毛竹化学机械法制浆及配抄纸杯原纸的研究

摘要

探究了用碱量、浸渍时间和制浆工序对毛竹化机浆得率、磨浆能耗、浆料质量及所抄纸杯原纸性能的影响。结果表明，制浆得率与用碱量和制浆工序密切相关，制浆得率随着用碱量增加而降低，浸渍后对竹片进行螺旋挤压会降低制浆得率；磨浆能耗主要受用碱量的影响，在用碱量为8%及以上时，制取的加拿大游离度为300 mL的纸浆磨浆能耗稳定在300~400 kWh/t浆；浆料强度随用碱量的增加而增加，浸渍后对竹片进行螺旋挤压能有效提高浆料强度、降低用碱量，在用碱量为8%时，制备加拿大游离度为300 mL的浆料其抗张指数高于25.0 N·m/g，满足纸杯原纸用浆要求；在毛竹化机浆配比为60%~70%时，以其为芯层制备的纸杯原纸能够达到行业标准中优等品的要求。

关键词

毛竹化机浆; 制浆得率; 磨浆能耗; 纸浆性能; 纸杯原纸

改革开放以来，我国造纸工业发展迅速，目前纸及纸板的生产量和消费量均居世界首位，但我国造纸用原料长期依赖进口。据中国造纸协会调查资料显示，2020年我国进口纸浆3063万t，废纸浆620万t，造纸纤维原料进口依存度约为40%^[1]。随着国家禁废令和新版限塑令的相继实施，我国造纸行业纤维原料短缺的局面将进一步加剧。在此背景下，积极探索非木材纤维资源的充分利用对解决我国纤维原料严重短缺的问题具有重要意义。

竹子是最早用于机制纸的纤维原料之一，我国拥有丰富的竹资源，被誉为第二森林。我国竹类品种大体分为两大类：一类为薄壁中小径竹，是目前我国用量最多的制浆造纸竹种^[2]；另一类为厚壁大径竹，主要为毛竹，也称楠竹，目前毛竹约占全国竹林总面积的70%，总蓄积量达1.2亿t^[3]，但一直以来未得到制浆造纸行业的青睐，主要是因为毛竹结构致密，药液难浸透，存在着蒸煮周期长、化学品消耗量大、得率低等问题，最终导致成本较高^[4]。

化学机械法制浆技术是20世纪70年代才发展起来的制浆技术，该技术原料利用率高、投资少（较化学法制浆）、生产成本低、纸浆质量佳，可广泛用于各种纸和纸板产品的抄造，且制浆过程在常压下进行，没有大气污染，生产使用的化学品不含硫，废水易于处理^[5]。随着化学机械法制浆技术的发展推广，利用毛竹制备化学机械浆（以下简称化机浆，CMP）是实现毛竹开发利用的一个重要方向，具有广阔的前景。本研究采用未漂化机浆工艺，通过适当调整浸渍段的化学品（氢氧化钠）用量及制浆工序对毛竹CMP性能进行研究，并与漂白木浆配抄制备纸杯原纸，以期为毛竹的生产实践提供支撑。

1 实　验

1.1　实验原料及设备

1.1.1　实验原料

毛竹，原料新鲜，没有霉变现象，产地浙江；漂白硫酸盐针叶木浆、漂白硫酸盐阔叶木浆，浙江仙鹤股份有限公司。

1.1.2　实验设备

标准疏解器，英国Messer公司；筛浆机，德国Voith公司；标准抄片器（PL6-T），咸阳泰思特试验设备有限公司；纸张耐破度仪（ME-05）、厚度仪（ZHD-4），长春市永新仪器设备有限公司；撕裂实验仪（ME1653D），美国Thwing Albert公司；全自动抗张试验仪（ZB-WLQ300），杭州纸邦自动化技术有限公司。

1.2　实验方法

1.2.1　毛竹化机浆制备

考虑到竹材具有材质致密、药液渗透困难等特点，本研究拟采用螺旋挤压加两段浸渍的化学机械法制浆流程，并通过改变浸渍段的化学品用量（主要是氢氧化钠）来考查毛竹CMP性能，具体的制浆实验流程如图1所示。

图1 毛竹CMP制浆流程图

Fig. 1 Flow chart of bamboo CMP

制浆具体步骤为：竹片首先经过筛选，收集合格竹片，然后用塑料袋封存，平衡水分。合格竹片经热水洗涤、脱水后，在105℃下预汽蒸（时间为20 min），其中P1~P6组为汽蒸后的竹片先采用一段TSPI挤压，然后送入反应仓进行第一段化学浸渍，浸渍条件如表1所示，之后进行第二段TSPI挤压，然后送入反应仓进行第二段化学浸渍，而P7组为TSPI挤压与浸渍工序分别调换，即先进行第一段化学浸渍，然后进行第一段TSPI挤压，之后进行第二段化学品浸渍，然后进行第二段TSPI挤压。处理后的浆料进行高浓盘磨机磨浆（磨浆浓度为30%），并通过输入不同的电能，分别磨取4种不同加拿大游离度的浆样。磨后浆料进行中浓洗涤，洗后浆料再经消潜，筛选后，制得毛竹化机浆。

表1 毛竹CMP制备工艺条件

Table1 Experimental conditions of bamboo CMP

组别	一段浸渍				二段浸渍				总用碱量/%	总浸渍时间/min
	用碱量/%	温度/℃	浓度/%	浸渍时间/min	用碱量/%	温度/℃	浓度/%	浸渍时间/min
P1	2	95	30	60	1.5	95	30	60	3.5	120
P2	2			60	3			60	5	120
P3	3			60	5			60	8	120
P4	3			60	7			60	10	120
P5	3			75	7			75	10	150
P6	5			60	7			60	12	120
P7	3			60	5			60	8	120

1.2.2　纸张的抄造

（1）毛竹化机浆手抄片：为测定纸浆性能，按GB/T 24324—2009纸浆实验室纸张的制备（标准纸页成型器法）抄造60 g/m²的纸张。

（2）纸杯原纸：纸杯原纸由3层纸按顺序复合而成，由上至下分别为面层、芯层、底层，其中面层和底层定量相同且由同一种浆料抄造而成，该浆料为阔叶木浆和针叶木浆的混合浆，芯层全部由毛竹化机浆抄造而成。纸杯原纸定量为220 g/m²。

1.3　测试分析

1.3.1　磨浆能耗计算

$$\mathrm{单}\mathrm{位}\mathrm{磨}\mathrm{浆}\mathrm{电}\mathrm{耗}(\mathrm{k}\mathrm{W}\mathrm{h}/\mathrm{t}\mathrm{绝}\mathrm{干}\mathrm{浆})=\frac{\mathrm{磨}\mathrm{浆}\mathrm{电}\mathrm{耗}-\mathrm{空}\mathrm{载}\mathrm{电}\mathrm{耗}}{\mathrm{纸}\mathrm{浆}\mathrm{质}\mathrm{量}}$$

1.3.2　纸张物理检验

纸浆性能的测定按GB/T 24323—2009纸浆实验室纸张物理性能的测定进行；纸杯原纸性能的测定按照QB/T 4032—2010纸杯原纸进行。

2 结果与讨论

2.1　制浆性能的比较

2.1.1　制浆得率

图2为不同浸渍条件下毛竹CMP得率。对比P1~P4、P6可以看出，毛竹CMP得率与总用碱量直接相关，制浆得率随总用碱量的增加而降低，总用碱量由3.5%提高至12%时，制浆得率由83.6%下降至74.1%，这主要是因为总用碱量越大，毛竹原料中的低分子抽出物溶出量越多，半纤维素、木质素和纤维素的降解也会加剧，从而使得制浆得率下降。对比P4与P5，总用碱量相同时，制浆得率随浸渍时间的增加而下降，这是由于浸渍时间越长，原料中的半纤维素、木质素和纤维素的降解程度越高，导致制浆得率下降，但下降幅度不大。对比P3与P7可以看出，制浆得率还与制浆工序密切相关，由于竹片结构致密，若在浸渍前进行螺旋挤压，竹片软化不够充分，因此螺旋挤压效果差，而浸渍后进行螺旋挤压，则竹片容易由较大组分挤压成较小组分，从而大大增加药液接触面积，增强竹片的吸液性能^[6-7]，因而得率下降较多，P3的制浆得率为80.1%，而P7的制浆得率则下降为70.3%，下降幅度较大。

图2 毛竹CMP制浆得率比较

Fig. 2 Comparison of pulping yield of bamboo CMP

注   制浆得率为浸渍、磨浆、洗涤之后的得率，未包括洗浆的流失。

2.1.2　磨浆能耗

采用化学机械法制浆，磨浆能耗是企业最为关心的成本之一。图3为不同浸渍条件下毛竹CMP制浆的磨浆能耗。

图3 毛竹CMP磨浆能耗比较

Fig. 3 Refining energy consumption comparison of bamboo CMP

由图3可见，毛竹CMP磨浆能耗与浸渍段总用碱量关系较大。浸渍段总用碱量在3.5%~12%时，制得加拿大游离度为300 mL的纸浆，磨浆能耗在300~600 kWh/t浆，磨浆能耗随总用碱量的增加而逐渐下降，这主要是因为浸渍段总用碱量大时，竹片的浸渍效果更好，碱对竹片软化得更为充分，在磨浆过程中，纸浆纤维容易分离，体现出磨浆能耗较低。因此，毛竹CMP制浆过程中，可以通过适当增加浸渍段的化学品用量来降低磨浆能耗。而在浸渍段总用碱量为8%~12%时（P3~P7），制得游离度约为300 mL的纸浆，磨浆能耗稳定在300~400 kWh/t浆，说明总用碱量在8%时已经接近了纤维解离所需用碱量的极限。

2.1.3　松厚度

松厚度是衡量CMP的一个重要指标，松厚度高的纸浆可以使纸板具有高的环压强度和挺度，另外还可以减少纸板生产过程中浆料的投用，显著降低其生产成本。一般来说，纸浆的紧度与化学品用量关系直接相关，化学浆的紧度高于CMP，主要与化学品作用程度的差异有关，化学法为脱除木质素制浆，纸浆纤维变得十分柔顺，在形成纸幅时，纤维细胞壁十分容易塌陷扁平，形成较为致密的纸幅，表现出较高的紧度。化学机械法制浆是保留木质素的制浆方法，纤维细胞壁上含有较多的木质素，因此，纸浆纤维较为挺硬，表现出较高的松厚度或较低的紧度^[8]。图4为不同浸渍条件下毛竹CMP松厚度。由于P1、P2纸浆强度较低，无法抄纸，故未进行检测，以下同。

图4 毛竹CMP松厚度比较

Fig. 4 Comparison of bulk property of bamboo CMP

由图4可知，毛竹CMP的松厚度与总用碱量关系较大。纸浆的松厚度随浸渍段总用碱量的提高而降低，同时，相同浸渍总用碱量下，制得纸浆松厚度随加拿大游离度的降低而下降。这是由于随着化学品用量的增加，竹片的浸渍效果更好，竹片的软化更充分，磨浆过程中纸浆纤维分丝帚化效果更好，在纸张成形时，纤维间结合得更好也更为致密，表现出更高的紧度。在加拿大游离度约为300 mL时，P3纸浆的松厚度最高，约为2.55 cm³/g，而P4~P7纸浆的松厚度较低，约为2.25 ~2.35 cm³/g，明显低于前者。因此为了确保纸浆具有优良的松厚性能，需在满足纸品强度性能要求情况下，尽量减少浸渍段的化学品用量，且纸浆的磨浆程度也应尽可能低。

2.1.4　强度性能

纸浆的强度主要包括抗张强度、耐破度和撕裂度等。其中抗张强度和耐破度主要与成纸纤维间的结合强度有关，而结合强度的大小则主要由成纸纤维间的化学键（氢键）结合数量多少决定。如果成纸纤维打浆或磨浆程度较高，纤维细胞壁的分丝帚化程度效果好，则使得纤维的比表面积较大且暴露的氢键较多，这有利于成纸时纤维间形成更多的氢键结合，从而使最终成纸具有较好的结合强度。撕裂度一般与成纸纤维的平均长度相关，其次是纤维之间的结合强度，而对于CMP而言，纸浆的撕裂度与纸浆的纤维平均长度关系较小，主要还是与纸浆纤维的结合强度有关。这可能是因为采用化学机械法制浆时，由于浸渍化学品用量较少，纸浆纤维主要依赖盘磨的机械作用进行分离，使得不同原料制得CMP纤维的平均长度差异不大，而良好的预浸会使纤维原料得到充分的软化和润胀，这有利于纤维在磨浆过程中得到更好的分丝帚化，让纸浆纤维具有更好的结合强度，因此撕裂度也高。图5~图7分别为毛竹CMP的强度性能。

图5 毛竹CMP抗张指数比较

Fig. 5 Comparison of tensile index of bamboo CMP

图6 毛竹CMP耐破指数比较

Fig. 6 Comparison of burst index of bamboo CMP

图7 毛竹CMP撕裂指数比较

Fig. 7 Comparison of tear index of bamboo CMP

由图5~图7可知，毛竹CMP的抗张强度、耐破度及撕裂度均随着浸渍化学品用量的增加而提高。这主要是由于随着浸渍段化学品用量的增加，竹片的软化和润胀更为充分，不仅可以使纸浆纤维在磨浆过程中容易分离，得到较好的分丝帚化，还利于减少磨浆过程中对纤维的损伤和切断，使得纸浆具有较好的撕裂度和结合强度。因此可以通过适当增加浸渍段化学品用量，来改善纸浆的强度性能，以满足终端产品的用浆质量要求，本研究中根据纸杯原纸行业标准，毛竹CMP抗张指数宜超过25.0 N·m/g。从图5可以看出，P3~P6浆样中，总用碱量达到10%时，通过降低游离度或者增加浸渍时间，才能够使毛竹CMP抗张指数大于25.0 N·m/g。而P7浆样总用碱量为8%，制备的游离度为300 mL的毛竹CMP抗张指数已高于25.0 N·m/g。由此看出，浆料强度与总用碱量及制浆工序密切相关，浸渍后进行螺旋挤压，能有效提高木片浸渍软化效果，降低总用碱量，在总用碱量为8%时即可满足纸杯原纸用浆要求。

2.2　纸杯原纸的配抄实验研究

根据纸杯原纸配抄用浆强度要求，本研究选用加拿大游离度为220 mL的P6浆样、加拿大游离度为300 mL的P7浆样为芯层，按一定比例与混合的45°SR阔叶木浆和45°SR针叶木浆来抄造纸杯原纸，将抄造的纸杯原纸进行检测，检测结果与行业标准做对比。纸杯原纸行业标准见表2。

表2 纸杯原纸行业标准QB/T 4032—2010（部分）

Table 2 Industry standard of carton base paper QB/T 4032—2010 (part)

指标名称	定量/g·m-2	厚度/μm	抗张指数（纵横平均）/N·m·g-1	耐折度/次	挺度/mN·m
优等品	220±7	290±10	29.0	≥60	≥ 3.00/6.00
合格品		285±10	27.0	≥20	≥ 2.70/5.40

2.2.1　浆料配比对纸杯原纸厚度的影响

图8为不同浆料配比下纸杯原纸厚度检测结果。从图8可以看出，毛竹CMP用量对纸杯原纸厚度有重要影响，随着毛竹CMP比例的降低，纸杯原纸厚度逐渐降低，相同配比下，毛竹CMP松厚度越高，抄造的纸杯原纸厚度越大。毛竹CMP用量在60%~85%时，抄造的纸杯原纸厚度均可达到纸杯原纸行业标准（QB/T 4032—2010）优等品规定的要求。

图8 阔叶木浆/针叶木浆/毛竹CMP配比对纸杯原纸厚度的影响

Fig. 8 Effect of hardwood pulp/softwood pulp/bamboo CMP pulp ratio on thickness of carton base paper

注  　浆料配比=阔叶木浆∶针叶木浆∶毛竹CMP，以下同。

2.2.2　浆料配比对纸杯原纸强度的影响

图9 阔叶木浆/针叶木浆/毛竹CMP配比对纸杯原纸抗张指数的影响

Fig. 9 Effect of hardwood pulp/softwood pulp/bamboo CMP pulp ratio on tensile index of carton base paper

图10 阔叶木浆/针叶木浆/毛竹CMP配比对纸杯原纸挺度的影响

Fig. 10 Effect of hardwood pulp/softwood pulp/bamboo CMP pulp ratio on stiffness of carton base paper

图9~图11为浆料配比对纸杯原纸强度性能的影响。由图9~图11可见，以抗张指数为25.0~32.0 N·m/g的毛竹CMP为芯层，配以一定比例的化学木浆作底层和面层，抄造的纸杯原纸其抗张指数和挺度可达到或超过纸杯原纸行业标准（QB/T 4032—2010）优等品规定的要求。但是，当毛竹CMP配比达到70%以上时，纸杯原纸的耐折度难以满足要求，这主要是由于毛竹CMP的纤维长度较短且挺硬，耐折度较差^[9]。因此，在以毛竹CMP配抄纸杯原纸时，毛竹CMP的配抄比例不宜过高。

图11 阔叶木浆/针叶木浆/毛竹化机浆配比对纸杯原纸耐折度的影响

Fig. 11 Effect of hardwood pulp/softwood pulp/bamboo CMP pulp ratio on folding strength of carton base paper

3 结　论

3.1　以毛竹为原料进行化学机械法制浆时，制浆得率主要受总用碱量和制浆工序的影响，制浆得率随总用碱量的增加而降低，浸渍后进行螺旋挤压会降低制浆得率。磨浆能耗主要受总用碱量的影响，当总用碱量为8%及以上时，制得加拿大游离度为300 mL左右的纸浆其磨浆能耗稳定在300~400 kWh。

3.2　毛竹化机浆的松厚度性能随总用碱量的增加而降低。强度性能与总用碱量和制浆工序关系较大，纸浆强度随总用碱量的增加而提高，浸渍后进行螺旋挤压能有效提高浆料强度，降低总用碱量，在总用碱量为8%时，制备的加拿大游离度为300 mL的纸浆其抗张指数超过25.0 N·m/g，达到纸杯原纸用浆要求。

3.3　以抗张指数为25.0~32.0 N·m/g的毛竹化机浆为芯层制备纸杯原纸时，在毛竹化机浆配抄比例为60%~70%时，制备的纸杯原纸各项物理指标均可达到纸杯原纸行业标准（QB/T 4032—2010）优等品要求。