五種海南常見速生材種制化學機械漿性能評估

朱 華， 吳 珽， 房桂干， 梁 龍， 朱北平， 佘光輝

(1.南京林業(yè)大學 林學院，江蘇 南京 210037；2.江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇 南京 210037；3.中國林業(yè)科學研究院 林產(chǎn)化學工業(yè)研究所,江蘇 南京 210042； 4.中國林業(yè)科學研究院 林業(yè)新技術研究所，北京 100091)

近年來國內(nèi)紙和紙板的年產(chǎn)量逐年增長，作為直接原料的紙漿消耗量同樣逐年增長。以2018年為例，我國全年消耗紙漿共9 387萬噸，其中木漿占比約35%，廢紙漿約58%，非木漿約7%[1]。隨著國務院辦公廳和海關總署對進口廢紙配額的限制，現(xiàn)有紙漿消耗比例將受到影響。預計到2020年末，木漿消耗將提升到43%以上，約4 200萬噸，其中國產(chǎn)木漿僅能提供約1 200萬噸，存在較大供應缺口[2]。因此，有必要大力推進林漿紙一體化，推廣制漿材速生原料林的種植，以提高木漿產(chǎn)量；同時，加快推廣有著高得率、低污染特征的化學機械法制漿技術，以提高木漿產(chǎn)率，從而擺脫對進口優(yōu)質木漿的依賴。海南省地處我國南部，具有熱帶、亞熱帶自然條件的過渡特征，全年濕熱，降雨量充沛，自然條件優(yōu)越。因此，在海南開展人工速生林培育，有利于海南當?shù)氐纳鷳B(tài)經(jīng)濟發(fā)展，有利于國家林漿紙戰(zhàn)略一體化目標的實現(xiàn)[3]。就海南當?shù)貧夂蚺c土壤情況看，制漿材速生林培育可引入廣西、云南等地常見的桉木、相思木等樹種[4-5]，但由于生長情況和種屬區(qū)別，不同樹種的材性與制漿性能存在一定差異，最終將影響紙漿產(chǎn)品質量[6]。本研究選取海南省引種的5種常見制漿材樹種，分析制漿材材性并評價其制化學機械漿(CMP)性能，從而為海南省制漿材樹種選育提供參考，以期為制漿纖維原料的高效合理利用提供可靠的理論依據(jù)。

1 實 驗

1.1 原料

實驗采用的材種主要包括尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)、尾葉桉(E.urophylla)和尾細桉(E.urophlla×E.tereticornis)，均取樣于海南?？?；馬占相思(Acaciamangium)，海南樂東；厚莢相思(A.crassicarpa)，海南定安，5種木材均為六年生。將實驗所用木材剝?nèi)淦ず蠼?jīng)機械削片機切削成木片，用TMI木片篩將過大或過小木片篩除。

1.2 材性分析

木片經(jīng)充分平衡水分后，取樣分別在FW100萬能粉碎機中粉碎，對粒徑0.25～0.43 mm間的木粉進行化學成分分析。其中，綜纖維素按GB/T 2677.10—1995測定；Klason木質素按GB/T 2677.8—1994測定；熱水抽出物按GB/T 2677.4—1993測定；苯醇抽出物按GB/T 2677.6—1994測定；1% NaOH抽出物按GB/T 2677.5—1993測定。

各樹種基本密度按照澳大利亞標準(Appita PIS-79/Standard-October 1979)以排水法測定；取各樹種木片樣本，切割成長約5 cm，截面約0.2 cm×0.2 cm的木條，用H2O2和冰醋酸(體積比1 ∶1)在60 ℃下分離纖維，通過纖維質量分析儀(FQA)分析樣本纖維形態(tài)；為防止木片表面出現(xiàn)腐朽、霉變等狀況導致原始白度測定不準確，將木片磨粉壓制成餅狀后再按GB/T 7974—2002測定。

1.3 化機漿的制備

化學機械漿(CMP)的制備實驗在林產(chǎn)化學工業(yè)研究所CMP中試系統(tǒng)中進行，主要設備包括洗滌槽、汽蒸倉、螺旋擠壓機(MSD)、化學預浸器、連續(xù)磨漿系統(tǒng)、常壓磨漿機、脫水機等。采用預處理磨漿化學堿性過氧化氫機械漿(P-RC APMP)技術，按制漿實驗流程[7]，在相同條件下對5種原料進行CMP制漿性能的對比研究，工藝參數(shù)見表1。

木片經(jīng)過水洗后常壓預汽蒸15 min，溫度105 ℃；汽蒸后進行一段螺旋擠壓(壓縮比4 ∶1，下同)，擠壓后物料按表1參數(shù)進行一段化學預浸漬；30 min后進行二段螺旋擠壓并進行二段化學預浸漬。浸漬完成后，用?300 mm高濃盤磨進行第一段高濃常壓磨漿，漿料的加拿大游離度(CSF)控制在650～700 mL。磨后漿料在反應倉內(nèi)停留60 min完成漂白。漂白完成后在上述常壓磨漿機中進行后續(xù)磨漿，輸入不同磨漿能耗以制取加拿大游離度在100～500 mL范圍內(nèi)的紙漿[8]。紙漿經(jīng)標準疏解器消潛10 min，用1 mol/L的稀硫酸酸化后洗滌至pH值為中性，脫水并進行手工抄片，抄取60 g/m2的紙頁。

表1 P-RC APMP工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of P-RC APMP

1)二段化學預浸漬后高濃漂白停留時間60 min after the two-stage chemical pre-impregnation high consistence bleaching retention time was 60 min

1.4 紙漿性能測試

紙頁干燥后按GB/T 451.3—2002測定紙張厚度，按照GB/T 455—2002測定紙張撕裂度，按GB/T 454—2002測定紙張耐破度，按GB/T 12914—2002測定抗張強度、耐破強度和撕裂強度，按GB/T 7974—2002測定紙張白度。

2 結果與討論

2.1 原料的對比分析

2.1.1化學成分 5種制漿材原料的化學成分分析結果見表2，可以看出不同材種間的化學成分含量差異較大。

表2 原料化學成分分析Table 2 Chemical composition of pulpwood %

其中尾巨桉、尾葉桉和尾細桉的綜纖維素質量分數(shù)較高，分別為80.79%、78.55%和80.17%，Klason木質素質量分數(shù)均低于24%，這將有利于在制漿過程中提高紙漿得率，促進漿料后續(xù)的漂白效率。而2種相思木的Klason木質素質量分數(shù)分別達到25.51%和26.64%，紙漿得率略低的同時，漂白難度更高。尾巨桉中1%NaOH抽出物的質量分數(shù)達19.24%，遠高于其它4種原料，可能導致制漿時化學品消耗較高且紙漿易返黃[9-10]。

2.1.2纖維形態(tài)和物理性質 纖維形態(tài)是評價速生材制漿性能的重要指標，不同纖維形態(tài)的速生材原料將引起漿料和成紙的性能差異[11]。 由各材種纖維形態(tài)分析結果(表3)可知，5種原料的纖維長度差異不大，均在750～805 μm之間。但是不同原料的壁腔比差異較為顯著，馬占相思的壁腔比值是5種原料中最小的。此外5種原料的基本密度在445～490 kg/m3范圍內(nèi)，總體均屬于中密度材；當原料密度較低時，有利于木片擠壓浸漬，降低磨漿能耗，提高成漿強度性能，密度偏高則可能會導致擠壓破碎效果不均勻，影響浸漬過程中藥液的滲透[12]。5種原料的原始白度以馬占相思最高，達30.50%(ISO，下同)，尾巨桉和尾細桉原始白度較低，在24%～25%之間。

2.2 原料的制漿性能比較

2.2.1紙漿得率 相同的工藝條件下，5種原料的紙漿得率差異明顯。其中尾細桉紙漿得率最高，達到91.2%，尾葉桉、尾巨桉和馬占相思次之，分別為90.0%、87.3%、86.4%，厚莢相思的得率最低，為84.2%。結合表2分析，可以看出不同原料紙漿得率差異與其化學成分分析結果基本一致。但值得注意的是，尾巨桉具有較高的綜纖維素含量，最終紙漿得率卻低于尾葉桉。這可能是由于尾巨桉的基本密度高于尾葉桉，且有著更高的纖維壁腔比，導致木片預浸漬過程中藥液滲透不夠充分。磨漿時纖維被過多切斷，造成紙漿中細小成分較多，洗漿過程中易流失[13]，使得紙漿得率下降。

表3 原料的纖維形態(tài)和物理性質Table 3 Fiber morphology and physical properties of pulpwood

2.2.2磨漿電耗 磨漿電耗是制漿過程中的主要生產(chǎn)成本之一，高效合理地輸出磨漿電能，有助于降低制漿造紙的生產(chǎn)成本。如圖1(a)所示，5種制漿材原料在相同的制漿工藝條件下，磨漿電耗與原料基本密度呈正相關。在相同加拿大游離度(300 mL)下，馬占相思基本密度最小，因此其電耗最低，為1 209 kW·h/t，而尾巨桉的基本密度為490 kg/m3，高于其他種類原料，其磨漿電耗也最高，為1 361 kW·h/t。導致這一現(xiàn)象的原因主要是低密度材種的木片結構疏松，浸漬過程中藥液易滲透，浸漬更加充分[14]，因此磨漿過程中纖維容易分離，所需電耗較低。而高密度木片會造成化學藥品難以滲透，浸漬不充分，因此磨漿過程電耗更高。

2.2.3松厚度 由圖1(b)可知，在相同制漿工藝條件下，不同速生材原料制得紙漿的松厚度存在差異。

圖1 不同原料磨漿電耗(a)和紙漿松厚度(b)的對比Fig.1 Comparison of power consumption of grinding pulp (a) and bulk (b) with different pulpwoods

在同一加拿大游離度(300 mL)下，馬占相思漿和尾細桉漿的松厚度均較低，分別為2.45和2.51 cm3/g，這主要是由于2種原料的壁腔比相對較低，纖維腔大壁薄，易于壓潰變形，纖維之間結合更加緊密，因而紙漿松厚度偏低。而尾巨桉漿的松厚度最高，為2.84 cm3/g，這是由于其纖維壁腔比最大，纖維細胞壁厚腔小，成紙時纖維不易壓潰變形[15]，且纖維長度較短，結合能力較弱，因此松厚度較高。

2.2.4強度性能 紙漿強度性能主要包括抗張強度、耐破強度和撕裂強度等。5種木材原料的CMP強度性能情況如圖2所示，由于是在相同工藝條件下制漿，因此不同材種CMP強度性能的差異主要與原料材性特征有關。在300 mL加拿大游離度下，馬占相思漿的強度性能最優(yōu)，抗張強度28.42 N·m/g、耐破強度1.54 kPa·m2/g和撕裂強度2.7 mN·m2/g。

a.抗強指數(shù)tensile index; b.耐破指數(shù)bursting index; c.撕裂指數(shù)tearing index圖2 不同原料紙漿強度性能的比較Fig.2 Comparison of pulp strength of different pulpwoods

結合表2和表3可以看出，馬占相思基本密度較小，在化學浸漬過程中藥液容易滲透，浸漬效果好，所以纖維易于分絲帚化；纖維長度較長，纖維細胞壁薄腔大，磨漿過程中對纖維的損傷和切斷較少，結合能力強，因此成紙有著最優(yōu)的強度性能[16-17]。尾葉桉和尾細桉也具有類似的材性特征，具有較長的纖維長度和較低的基本密度，因此具有較為接近的強度性能。尾巨桉具有5種木材原料中最大的纖維壁腔比值和最大的基本密度，這些材性特征導致木片在擠壓浸漬和磨漿效果較差，纖維不易分絲帚化，且容易被切斷，因此表現(xiàn)出最差的強度性能。

圖3 不同原料紙漿白度的比較Fig.3 Comparison of brightness of different pulpwoods

2.2.5白度 由圖3可見，5種木材原料化學機械漿在相同工藝條件下的白度存在較大差異。在300 mL加拿大游離度下尾細桉漿和尾葉桉漿的白度最高，均可達到83%以上，這是由于這2種原料均具有較低的Klason木質素含量，有利于漿的漂白，馬占相思的白度最低(78%)。尾巨桉漿和厚莢相思漿的白度較為接近，分別為82%和81%，尾巨桉的Klason木質素含量雖低，但其含有較高的苯醇抽出物和堿抽出物，這些抽出物具有較強的化學反應活性，容易促進雙氧水等漂白藥液的分解，從而影響到藥液的漂白效率，導致紙漿白度較低[18]。而木片原始白度以馬占相思為最高，尾巨桉和尾細桉較低，可見5種原料木片原始白度與經(jīng)P-RC APMP工藝制得的紙漿白度不存在明顯的正相關性。

2.3 討論

通過上述分析可知，在相同制漿工藝條件下，原料的材性差異對制得漿料的性能影響很大。在區(qū)域種植優(yōu)勢下，可根據(jù)紙漿的實際需求指標選擇相應樹種制漿：要求高紙漿得率時，宜選擇尾細桉；確保紙漿強度性能且對節(jié)能減排有較高要求時，宜選擇馬占相思；要求高松厚度時，原料可選擇尾巨桉；要求紙漿白度較高時，可選擇尾細桉和尾葉桉。

3 結 論

3.1評估了5種海南常見速生材原料(尾巨桉、尾葉桉、尾細桉、馬占相思和厚莢相思)的材性特征及其制化機漿性能。結果表明：尾巨桉和尾細桉含有較高的綜纖維素和較低的木質素，抽出物含量偏高，而兩種相思木的木質素含量較高，抽出物含量較低；在纖維形態(tài)方面，各材種纖維長度差異不大，但馬占相思壁腔比最低，有壁薄腔大的特點。

3.2在相同制漿工藝條件下，尾細桉的紙漿得率最高，達91.2%，厚莢相思紙漿得率最低。相同加拿大游離度(300 mL)時，馬占相思磨漿電耗最低，為1 209 kW·h/t，而尾巨桉的磨漿電耗最高；尾巨桉的松厚度最高，為2.84 cm3/g，馬占相思和尾細桉的松厚度均較低；馬占相思的強度性能最優(yōu)，抗張強度28.42 N·m/g、耐破強度1.54 kPa·m2/g和撕裂強度2.7 mN·m2/g，尾巨桉的強度性能最差；尾細桉和尾葉桉白度最高，達83%(ISO)以上，馬占相思白度最低。