楸树枝桠材硫酸盐法制浆的研究

中󰀁国󰀁造󰀁纸󰀁学󰀁报TransactionsofChinaPulpandPaperVol󰀁25,No󰀁4,2010楸树枝桠材硫酸盐法制浆的研究王军辉1󰀁张红杰2,*󰀁石淑兰2󰀁胡惠仁2󰀁翟文继3󰀁王秋霞3(1󰀁中国林业科学研究院林业研究所,国家林业局林木培育重点实验室,北京,100091;2󰀁天津科技大学,天津市制浆造纸重点实验室,天津,300457;3󰀁河南省南阳市林业科学研究所,河南南阳,473015)摘󰀁要:对楸树3个无性系的两类径级枝桠材的硫酸盐化学法制浆及造纸性能进行了研究。研究结果表明:粗、细枝桠材硫酸盐法蒸煮最佳用碱量分别为21%和22%(以Na2O计)。在此条件下蒸煮,可获得卡伯值为21、纸浆得率分别为41%和34%的未漂化学浆。在相同的蒸煮工艺条件下,两类径级的楸树枝桠材硫酸盐法制浆性能表现出明显的差异。楸树3个无性系枝桠材硫酸盐法制浆性能差别不十分明显,在相同蒸煮条件下所得纸浆的卡伯值、纸浆得率和筛渣率相近。8401枝桠材硫酸盐浆相对较难漂白,8402和金丝楸硫酸盐浆的可漂性相对较好。关键词:楸树;无性系;硫酸盐法;制浆造纸中图分类号:TS743+󰀁1;TS721+󰀁1󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁󰀁文章编号:1000-6842(2010)04-0010-04

󰀁收稿日期:2010-07-21(修改稿)󰀁本课题得到󰀁十一五󰀁国家科技支撑课题󰀁楸树和水曲柳珍贵用材林培育关键技术研究与示范󰀁(2006BAD24B08)和农业科技成果转化基金项目󰀁珍贵用材树种楸树新品种的中试和示范󰀁(2008GB24320414)的资助。󰀁作者简介:王军辉,男,1972年生;博士,研究员;主要从事楸树遗传育种研究。󰀁*通信联系人,张红杰,E-mai:lhongjiezhang@tust󰀁edu󰀁cn。󰀁󰀁楸树(CatalpabungeiC󰀁A󰀁Mey󰀁)为紫葳科梓树属楸树组,原产我国,适应性强、分布范围广。东起海滨、西至甘肃、南起云南、北到长城的广大区域均有分布,但主要分布于黄河流域和长江流域。栽培历史悠久,至今已有2600年。楸树是我国传统栽培的珍贵优质用材树种和著名园林观赏树种,素以材质优良而深受群众喜爱。楸材作为优质上等木材可以满足国内对高级木材的需要,缓解大量依靠进口、上等材供不应求的矛盾[1]。目前市场上对楸树木材的利用主要侧重主干材部分,枝桠材部分未能得到很好的开发与利用。本研究的主要目的是探索楸树枝桠材制浆的可行性,以提高楸树利用的经济效益。与木材主干相比,枝桠材具有径级小、比表面积大、树皮含量较高、可利用率较低、树皮剥除比较困难等特点,因此需要带皮制浆,而树皮对制浆有较大影响[2-6]。本研究以河南南阳的3个楸树无性系为原料,并依据枝桠材试样直径大小,将每个无性系枝桠材原料分为两种不同径级,进行了楸树枝桠材硫酸盐化学法制浆性能、漂白性能与纸张物理性能的实验。研究楸树不同无性系和不同径级枝桠材制浆造纸性能的差异,为楸树枝桠材制浆造纸的实际应用提供技术和理论依据。1󰀁实󰀁验1󰀁1󰀁实验原料楸树枝桠材试样于2007年6月取自河南南阳楸树无性系示范林,分别为8401、8402和金丝楸。3个楸树无性系的生长数据见表1。在示范林内每个无性系取样3个分生株,每株的枝桠材按直径大小分为粗、细两部分,采用削片机分别削片。随后在实验室内将每个无性系3个分生株粗枝桠材和细枝桠材木片混合,共制备成6个实验样品:8401(粗)、8401(细);8402(粗)、8402(细);金丝楸(粗)、金丝楸(细),风干。表1󰀁3个楸树无性系的生长情况(15年生)无性系分生株胸径/cm树高/m枝下高/m南北冠幅/m东西冠幅/m8401125󰀁812󰀁86󰀁52󰀁04󰀁4225󰀁413󰀁17󰀁02󰀁24󰀁8328󰀁412󰀁56󰀁52󰀁34󰀁48402129󰀁712󰀁16󰀁02󰀁34󰀁9229󰀁412󰀁26󰀁02󰀁03󰀁8331󰀁211󰀁77󰀁02󰀁44󰀁45金丝楸121󰀁59󰀁36󰀁03󰀁23󰀁3221󰀁09󰀁96󰀁03󰀁03󰀁3322󰀁010󰀁07󰀁54󰀁54󰀁410󰀁第25卷󰀁第4期楸树枝桠材硫酸盐法制浆的研究1󰀁2󰀁实验方法与实验设备1󰀁2󰀁1󰀁楸树枝桠材试样的皮部比例测定各取实验原料100g,每种取3份平行样,经人工剥皮后,分别将皮部和木质部试样置于烘箱中,在105󰀁下烘干至质量恒定,按照国家标准[7]分别测定枝桠材皮部和木质部的比例。1󰀁2󰀁2󰀁硫酸盐法蒸煮利用电热回转式蒸煮锅(西北轻工业学院机械厂制造,容积15L,内装4个容积2L的小罐),采用硫酸盐法(NaOH和Na2S为蒸煮药液)蒸煮。首先通过改变蒸煮用碱量,分别确定粗枝桠材和细枝桠材的合适蒸煮用碱量;然后在粗枝桠材和细枝桠材各自相同的用碱量下,比较3个楸树无性系两类枝桠材制浆造纸性能差异。其他蒸煮条件为:液比1󰀁4,升温至110󰀁进行小放汽,然后再升温至165󰀁后保温,保温时间为2󰀁5h。蒸煮结束后,取废液测定残碱量和黑液pH值。浆料经洗涤后测定粗浆得率,经筛浆后(筛板筛缝为0󰀁25mm),测定筛渣率和细浆卡伯值。1󰀁2󰀁3󰀁打浆采用PFI磨(挪威制造)进行未漂硫酸盐浆的打浆实验。打浆条件:浆量30g(绝干计),打浆浓度10%,打浆间隙为零,加重砣。依据打浆转数控制最终打浆度在45󰀁0󰀁SR左右。1󰀁2󰀁4󰀁漂白采用无元素氯D1EpD2漂白程序进行硫酸盐浆的漂白,分别利用白度计(SE070,L&W公司生产)和毛细管黏度计按照标准方法[7]测定纸浆白度和聚合度。各段漂白条件如表2所示。表2󰀁楸树枝桠材未漂硫酸盐浆的漂白条件漂白程序纸浆浓度/%温度/󰀁时间/h其他条件二氧化氯(D1)段10902ClO2用量1󰀁8%;pH值4过氧化氢强化碱处理(Ep)段10901NaOH用量2%;H2O2用量1󰀁0%;Na2SiO3用量3%二氧化氯(D2)段10702ClO2用量1󰀁2%;pH值41󰀁2󰀁5󰀁硫酸盐浆手抄片制备与物理性能测定将6种实验样品采用PFI磨打浆(45󰀁0󰀁SR),然后在实验室纸页标准成形器(加拿大制造)上抄造手抄片,定量60g/m2。将手抄片放置于相对湿度为(50󰀁2)%和温度为(23󰀁1)󰀁的恒温恒湿室中平衡水分后,分别利用抗张强度测定仪(SE062,L&W公司生产)、撕裂度测定仪(SE009,L&W公司生产)、耐破度测定仪(SE002,L&W公司生产)和MIT耐折度仪(美国TiniusOlsen测定仪器公司生产)按国家标准方法[7]进行手抄片的抗张强度、撕裂强度、耐破强度和耐折度等性能的测定。2󰀁结果与讨论2󰀁1󰀁无性系楸树枝桠材皮部和木质部比例比较由表3可见,无论是8401、8402还是金丝楸,其粗枝桠材木质部的比例均较细枝桠材大。其中:粗枝桠材的皮部含量仅为8%~10%,木质部的比例为90%~92%;与之相比,细枝桠材的皮部比例达到15%~16%,木质部比例仅为84%~85%。3个无性系楸树枝桠材相比较,8401的皮部比例较8402和金丝楸低。表3󰀁6种楸树枝桠材原料皮部和木质部含量的比较原料种类8401粗细8402粗细金丝楸粗细皮部含量/%8󰀁114󰀁78󰀁916󰀁310󰀁616󰀁1木质部含量/%91󰀁985󰀁391󰀁183󰀁789󰀁483󰀁92󰀁2󰀁用碱量对楸树不同径级枝桠材硫酸盐法蒸煮的影响选用无性系8401粗枝桠材和细枝桠材,分别进行硫酸盐法蒸煮最佳工艺条件的探索实验。固定硫化度、液比、蒸煮最高温度和蒸煮时间,改变蒸煮用碱量,根据纸浆得率、筛渣率和纸浆卡伯值的变化规律,最终确定各自最佳的用碱量。实验结果分别见表4和表5。2󰀁2󰀁1󰀁楸树粗枝桠材制浆由表4可见,随着蒸煮用碱量的增加,粗枝桠材纸浆得率呈下降趋势,筛渣率也随之下降。由于蒸煮用碱量的增加,加强了脱木素程度,使纸浆卡伯值降低。同时,黑液残碱增加,pH值上升。当用碱量为表4󰀁用碱量对8401粗枝桠材硫酸盐法蒸煮的影响用碱量(以Na2O计)/%粗浆得率/%筛渣率/%细浆得率/%卡伯值黑液pH值残碱/g󰀁L-11642󰀁53󰀁638󰀁935󰀁012󰀁75󰀁491843󰀁20󰀁842󰀁428󰀁413󰀁19󰀁762042󰀁01󰀁240󰀁823󰀁513󰀁211󰀁972141󰀁51󰀁040󰀁520󰀁913󰀁415󰀁032240󰀁80󰀁140󰀁719󰀁113󰀁415󰀁95󰀁注󰀁硫化度20%;最高温度165󰀁;保温2󰀁5h;液比1󰀁4。11楸树枝桠材硫酸盐法制浆的研究第25卷󰀁第4期表5󰀁用碱量对8401细枝桠材硫酸盐法蒸煮的影响用碱量(以Na2O计)/%粗浆得率/%筛渣率/%细浆得率/%卡伯值黑液pH值残碱/g󰀁L-11836󰀁61󰀁135󰀁526󰀁912󰀁46󰀁152035󰀁10󰀁734󰀁423󰀁012󰀁99󰀁422134󰀁70󰀁434󰀁421󰀁714󰀁813󰀁282234󰀁20󰀁333󰀁920󰀁113󰀁211󰀁872431󰀁40󰀁231󰀁217󰀁213󰀁316󰀁31󰀁注󰀁硫化度20%;最高温度165󰀁;保温2󰀁5h;液比1󰀁4。18%时,筛渣率达到1%左右,已达到化学法制浆的纤维分离点程度,说明木质纤维细胞壁胞间层的木素已经基本脱除,纤维细胞之间结合已经变弱。但此时纸浆卡伯值仍较高,说明纤维细胞次生壁中,仍保留相当多的木素,需要继续蒸煮脱出。当用碱量增加至20%~22%时,纸浆卡伯值又有明显降低;但当用碱量超过21%以后,卡伯值降低幅度变缓。因此最终选定粗枝桠材硫酸盐法蒸煮适宜用碱量为21%(以Na2O计)。

表6󰀁楸树3个无性系硫酸盐法制浆性能比较无性系枝桠材种类用碱量/%粗浆得率/%筛渣率/%细浆得率/%卡伯值黑液pH值残碱/g󰀁L-18401粗2141󰀁51󰀁040󰀁520󰀁913󰀁415󰀁03细2234󰀁70󰀁334󰀁421󰀁714󰀁813󰀁288402粗2141󰀁51󰀁040󰀁519󰀁713󰀁314󰀁28细2236󰀁60󰀁336󰀁318󰀁714󰀁013󰀁27金丝楸粗2141󰀁00󰀁740󰀁320󰀁813󰀁310󰀁34细2235󰀁30󰀁534󰀁821󰀁612󰀁513󰀁28表7󰀁不同无性系和两类径级枝桠材未漂硫酸盐浆的物理性能比较枝桠材种类径级别无性系细浆卡伯值定量/g󰀁m-2紧度/g󰀁cm-3裂断长/km耐破指数/kPa󰀁m2󰀁g-1撕裂指数/mN󰀁m2󰀁g-1耐折度/次粗840120󰀁962󰀁00󰀁555󰀁433󰀁505󰀁9241840219󰀁761󰀁80󰀁534󰀁923󰀁045󰀁4229金丝楸20󰀁862󰀁70󰀁524󰀁632󰀁845󰀁0125细840121󰀁761󰀁60󰀁473󰀁501󰀁873󰀁327840218󰀁762󰀁50󰀁524󰀁032󰀁424󰀁5617金丝楸21󰀁662󰀁40󰀁493󰀁842󰀁183󰀁9810󰀁注󰀁表中各种楸树枝桠材成浆来自表6。2󰀁2󰀁2󰀁楸树细枝桠材制浆由表5可见,在固定硫化度、液比、蒸煮最高温度和蒸煮时间的条件下,增加蒸煮用碱量,细枝桠材的纸浆得率也呈下降趋势,筛渣率随之下降,纸浆卡伯值降低,黑液残碱增加,pH值上升。最终选定用碱量为22%(以Na2O计)为细枝桠材硫酸盐法蒸煮的适宜条件。与粗枝桠材相比,达到相近的纸浆卡伯值,细枝桠材的用碱量之所以略高主要是由于细枝桠材的皮部比率比粗枝桠材高的缘故(见表3)。表8󰀁楸树不同无性系和不同径级枝桠材硫酸盐浆漂白性能比较枝桠材种类径级别无性系未漂浆卡伯值漂白浆白度/%漂白浆聚合度(DP)粗840120󰀁984󰀁4898840219󰀁785󰀁4887金丝楸20󰀁885󰀁7885细840121󰀁783󰀁5904840218󰀁786󰀁3886金丝楸21󰀁685󰀁69132󰀁3󰀁相同用碱量下楸树不同无性系枝桠材硫酸盐法蒸煮性能的比较在相同蒸煮工艺条件下,楸树不同无性系枝桠材硫酸盐法蒸煮实验结果列于表6。由表6可以看出,在相同蒸煮条件下,8401、8402和金丝楸3个无性系粗枝桠材制浆性能差别不明显。在相同工艺条件下蒸煮,所得纸浆的卡伯值、纸浆得率和筛渣率都比较接近,但8402纸浆的卡伯值较低,制浆性能较好。但楸树3个无性系细枝桠材硫酸盐法制浆性能没有表现出明显的差别。与8401和金丝楸相比,8402细枝桠材的制浆性能略优,纸浆得率略高,纸浆卡伯值略低。2󰀁4󰀁不同无性系和两种径级楸树枝桠材未漂硫酸盐浆的物理性能比较由表7可见,对于同一无性系,粗枝桠材硫酸盐浆手抄片的紧度均略高于细枝桠材浆,而且,粗枝桠材硫酸盐浆的各项强度指标也明显高于细枝桠材硫酸盐浆。楸树不同无性系枝桠材浆物理性能也有差异。无性系8401两类枝桠材浆的各项物理指标均较高,8402枝桠材浆次之,而金丝楸枝桠材浆的物理强度相对较差。2󰀁5󰀁不同无性系和两类径级楸树枝桠材硫酸盐浆漂白性能比较不论是粗枝桠材还是细枝桠材,3个楸树无性系枝桠材浆中,以8401浆相对较难漂白。在相同的漂白工艺和漂白条件下,8401浆最终漂白浆的白度较另两种浆低,白度仅为83%~84%。而8402和金丝楸硫酸盐浆的可漂性相对较好,经D1EpD2漂白后,均可以达到85%以上的高白度,能够用于配抄高级文化纸。楸树不同无性系和不同径级枝桠材漂白浆的聚合度相差不大,如表8所示。12