鹽法、AP-AQ法和燒堿蒽醌法等［4-6］，但高得率制漿的研究比較少。響應(yīng)面分析法 (response surface methodology，簡稱RSM)可以研究多個(gè)變量與一個(gè)或大于一個(gè)因變量之間的回歸關(guān)系，通過回歸方法分析獲得自變量與因變量之間的回歸關(guān)系，從而獲得最佳的工藝條件［7］。

本課題研究桑枝磺化化機(jī)漿 (SCMP漿)制漿造紙工藝，采用單因素實(shí)驗(yàn)，測(cè)定桑枝SCMP漿的紙張性能，并采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，獲得制備桑枝SCMP漿的最佳工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

桑枝來源于廣西南寧蠶?；兀Ｖη谐砷L度為20～30 mm，自然風(fēng)干備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

ZQSI-15電熱蒸煮鍋，咸陽通達(dá)輕工設(shè)備有限公司;ZSP300高濃磨漿機(jī)，吉林造紙有限公司造紙機(jī)械廠;YQ-Z-48A白度儀，杭州輕通儀器開發(fā)公司;DC-NPY5600耐破度測(cè)定儀，四川長江造紙儀器有限責(zé)任公司;L＆W抗張強(qiáng)度及斷裂韌性測(cè)定儀，Lorentzen＆Wettre公司;83-20-00撕裂度儀，荷蘭Buchel公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 磺化條件

用清水浸泡桑枝，濾掉清水后放置電熱蒸煮鍋內(nèi)，加入NaOH溶液和Na2SO3溶液，液比為1∶5，升溫到130℃后保溫120 min，取出桑枝，濾掉廢液后放進(jìn)清水中浸泡，采用高濃磨漿機(jī)磨漿。磨漿工藝為三段磨漿，磨漿濃度15%，磨盤間距分別為0.3 mm、0.15 mm、0.15 mm。

1.3.2 打漿

采用PFI磨打漿，肖伯氏打漿度儀測(cè)定漿料打漿度。

1.3.3 抄造手抄片

采用Tappi抄片器抄造定量為70 g/m2的手抄片。

1.3.4 性能測(cè)定

在457 nm波長的藍(lán)光下測(cè)定紙漿的白度［8］;耐破指數(shù)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 454—1989計(jì)算;撕裂指數(shù)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 455.1—1989計(jì)算;抗張指數(shù)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 453—1989計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)研究

2.1.1 Na2SO3用量對(duì)SCMP漿性能的影響

表1為桑枝SCMP制漿時(shí)Na2SO3用量對(duì)紙漿性能的影響。

表1 Na2SO3用量對(duì)SCMP漿性能的影響

從表1可知，隨Na2SO3用量的增加，紙漿白度增加，當(dāng) Na2SO3用量為21%時(shí)，紙漿白度達(dá)到50.2%;而紙漿的耐破指數(shù)和撕裂指數(shù)則出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。Na2SO3用量增加使木素引入更多磺酸基，當(dāng)其用量增加到一定量后，有部分木素磺酸鹽溶出，因此紙漿白度不斷增加。同時(shí)，紙漿中總酸基含量增加，紙漿中纖維間結(jié)合力也增大，從而提高紙漿的耐破指數(shù)。當(dāng)Na2SO3用量增加到15%時(shí)，紙漿的耐破指數(shù)最大，繼續(xù)增加用量，紙漿中羧酸基含量下降引起纖維間結(jié)合力減小，耐破指數(shù)也下降。Na2SO3用量從9%增加到15%時(shí)，桑枝磺化度增加，有利于磨漿時(shí)纖維分離，長纖維含量增加，從而提高紙漿的撕裂指數(shù)，紙漿的撕裂指數(shù)從3.88 mN·m2/g增加到5.27 mN·m2/g，Na2SO3用量超過15%時(shí)，紙漿的撕裂指數(shù)開始下降。隨Na2SO3用量的增加，紙漿的抗張指數(shù)不斷增加。

2.1.2 NaOH用量對(duì)SCMP漿性能的影響

表2為桑枝SCMP制漿時(shí)NaOH用量對(duì)紙漿性能的影響。

表2 NaOH用量對(duì)SCMP漿性能的影響

NaOH會(huì)使纖維變黃，NaOH用量增加會(huì)加劇纖維變黃程度。如表2所示，紙漿白度隨NaOH用量的增加不斷下降。NaOH具有潤脹纖維的作用，有利于磨漿時(shí)纖維細(xì)纖維化，增強(qiáng)纖維間結(jié)合力，使得紙漿的耐破指數(shù)增加。NaOH用量增加到4%時(shí)，紙漿的耐破指數(shù)出現(xiàn)了峰值，為4.99 kPa·m2/g。NaOH用量高于4%時(shí)，紙漿的耐破指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。由于NaOH用量過高時(shí)漿料中總酸基含量 (磺酸基和羧酸基)減少，纖維間結(jié)合力也減弱，紙漿的抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)隨NaOH用量增加出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。在NaOH用量較低時(shí)，NaOH使纖維潤脹，磨漿時(shí)使纖維完整分離，并使纖維細(xì)纖維化，增強(qiáng)了纖維自身強(qiáng)度，因此，紙漿的抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)出現(xiàn)增大現(xiàn)象。NaOH用量大于6%時(shí)，紙漿的抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)出現(xiàn)下降，NaOH用量較高，溶液中鈉離子增加，會(huì)減小離子密度太大所形成的水合離子的半徑，引起纖維潤脹程度的下降［9］。

2.1.3 最高溫度對(duì)SCMP漿性能的影響

表3為桑枝SCMP制漿時(shí)最高溫度對(duì)紙漿性能的影響。

表3 最高溫度對(duì)桑枝SCMP漿性能的影響

由表3可知，最高溫度為115℃時(shí)，紙漿白度達(dá)到最高，為48.2%;繼續(xù)升溫，紙漿白度開始下降。溫度增加有利于化學(xué)藥液與桑枝的反應(yīng)，增加磺化速率，利于桑枝木素引入磺酸基基團(tuán)，降低木素的軟化溫度，增強(qiáng)木素與水的親和力，從而利于纖維分離，增加細(xì)纖維化程度，因此，紙漿的耐破指數(shù)呈增加趨勢(shì)。最高溫度達(dá)130℃時(shí)，紙漿的耐破指數(shù)出現(xiàn)下降趨勢(shì)，盡管提高反應(yīng)溫度可以加快磺化反應(yīng)速率，但對(duì)紙漿的耐破指數(shù)不利。而紙漿的抗張指數(shù)隨最高溫度上升而增加。表3中最高溫度不斷上升，紙漿的撕裂指數(shù)不斷增加，最高溫度上升到145℃時(shí)，紙漿的撕裂指數(shù)達(dá)到最大值為6.72 mN·m2/g;最高溫度超過145℃時(shí)，紙漿的撕裂指數(shù)出現(xiàn)下降趨勢(shì)。最高溫度上升，有利于纖維軟化，提高漿料中長纖維比例，因此紙漿的撕裂指數(shù)增加。

2.1.4 保溫時(shí)間對(duì)SCMP漿性能的影響

表4為桑枝SCMP制漿時(shí)保溫時(shí)間對(duì)紙漿性能的影響。

表4 保溫時(shí)間對(duì)桑枝SCMP漿性能的影響

保溫時(shí)間在60～120 min時(shí)，紙漿的漿白度、耐破指數(shù)和抗張指數(shù)不斷增加，但保溫時(shí)間大于120 min時(shí)，紙漿白度、耐破指數(shù)和抗張指數(shù)下降，見表4。適當(dāng)延長保溫時(shí)間，桑枝中半纖維在堿性條件下會(huì)部分溶出，有利于提高紙漿耐破指數(shù)。延長保溫時(shí)間超過120 min后，桑枝可能軟化過度，可能會(huì)增加表面被木素包覆的纖維比例，引起漿料白度下降，同時(shí)阻礙纖維分離，造成磨漿困難［10］。降低漿料中纖維細(xì)纖維化程度，可引起紙漿耐破指數(shù)下降。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，保溫時(shí)間60 min延長到80 min，紙漿撕裂指數(shù)增加到最大值，最大值為6.30 mN·m2/g，當(dāng)保溫時(shí)間延長大于80 min時(shí)，紙漿撕裂指數(shù)開始下降現(xiàn)象。適當(dāng)延長保溫時(shí)間，提高桑枝磺化度和長纖維含量，增強(qiáng)紙漿撕裂指數(shù)。桑枝中韌皮部長纖維含量比較高，超時(shí)延長保溫時(shí)間，桑枝韌皮部纖維會(huì)部分堿性水解，降低漿料中長纖維比例，從而降低紙漿撕裂指數(shù)。

2.2 采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化桑枝SCMP制漿工藝

2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)軟件Design-Expert 8.0.1中Box-Behnken，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了NaOH用量 (X1)、Na2SO3用量 (X2)和最高溫度 (X3)3因素3水平共17個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行響應(yīng)面分析，其中5個(gè)實(shí)驗(yàn)中心點(diǎn)，研究了不同條件下制漿對(duì)SCMP漿白度的影響。Box-Behnken實(shí)驗(yàn)因素、水平及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5和表6。

表5 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)因素及水平

表6 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.2.2 響應(yīng)面分析法實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)SAS設(shè)計(jì)軟件中Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得到以白度為目標(biāo)的回歸方程:

式中，Y1為白度，X1為 NaOH用量，X2為Na2SO3用量，X3為最高溫度;方程中各項(xiàng)系數(shù)絕對(duì)值大小直接反映各個(gè)因素對(duì)目標(biāo)值的影響程度，系數(shù)的正負(fù)反映了影響的方向。從式 (1)可知，最高溫度線性項(xiàng)對(duì)白度影響比較顯著。

2.2.3 回歸方程方法分析

表7為白度回歸方程方法分析表。表7中 F值為423.60，表示這個(gè)模型是顯著的，發(fā)生數(shù)據(jù)偏差或丟失的可能性只有0.01%，方程可靠性高。同時(shí)大于F值的幾率小于0.05，所以模型的顯著性明顯。相關(guān)系數(shù)R2=0.9982，說明其擬合程度高;R2Adj－R2Pred= 0.9958 －0.9707=0.0251＜0.2，表明模型可信度高。精密度表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性，一般要求大于4。表7中精密度為71.513，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4，表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果重現(xiàn)性好。從表7中差異顯著 (P值)可以看出NaOH用量、Na2SO3用量和最高溫度對(duì)白度的影響都是極其顯著的，NaOH用量與Na2SO3用量間交互作用和NaOH用量與最高溫度間交互作用都是相對(duì)顯著的。

2.2.4 各因素相互影響響應(yīng)面分析

采用Design-Expert 8.0.1中Box-Behnken分析得到回歸方程方法分析的等高線圖和三維響應(yīng)曲面圖，如圖1～圖3所示。等高線圖的形狀為橢圓形，表示該兩因素間交互作用顯著;等高線圖的形狀為圓形，則表示該兩因素間交互作用不顯著。三維響應(yīng)曲面圖可以直觀地反應(yīng)因素對(duì)目標(biāo)值的影響。

當(dāng)最高溫度為 130℃時(shí)，NaOH用量與Na2SO3用量交互作用對(duì)SCMP漿白度影響如圖1所示。從圖1可知，Na2SO3用量比NaOH用量對(duì)白度影響效果更加顯著。

表7 白度回歸方程方法分析表

圖1 NaOH用量與Na2SO3用量交互作用對(duì)SCMP漿白度的影響

圖2 NaOH用量與最高溫度交互作用對(duì)SCMP漿白度的影響

當(dāng)Na2SO3用量15%時(shí)，NaOH用量與最高溫度交互作用對(duì)SCMP漿白度影響見圖2。從圖2可知，紙漿白度隨著最高溫度上升而下降，當(dāng)最高溫度為115℃、NaOH用量3%時(shí)，紙漿白度達(dá)到最高值。

當(dāng)NaOH用量4%時(shí)，Na2SO3用量與最高溫度交互作用對(duì)SCMP漿白度影響見圖3。從圖3可知，紙漿白度隨著Na2SO3用量的增加而增加，Na2SO3用量為18%、最高溫度115℃時(shí)，紙漿白度達(dá)到最大值。

圖3 Na2SO3用量與最高溫度交互作用對(duì)SCMP漿白度的影響

2.2.5 響應(yīng)面分析法得到桑枝SCMP制漿最佳工藝

綜上可知，通過響應(yīng)面分析法獲得的制備桑枝SCMP漿的最佳工藝為:NaOH用量3%，Na2SO3用量18%，最高溫度為115℃，根據(jù)式 (1)預(yù)計(jì)此條件下SCMP漿白度為49.4%。為驗(yàn)證該方法可靠性，在此條件下制備SCMP漿，實(shí)驗(yàn)測(cè)得SCMP漿白度為49.4%，耐破指數(shù)為4.51 kPa·m2/g，抗張指數(shù)為31.8 N·m/g，撕裂指數(shù)為5.35 mN·m2/g。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與期望值相等，表明該法可靠。

3 結(jié)論

采用桑枝為原料制備磺化化機(jī)漿 (SCMP漿)，考察磺化條件對(duì)SCMP漿性能的影響，并通過響應(yīng)面分析法獲得制備桑枝SCMP漿的最佳工藝為:NaOH用量3%，Na2SO3用量為18%，最高溫度115℃。在此條件下獲得的SCMP漿白度為49.4%，耐破指數(shù)為5.35 mN·m2/g，抗張指數(shù)為31.8 N·m/g，撕裂指數(shù)為 5.35 mN·m2/g。

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