楸樹枝椏材硫酸鹽法制漿的研究

王軍輝 張紅杰 石淑蘭 胡惠仁 翟文繼 王秋霞

（1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，國家林業(yè)局林木培育重點實驗室，北京，100091；2.天津科技大學(xué)，天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457；3.河南省南陽市林業(yè)科學(xué)研究所，河南南陽，473015）

楸樹（Catalpa bungei C.A.Mey.）為紫葳科梓樹屬楸樹組，原產(chǎn)我國，適應(yīng)性強、分布范圍廣。東起海濱、西至甘肅、南起云南、北到長城的廣大區(qū)域均有分布，但主要分布于黃河流域和長江流域。栽培歷史悠久，至今已有2600年。楸樹是我國傳統(tǒng)栽培的珍貴優(yōu)質(zhì)用材樹種和著名園林觀賞樹種，素以材質(zhì)優(yōu)良而深受群眾喜愛。楸材作為優(yōu)質(zhì)上等木材可以滿足國內(nèi)對高級木材的需要，緩解大量依靠進口、上等材供不應(yīng)求的矛盾［1］。目前市場上對楸樹木材的利用主要側(cè)重主干材部分，枝椏材部分未能得到很好的開發(fā)與利用。本研究的主要目的是探索楸樹枝椏材制漿的可行性，以提高楸樹利用的經(jīng)濟效益。與木材主干相比，枝椏材具有徑級小、比表面積大、樹皮含量較高、可利用率較低、樹皮剝除比較困難等特點，因此需要帶皮制漿，而樹皮對制漿有較大影響［2-6］。本研究以河南南陽的3個楸樹無性系為原料，并依據(jù)枝椏材試樣直徑大小，將每個無性系枝椏材原料分為兩種不同徑級，進行了楸樹枝椏材硫酸鹽化學(xué)法制漿性能、漂白性能與紙張物理性能的實驗。研究楸樹不同無性系和不同徑級枝椏材制漿造紙性能的差異，為楸樹枝椏材制漿造紙的實際應(yīng)用提供技術(shù)和理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 實驗原料

楸樹枝椏材試樣于2007年6月取自河南南陽楸樹無性系示范林，分別為8401、8402和金絲楸。3個楸樹無性系的生長數(shù)據(jù)見表1。在示范林內(nèi)每個無性系取樣3個分生株，每株的枝椏材按直徑大小分為粗、細兩部分，采用削片機分別削片。隨后在實驗室內(nèi)將每個無性系3個分生株粗枝椏材和細枝椏材木片混合，共制備成6個實驗樣品：8401（粗）、8401（細）；8402（粗）、8402（細）；金絲楸（粗）、金絲楸（細），風(fēng)干。

表1 3個楸樹無性系的生長情況（15年生）

1.2 實驗方法與實驗設(shè)備

1.2.1 楸樹枝椏材試樣的皮部比例測定

各取實驗原料100g，每種取3份平行樣，經(jīng)人工剝皮后，分別將皮部和木質(zhì)部試樣置于烘箱中，在105℃下烘干至質(zhì)量恒定，按照國家標準［7］分別測定枝椏材皮部和木質(zhì)部的比例。

1.2.2 硫酸鹽法蒸煮

利用電熱回轉(zhuǎn)式蒸煮鍋（西北輕工業(yè)學(xué)院機械廠制造，容積15L，內(nèi)裝4個容積2L的小罐），采用硫酸鹽法（NaOH和Na2S為蒸煮藥液）蒸煮。首先通過改變蒸煮用堿量，分別確定粗枝椏材和細枝椏材的合適蒸煮用堿量；然后在粗枝椏材和細枝椏材各自相同的用堿量下，比較3個楸樹無性系兩類枝椏材制漿造紙性能差異。其他蒸煮條件為：液比1∶4，升溫至110℃進行小放汽，然后再升溫至165℃后保溫，保溫時間為2.5h。蒸煮結(jié)束后，取廢液測定殘堿量和黑液pH值。漿料經(jīng)洗滌后測定粗漿得率，經(jīng)篩漿后（篩板篩縫為0.25mm），測定篩渣率和細漿卡伯值。

1.2.3 打漿

采用PFI磨（挪威制造）進行未漂硫酸鹽漿的打漿實驗。打漿條件：漿量30g（絕干計），打漿濃度10％，打漿間隙為零，加重砣。依據(jù)打漿轉(zhuǎn)數(shù)控制最終打漿度在45.0°SR左右。

1.2.4 漂白

采用無元素氯D1EpD2漂白程序進行硫酸鹽漿的漂白，分別利用白度計（SE070，L＆W公司生產(chǎn)）和毛細管黏度計按照標準方法［7］測定紙漿白度和聚合度。各段漂白條件如表2所示。

表2 楸樹枝椏材未漂硫酸鹽漿的漂白條件

1.2.5 硫酸鹽漿手抄片制備與物理性能測定

將6種實驗樣品采用PFI磨打漿（45.0°SR），然后在實驗室紙頁標準成形器（加拿大制造）上抄造手抄片，定量60g/m2。將手抄片放置于相對濕度為（50±2）％和溫度為（23±1）℃的恒溫恒濕室中平衡水分后，分別利用抗張強度測定儀（SE062，L＆W公司生產(chǎn)）、撕裂度測定儀（SE009，L＆W公司生產(chǎn)）、耐破度測定儀（SE002，L＆W公司生產(chǎn)）和MIT耐折度儀（美國Tinius Olsen測定儀器公司生產(chǎn)）按國家標準方法［7］進行手抄片的抗張強度、撕裂強度、耐破強度和耐折度等性能的測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 無性系楸樹枝椏材皮部和木質(zhì)部比例比較

由表3可見，無論是8401、8402還是金絲楸，其粗枝椏材木質(zhì)部的比例均較細枝椏材大。其中：粗枝椏材的皮部含量僅為8％～10％，木質(zhì)部的比例為90％～92％；與之相比，細枝椏材的皮部比例達到15％～16％，木質(zhì)部比例僅為84％～85％。3個無性系楸樹枝椏材相比較，8401的皮部比例較8402和金絲楸低。

表3 6種楸樹枝椏材原料皮部和木質(zhì)部含量的比較

2.2 用堿量對楸樹不同徑級枝椏材硫酸鹽法蒸煮的影響

選用無性系8401粗枝椏材和細枝椏材，分別進行硫酸鹽法蒸煮最佳工藝條件的探索實驗。固定硫化度、液比、蒸煮最高溫度和蒸煮時間，改變蒸煮用堿量，根據(jù)紙漿得率、篩渣率和紙漿卡伯值的變化規(guī)律，最終確定各自最佳的用堿量。實驗結(jié)果分別見表4和表5。

2.2.1 楸樹粗枝椏材制漿

表4 用堿量對8401粗枝椏材硫酸鹽法蒸煮的影響

由表4可見，隨著蒸煮用堿量的增加，粗枝椏材紙漿得率呈下降趨勢，篩渣率也隨之下降。由于蒸煮用堿量的增加，加強了脫木素程度，使紙漿卡伯值降低。同時，黑液殘堿增加，pH值上升。當(dāng)用堿量為18％時，篩渣率達到1％左右，已達到化學(xué)法制漿的纖維分離點程度，說明木質(zhì)纖維細胞壁胞間層的木素已經(jīng)基本脫除，纖維細胞之間結(jié)合已經(jīng)變?nèi)酢５藭r紙漿卡伯值仍較高，說明纖維細胞次生壁中，仍保留相當(dāng)多的木素，需要繼續(xù)蒸煮脫出。當(dāng)用堿量增加至20％～22％時，紙漿卡伯值又有明顯降低；但當(dāng)用堿量超過21％以后，卡伯值降低幅度變緩。因此最終選定粗枝椏材硫酸鹽法蒸煮適宜用堿量為21％（以Na2O計）。

表5 用堿量對8401細枝椏材硫酸鹽法蒸煮的影響

2.2.2 楸樹細枝椏材制漿

由表5可見，在固定硫化度、液比、蒸煮最高溫度和蒸煮時間的條件下，增加蒸煮用堿量，細枝椏材的紙漿得率也呈下降趨勢，篩渣率隨之下降，紙漿卡伯值降低，黑液殘堿增加，pH值上升。最終選定用堿量為22％（以Na2O計）為細枝椏材硫酸鹽法蒸煮的適宜條件。與粗枝椏材相比，達到相近的紙漿卡伯值，細枝椏材的用堿量之所以略高主要是由于細枝椏材的皮部比率比粗枝椏材高的緣故（見表3）。

表6 楸樹3個無性系硫酸鹽法制漿性能比較

表7 不同無性系和兩類徑級枝椏材未漂硫酸鹽漿的物理性能比較

表8 楸樹不同無性系和不同徑級枝椏材硫酸鹽漿漂白性能比較

2.3 相同用堿量下楸樹不同無性系枝椏材硫酸鹽法

蒸煮性能的比較

在相同蒸煮工藝條件下，楸樹不同無性系枝椏材硫酸鹽法蒸煮實驗結(jié)果列于表6。由表6可以看出，在相同蒸煮條件下，8401、8402和金絲楸3個無性系粗枝椏材制漿性能差別不明顯。在相同工藝條件下蒸煮，所得紙漿的卡伯值、紙漿得率和篩渣率都比較接近，但8402紙漿的卡伯值較低，制漿性能較好。但楸樹3個無性系細枝椏材硫酸鹽法制漿性能沒有表現(xiàn)出明顯的差別。與8401和金絲楸相比，8402細枝椏材的制漿性能略優(yōu)，紙漿得率略高，紙漿卡伯值略低。

2.4 不同無性系和兩種徑級楸樹枝椏材未漂硫酸鹽漿的物理性能比較

由表7可見，對于同一無性系，粗枝椏材硫酸鹽漿手抄片的緊度均略高于細枝椏材漿，而且，粗枝椏材硫酸鹽漿的各項強度指標也明顯高于細枝椏材硫酸鹽漿。楸樹不同無性系枝椏材漿物理性能也有差異。無性系8401兩類枝椏材漿的各項物理指標均較高，8402枝椏材漿次之，而金絲楸枝椏材漿的物理強度相對較差。

2.5 不同無性系和兩類徑級楸樹枝椏材硫酸鹽漿漂白性能比較

不論是粗枝椏材還是細枝椏材，3個楸樹無性系枝椏材漿中，以8401漿相對較難漂白。在相同的漂白工藝和漂白條件下，8401漿最終漂白漿的白度較另兩種漿低，白度僅為83％～84％。而8402和金絲楸硫酸鹽漿的可漂性相對較好，經(jīng)D1EpD2漂白后，均可以達到85％以上的高白度，能夠用于配抄高級文化紙。楸樹不同無性系和不同徑級枝椏材漂白漿的聚合度相差不大，如表8所示。

3 結(jié)論

3.1 通過對河南南陽3個楸樹無性系（8401、8402和金絲楸）在不同用堿量下的硫酸鹽法蒸煮實驗研究，確定了楸樹粗、細枝椏材硫酸鹽法蒸煮的最佳用堿量分別為21％和22％（以Na2O計）。在此條件下蒸煮，可獲得卡伯值為21和紙漿得率分別為41％和34％的未漂硫酸鹽化學(xué)漿。

3.2 在相同的蒸煮工藝條件下，不同徑級楸樹枝椏材硫酸鹽法制漿性能相比，粗枝椏材紙漿的卡伯值較低；黑液殘堿較高。特別是粗枝椏材的紙漿得率顯著高于細枝椏材（高5～7個百分點）。這表明同一楸樹的粗枝椏材的制漿造紙性能要好于細枝椏材。

3.3 3個無性系楸樹枝椏材硫酸鹽法蒸煮制漿性能差別不十分明顯，在相同蒸煮條件下所得紙漿的卡伯值、紙漿得率和篩渣率相近。但比較而言，8402紙漿的卡伯值較低，制漿性能較好。楸樹枝椏材硫酸鹽漿在相同打漿度（45°SR）下的各項強度指標相比較，8401粗枝椏材略好，8402次之，金絲楸相對較差。8401楸樹枝椏材硫酸鹽漿相對較難漂白，8402和金絲楸硫酸鹽漿的可漂性相對較好。經(jīng)D1EpD2無元素氯漂白后，8402和金絲楸最終漂白漿均可達到85％以上的白度；而8401漿白度可達到83％。

［1］郭叢儉.楸樹栽培［M］.北京：中國林業(yè)出版社，1988.

［2］楊維民.利用枝椏材制漿造紙的探討［J］.甘肅輕紡科技，1996（1）：21.

［3］盛 亮，楊淑蕙.三倍體毛白楊枝椏材NaOH-AQ法蒸煮研究［J］.天津造紙，2006（1）：31.

［4］盛 亮，楊淑蕙，王愛萍.三倍體毛白楊枝椏材化學(xué)組成的分析與比較［J］.分析與檢驗，2006（2）：28.

［5］盛 亮，楊淑蕙，王愛萍.三倍體毛白楊枝椏材化學(xué)組成的研究［J］.上海造紙，2008，38（2）：11.

［6］盛 亮，楊淑蕙.三倍體毛白楊枝椏材NaOH-AQ法制漿特性［J］.中華紙業(yè)，2006，27（1）：45.

［7］石淑蘭，何福望.制漿造紙分析與檢測［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2003.