乙醇法玉米秆髓浆对OCC纸浆的增强效果

李士勇 杨 扬 韩 颖 孙广卫 程 飞 杨汝男

（1.大连工业大学辽宁省教育厅制浆造纸重点实验室，辽宁大连，116034；2.中国制浆造纸研究院，北京，100061）

玉米是我国种植非常普遍的农作物之一，玉米秸秆主要由叶和茎组成，其中茎又由外皮和髓组成，茎中含有较多的髓是玉米秸秆的一大特点。髓由薄壁组织和维管束组成，髓的薄壁细胞多呈球形，壁甚薄，且髓中含有一定量的糖分和SiO2，密度很小、蓬松柔软、吸水性强、机械强度极低［1-5］。近些年来，玉米秸秆皮髓分离机的发明为玉米秸秆皮和髓的分别利用创造了条件。通常情况下，多将玉米秸秆的皮用于制浆造纸，而髓的用途不大。本实验重点探讨乙醇玉米秆髓浆对旧箱纸板（OCC）纸浆的增强效果，为扩展玉米秆髓的新用途提供思路。

1 实验

1.1 原料

玉米秆髓：产于大连的成熟玉米秸秆，经人工剥皮、去节后，取髓作原料。

将低档旧箱纸板在水中浸泡24h、撕成碎片、水力碎浆机碎解，然后用瓦利打浆机进一步疏解打浆，经筛选、洗涤、甩干后装入自封袋平衡水分备用（以下简称废纸浆）。

1.2 实验方法

1.2.1 原料成分分析

玉米秆髓经植物粉碎机粉碎后过60目筛，混合均匀，放入自封袋中平衡水分。按国家相关标准对玉米秆髓进行分析，包括水分、抽出物、Klason木素、综纤维素、纤维素、果胶等含量的测定。

1.2.2 乙醇法蒸煮

利用ZQS-1型15L电热回转蒸煮锅（西北轻工业学院机械厂生产，内衬4个容积为2L的不锈钢小罐）进行蒸煮，设计正交实验L9（34），采用自催化乙醇法蒸煮。蒸煮结束后，取黑液测定pH值，浆料经洗涤后测定其得率和高锰酸钾值，用所得玉米秆髓浆以20％的配比添加到废纸浆中抄纸，纸张定量为100g/m2，测定纸张的物理强度，通过分析得出最佳蒸煮条件。

1.2.3 抄纸实验与物理性能检测

将在最佳蒸煮条件下所得的玉米秆髓浆添加到废纸浆中，改变玉米秆髓浆的加入量（0、10％、15％、20％、25％、30％，占总浆料量），用实验室标准纸页成形器抄纸，定量100g/m2，根据相关标准［6］测定纸张的厚度、抗张强度、撕裂度、耐破度、耐折度和环压强度等性能。

2 结果与讨论

2.1 玉米秆髓的化学组成

分析玉米秆髓的Klason木素、综纤维素、纤维素、聚戊糖、灰分、有机溶剂抽出物含量等，以了解原料的化学组成特征，据此选择合适的蒸煮工艺条件，结果如表1所示。

由表1可知，玉米秆髓中纤维素和木素含量较低，聚戊糖和抽出物含量较高，尤其是1％NaOH抽出物含量高达52.91％，主要是溶出原料中所含的部分无机盐类、植物碱、单宁、色素以及多糖类物质，还能溶解一部分木素、聚戊糖和聚己糖。玉米秆髓中较高的聚戊糖含量有利于自催化乙醇法制浆，在高温条件下，聚戊糖的水解可以为反应提供足够的酸度，而且聚戊糖的溶出也可以为碎解木素的脱除打开通道。原料中较高含量的苯-醇抽出物也可在制浆过程中被乙醇这一有机溶剂抽提而大部分溶出。玉米秆髓的一大特点是含有大量的比较难以分离的维管束，这些维管束的存在对纸张的强度性能和外观质量有一定的影响。在乙醇法蒸煮高温高压的条件下，维管束能够很好地分离为单细胞。因此，从原料组分的角度分析，玉米秆髓较适宜用乙醇法蒸煮。

表1 玉米秆髓的化学成分 ％

2.2 乙醇法蒸煮玉米秆髓

2.2.1 蒸煮条件的确定

影响自催化乙醇法制浆的因素较多，主要有酸度、蒸煮最高温度、保温时间、液比和乙醇体积分数5个因素。其中，酸度虽然对制浆的影响较大，但实际上制浆过程中体系的酸度是由原料品种、蒸煮最高温度、保温时间、液比和乙醇体积分数5个因素决定的［7-10］。因此，对玉米秆髓而言，所选择的因素只需考虑蒸煮最高温度、保温时间、液比和乙醇体积分数即可。玉米秆髓乙醇法蒸煮正交实验方案L9（34）如表2和表3所示。

2.2.2 正交实验结果及分析

正交实验结果及极差分析见表4和表5。

由表5的极差分析可知，影响得率的因素是蒸煮最高温度＞液比＞乙醇体积分数＞保温时间，影响高锰酸钾值的因素是蒸煮最高温度＞保温时间＞乙醇体积分数＞液比。蒸煮条件对纸张物理强度也有一定的影响，保温时间和液比对成纸环压强度的影响要大于蒸煮最高温度和乙醇体积分数；各因素对耐破度的影响相当，液比稍大；影响抗张强度的因素是蒸煮最高温度＞液比＞保温时间＞乙醇体积分数；对耐折度影响最大的因素是乙醇体积分数。综合考虑，蒸煮最高温度是主要影响因素，其次是液比、乙醇体积分数和保温时间。从表4可以看出，当蒸煮最高温度为185℃，保温时间90min时，即正交实验的实验4，所得浆料得率和成纸强度均较高，因此，选择玉米秆髓乙醇法蒸煮的适宜条件为：蒸煮最高温度185℃，保温时间90min，液比1∶25，乙醇体积分数60％。

表2 正交实验水平因素

表3 乙醇法蒸煮玉米秆髓正交实验表

表4 正交实验结果

表5 正交实验极差分析表

2.2.3 再现性实验

取一定质量的玉米秆髓原料在上述最优条件下蒸煮，自然升温（升温时间约50min）进行再现性实验，结果如表6所示。

从表6可以看出，在最佳条件下蒸煮所得的玉米秆髓浆得率较高，在40％以上，成纸抗张指数和环压指数高达30.61N·m/g和5.98N·m/g，优于正交实验的各组数据，紧度、撕裂指数和耐折度也较高，说明所选蒸煮条件是适宜的。

2.3 玉米秆髓浆配比抄纸

将最佳蒸煮条件所得玉米秆髓浆按一定的用量（0、10％、15％、20％、25％、30％）与废纸浆混合抄纸，检测纸张的物理强度。玉米秆髓浆的不同加入量对纸张性能的影响如图1和图2所示。

表6 再现性实验蒸煮结果

由图1和图2可知，玉米秆髓浆的加入能够有效地提高成纸的强度。随玉米秆髓浆配比的增加，成纸的紧度、环压指数和耐破指数呈增大的趋势，而抗张指数、撕裂指数和耐折度先迅速上升然后下降。当玉米秆髓浆加入量为25％时，成纸抗张指数达到最大值，与不含玉米秆髓浆的纸张相比提高了77.7％，环压指数和耐破指数也分别增大了47.1％和26.7％。未加玉米秆髓浆的纸张耐折度较差，在实验室条件下无法准确测出，但随着玉米秆髓浆配比的增加，这一现象得到明显改善。纸张强度的增大主要是由于玉米秆髓浆的纤维短小，与废纸浆混合抄纸后，纤维会填补于纤维网络的空隙中，能够改善成纸的匀度（如图3所示）。从化学组成方面来说，玉米秆髓中含有一定量的糖类物质，其中的羟基、羧基等基团能够与纤维素中的羟基形成氢键，增加纤维的结合面积，从而提高纸张的强度。从图1可以看出，纸张的撕裂指数在玉米秆髓浆配比20％时达到最大，之后随着玉米秆髓浆配比的增加，成纸的撕裂指数下降，而且当玉米秆髓浆配比为30％时，成纸撕裂指数低于未加玉米秆髓浆的纸张，这是由于较高的玉米秆髓浆加入量导致纸张单位面积内长纤维的比例降低，使得纸张在撕裂时纤维比较容易从样品中拉出。另外，在实验过程中发现，随着玉米秆髓浆配比的增加，浆料的滤水性变差，这主要是由于玉米秆髓浆中薄壁细胞含量高所致。综上所述，玉米秆髓浆的适宜加入量为20％～25％，此时成纸强度较高。

图3 废纸浆样片（左）及添加玉米秆髓浆后纸浆样片（右）的显微镜观察图

3 结论

3.1 对玉米秆髓进行原料分析发现，玉米秆髓中聚戊糖和抽出物的含量较高，尤其是1％NaOH抽出物含量高达52.9％，但是纤维素含量较低，不适于直接用于制浆造纸。从原料组分的角度分析，玉米秆髓较适宜采用乙醇法蒸煮。

3.2 用自催化乙醇法蒸煮玉米秆髓，通过正交实验确定出最佳蒸煮条件：蒸煮最高温度185℃，保温时间150min，液比1∶25，乙醇体积分数60％。

3.3 将在最佳蒸煮条件下所得的玉米秆髓浆与旧箱纸板浆以不同的比例混合抄纸，成纸的强度性能得到了极大改善，玉米秆髓浆的适宜加入量为20％～25％（占总浆料量），与未添加玉米秆髓浆的纸张相比，成纸的抗张指数和环压指数分别提高70％和40％以上。这对于瓦楞纸、箱纸板等废纸纤维的再利用非常有益。

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