山黃麻作為造紙原料的基礎(chǔ)評價

韓紹中 陳克利 尹玉冬 吳祖東 連華陽

摘要： 本研究對產(chǎn)自云南省西雙版納1.5年生的山黃麻（Trema orientalis）進(jìn)行制漿造紙基礎(chǔ)評價。結(jié)果表明，山黃麻的木質(zhì)部纖維平均長度接近1.2 mm，綜纖維素和酸不溶木素的含量分別為78%和21%。采用硫酸鹽法制漿，在最高蒸煮溫度160℃、NaOH用量21%、升溫時間90 min、保溫時間90 min的條件下，細(xì)漿得率為52.7%，再經(jīng)氧脫木素-二氧化氯-過氧化氫加氧氣強(qiáng)化的堿抽提（ODEop）短程漂白后，其紙漿得率99.6%，白度85.0%，漂白漿的抗張指數(shù)為79.0 N·m/g、耐破指數(shù)為5.15 kPa·m2/g、撕裂指數(shù)為5.81 mN·m2/g。

關(guān)鍵詞：山黃麻;硫酸鹽法蒸煮;紙漿;漂白

中圖分類號：TS727.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.11.005

Abstract： For the evaluation of 1.5-year-old trema orientalis from Xishuangbanna， Yunnan Province， the fiber morphology and chemical composition of its xylem were examined， the average fiber length was close to 1.2 mm， total cellulose content was 78%， and the content of Klason lignin was 21%. Sulfate cooking of trema orientalis was conducted under the conditions of NaOH charge 21%， cooking maximum temperature 160℃， cooking time 180 min （including time to maximum temperature 90 min， time at maximum temperature 90 min）， the screened yield was 52.7%. Resultant pulp was then bleached via ODEop bleaching sequence， the yield of bleached pulp was 99.6% and brightness 85.0%.The tensile index，burst index and tear index of bleached pulp was 79.0 N·m/g，5.15 kPa·m2/g and 5.81 mN·m2/g respectirely.

Key words： Trema orientalis; sulfate cooking; pulp; bleaching

山黃麻（Trema orientalis），又名山洛麻、麻桐樹、山角麻，屬榆科山黃麻屬，常綠型喬木，壽命僅15～20年即逐步衰敗，主要分布在中國廣東、廣西等南部省份以及印度、日本、東南亞及澳大利亞等地[1]。山黃麻是典型的速生先鋒樹種，喜光、生長快、適應(yīng)性強(qiáng)，在撂荒地和輪歇休閑地能迅速發(fā)展起來，形成單優(yōu)群落并把荒地覆蓋，或在退耕還林地上首先長成山黃麻次生植被[2]。山黃麻的結(jié)構(gòu)特征和生物量分配特征能促進(jìn)其快速生長[3]。山黃麻林存在數(shù)年后，當(dāng)喜陰、生長慢的樹木逐步在林內(nèi)發(fā)展起來，山黃麻便逐漸死亡，完成其先鋒和促進(jìn)植被演替過渡的作用[2]。山黃麻樹林具有的這種短周期成林特征讓人們長期習(xí)慣于其自然生長和演替，并沒有將其作為經(jīng)濟(jì)樹種大面積推廣種植。作為一種林木資源，山黃麻木材已用于密度板、膠合板等板材方面[4-5]，皮部具有清涼、止痛、收斂止血、散瘀、消腫等功效[6]。我國造紙工業(yè)原料結(jié)構(gòu)調(diào)整以木材纖維和廢紙為轉(zhuǎn)移方向[7]，但是我國木材資源短缺，且隨著近些年紙和紙板生產(chǎn)與消費的增長對木材供應(yīng)帶來更大的壓力，有限的森林資源和日益嚴(yán)苛的生態(tài)保護(hù)要求迫使制漿造紙企業(yè)在有限的林地加大對速生豐產(chǎn)樹種的培育和林基地的建設(shè)，如南方的桉樹、北方的楊樹等，以滿足造紙用木材的需求。1987年出現(xiàn)山黃麻作為造紙原料方面應(yīng)用的報道[8]，隨后Jahan等人[9-10]對山黃麻制漿進(jìn)行研究。在此基礎(chǔ)之上，Jahan等人[11-12]還較系統(tǒng)地揭示了山黃麻木素與纖維素[13]的基本特性，為其后續(xù)的制漿造紙應(yīng)用做了鋪墊。據(jù)報道，2年生山黃麻胸徑與高度分別能達(dá)到21.3 cm和16 m，比速生的馬占相思和桉樹長得還快[13]，因此可以作為造紙原料林建設(shè)重點培育的樹種。根據(jù)研究可知，山黃麻群落生長到第4年達(dá)到生物量的高峰[14]，這表明4年以上樹齡的山黃麻均可進(jìn)入輪伐期，就造紙工業(yè)原料林基地建設(shè)而言，山黃麻生長快、輪伐周期短，是一種具有明顯速生豐產(chǎn)優(yōu)勢的原料。同時，在桉木種植爭議較大的背景下，山黃麻以其較高的制漿得率和良好的紙漿特性，作為新的制漿造紙纖維原料具有廣闊的發(fā)展空間，可以在其適生區(qū)域作為林紙一體化建設(shè)重點規(guī)劃的發(fā)展方向。

本實驗通過對西雙版納自然生長的山黃麻做制漿造紙原料應(yīng)用的基礎(chǔ)評價，旨在為山黃麻樹種作為造紙原料應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實 驗

1.1 原料與試劑

山黃麻（1.5年樹齡、胸徑15.9 cm、高度為6.5 m），取自西雙版納勐?？h，由云南云景林紙股份有限公司提供，按照文獻(xiàn)[15]中方法進(jìn)行處理。

NaOH，質(zhì)量分?jǐn)?shù)96%，廣州光華科技股份有限公司;Na2S，質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%，西隴化工股份有限公司;H2O2，質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，西隴化工股份有限公司;MgSO4，質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司;乙二胺四乙酸（EDTA），質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑科技有限公司。

1.2 實驗設(shè)備

電熱蒸煮鍋，型號ZQS1-15，陜西科技大學(xué)機(jī)械廠;纖維質(zhì)量分析儀，法國Techpap公司;白度儀，型號DN-B，杭州高新自動化儀表有限公司;撕裂度測定儀，型號DCP-SLY1000，四川長江造紙儀器有限責(zé)任公司;拉力儀，型號WZL-300，杭州青通博科自動化技術(shù)有限公司;耐破度測定儀，型號DCP-NPY1200B，四川省長江造紙儀器責(zé)任有限公司。

1.3 纖維形態(tài)分析

從選取的上、中、下木段中選擇具有代表性的部分，根據(jù)測定指標(biāo)要求進(jìn)行原料的處理。按文獻(xiàn)[13]所述方法進(jìn)行制樣并對其纖維長度、寬度、壁厚、腔徑進(jìn)行測定。

1.4 化學(xué)成分分析

將木段剩余部分去皮后沿徑向劈開，上、中、下對角各取一段，按GB/T 2677.1—1993進(jìn)行處理、粉碎，過篩并存儲于試樣瓶中，備用。所有檢測過程均按照文獻(xiàn)[15]中方法進(jìn)行。

1.5 硫酸鹽法蒸煮

參照文獻(xiàn)[15]中所列標(biāo)準(zhǔn)方法對硫酸鹽蒸煮工藝技術(shù)條件進(jìn)行選擇和優(yōu)化、蒸煮后對紙漿質(zhì)量進(jìn)行評價（得率、卡伯值、黏度等）以及蒸煮黑液進(jìn)行分析（pH值、殘堿）。蒸煮工藝為：最高溫度160℃，升溫時間90 min，保溫時間90 min，液比1∶4，用堿量以NaOH計。

1.6 紙漿漂白

蒸煮后選取較好紙漿樣品按照氧脫木素（O）、二氧化氯（D）和過氧化氫加氧氣強(qiáng)化的堿抽提（Eop）等無元素氯漂白工藝進(jìn)行漂白，漂白工藝為：漿濃10%;O段的初始氧壓0.5 MPa，溫度90℃，時間60 min;D段的溫度70℃， 時間90 min;Eop段的初始氧壓0.5 MPa，溫度85℃， 時間60 min。參照文獻(xiàn)[15]所述方法對漂白紙漿性能（得率、卡伯值、白度、黏度等）評價及漂白廢液（pH值、漂劑殘余量）進(jìn)行檢測。

1.7 紙漿物理性能測定

用PFI磨將紙漿打漿至（45±1）?SR，按照QB/T 3703—1999進(jìn)行抄片。參照文獻(xiàn)[15]對手抄片定量、厚度、抗張強(qiáng)度、耐破度、撕裂度、耐折度等進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維形態(tài)分析

山黃麻纖維形態(tài)檢測結(jié)果列于表1。從表1中可以看出，山黃麻木質(zhì)部和韌皮部差異非常大。木質(zhì)部纖維上、中、下各部分比較均勻，平均長度約1.1～1.2 mm，略長于桉木漿纖維（0.8～0.9 mm），且壁腔比僅為0.25左右，壁薄腔大，能賦予紙張較好的柔軟性，但會降低纖維自身的強(qiáng)度。韌皮部纖維平均長度遠(yuǎn)高于木質(zhì)部，超過普通針葉木纖維長度（思茅松3 mm左右），呈細(xì)長狀，與構(gòu)樹皮、麻皮等韌皮纖維類似。

2.2 化學(xué)成分分析

表2為山黃麻化學(xué)成分分析結(jié)果，并列出了云南云景林紙股份有限公司的雷林桉木（4～5年生）化學(xué)組分作為對比。從表2可以看出，山黃麻木質(zhì)部纖維素含量為47.78%，與云景林紙雷林桉木含量基本相近，酸不溶木素和綜纖維素含量略低。由山黃麻化學(xué)組分含量推測，山黃麻制漿得率應(yīng)與桉木相當(dāng)，且木素易于脫除?；曳?、抽出物等含量偏高，這與所用山黃麻樹齡較低有關(guān)，因為1.5年生幼樹齡山黃麻正處于快速生長期，分泌物相對較高。分析可得山黃麻木質(zhì)部纖維素含量較高而木素含量略低，因此可以判斷山黃麻是一種適宜于制漿的闊葉木原料。

從表2還可以看出，山黃麻韌皮部纖維素含量僅為26.63%，但是1% NaOH抽出物為54.06%，酸不溶木素含量33.49%，因此韌皮部不適用于制漿。但是山黃麻韌皮部纖維長度最高可接近5 mm，其可能會在一些高附加值的特殊紙種中得到應(yīng)用。

2.3 硫酸鹽法蒸煮

山黃麻在制漿造紙中的應(yīng)用，已有原產(chǎn)于中國臺灣和巴基斯坦的山黃麻相關(guān)報道[7-9]，而對原產(chǎn)于中國大陸的山黃麻，本實驗屬首次涉及。本實驗采用硫酸鹽法制備山黃麻化學(xué)漿，并對較優(yōu)條件所得紙漿的各項指標(biāo)進(jìn)行了檢測分析，結(jié)果列于表3。由表3可知，當(dāng)用堿量在23%時，細(xì)漿得率達(dá)到了50.0%，卡伯值為18.5，制漿效果較好，與云景林紙雷林桉木硫酸鹽漿的生產(chǎn)控制目標(biāo)基本相同。當(dāng)用堿量為19%和21%時，用堿量偏低，紙漿漿渣較多（10%以上），卡伯值明顯偏高;通過在蒸煮過程中加入蒽醌助劑，其脫木素效果優(yōu)于用堿量23%脫木素效果，同時用堿量降低2個百分點，硫化度降低57%。采用15 L大鍋蒸煮，用堿量為21%時，細(xì)漿得率達(dá)到52.7%。這說明只要工藝適合，山黃麻制漿效果與桉木相近，是良好的造紙原料。

從表3還可知，4#與5#的蒸煮工藝相同，但小罐蒸煮后漿渣多。其原因主要是山黃麻木片大小不一，在回轉(zhuǎn)蒸煮鍋內(nèi)旋轉(zhuǎn)時受罐體空間限制，較大尺寸的木片與藥液的混合均勻性差所致。

2.4 紙漿漂白

通過對山黃麻硫酸鹽蒸煮工藝的探索，可以看出山黃麻的蒸煮效果比較理想。進(jìn)而對其漂白性能進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。由于山黃麻硫酸鹽漿的特性類似于雷林桉木硫酸鹽漿，因此參照云景林紙桉木硫酸鹽漿ODEop的漂白工藝，對山黃麻5#漿（見表3）進(jìn)行漂白，漂白工藝與結(jié)果見表4。由于5#紙漿卡伯值低于17，因此，D段和Eop段用緩和的漂白條件就能把紙漿漂至85.0%的白度。以蒸煮前絕干木片為準(zhǔn)，ODEop漂后紙漿得率損失小于3個百分點。說明實驗采用的漂白工藝對山黃麻本色漿比較適宜，山黃麻本色漿具有較好的可漂性。

2.5 紙漿物理性能指標(biāo)評價

表5為山黃麻本色漿與漂白漿的物理指標(biāo)。從表5可以看出，山黃麻紙漿結(jié)合強(qiáng)度較好，漂白漿的抗張指數(shù)和耐破指數(shù)分別為79.0 N·m/g和5.15 kPa·m2/g，而本色漿的這兩項指標(biāo)分別高出漂白漿11%、12%。漂白漿和本色漿的撕裂指數(shù)分別為5.81 mN·m2/g和5.76 mN·m2/g，略低于桉木漿合格品撕裂指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。龐志強(qiáng)等人[16]研究認(rèn)為，樹齡對于紙漿強(qiáng)度影響較大。本實驗采用的原料樹齡僅1.5年，因此影響了紙漿的撕裂強(qiáng)度。谷云川等人[8]用14年生山黃麻制備的紙漿撕裂指數(shù)超過7.5 mN·m2/g，山黃麻紙漿撕裂強(qiáng)度隨著樹齡的增長有了較大幅度的提高。另外，山黃麻漂白漿樹脂類抽提物僅為0.18%，相對桉木而言，降低了生產(chǎn)過程中出現(xiàn)樹脂障礙的風(fēng)險。

3 結(jié) 論

本實驗通過對產(chǎn)自云南西雙版納的1.5年生山黃麻（Trema orientalis）進(jìn)行制漿造紙的基礎(chǔ)研究，探討了山黃麻作為造紙原料的可行性。

3.1 山黃麻木質(zhì)部平均纖維長度接近1.2 mm，細(xì)胞壁較薄，其壁腔比平均不到0.3，而韌皮部平均纖維長度可超過4 mm，可以視為特種纖維。木質(zhì)部的纖維素含量47.78%，酸不溶木素含量21.01%，低于桉木，韌皮部纖維素含量僅為26.63%，制漿過程中宜去除韌皮部。

3.2 經(jīng)硫酸鹽法蒸煮5#山黃麻木片，細(xì)漿得率52.7%、卡伯值16.8、黏度1241 mL/g，是一種較為理想的本色漿;通過ODEop工藝進(jìn)行漂白，可得到白度85.0%、黏度960 mL/g的漂白漿。

3.3 山黃麻本色漿和漂白漿均具有很好的纖維結(jié)合強(qiáng)度、較高的抗張指數(shù)和耐破指數(shù);本色漿的抗張指數(shù)和耐破指數(shù)分別為88.2 N·m/g和6.10 kPa·m2/g，漂白漿的抗張指數(shù)和耐破指數(shù)分別為79.0 N·m/g和5.15 kPa·m2/g;兩種漿撕裂指數(shù)均相對較低。

3.4 山黃麻生長快，輪伐周期短，易于制漿和漂白，紙漿物理強(qiáng)度較好，是一種適合推廣種植的造紙原材料。

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（責(zé)任編輯：黃舉）