混合商品桉木片原料硫酸盐浆氧脱木素工艺优化

薛 斌，李 群，王 彪

(天津市制浆造纸重点实验室，天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津 300457)

混合商品桉木片原料硫酸盐浆氧脱木素工艺优化

薛 斌，李 群，王 彪

(天津市制浆造纸重点实验室，天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津 300457)

针对混合商品桉木片硫酸盐法制浆漂白过程强度损失较为严重问题，利用正交实验方法完成混合商品桉木片硫酸盐浆氧脱木素工艺优化，确定在NaOH用量2%、时间60min、温度100℃、氧压0.5MPa、MgSO4用量0.2%的条件下，纸浆的打浆度为15°SR，其抗张指数达到39,N·m/g以上，黏度＞780mL/g．通过单因素实验，进一步探讨氧脱木素工艺中NaOH用量对于纸浆性能的影响，提出氧脱木素工段NaOH用量与纸浆黏度、卡伯值分别具有线性关系：Yη＝－17.84,XNaOH＋829.92，R²＝0.989,8；Ykappa＝－0.62,XNaOH＋10.56，R²＝0.995,9．

混合商品桉木片；氧脱木素；纸浆性能

随着我国制浆造纸工业规模的不断扩大，木材原料资源紧缺的问题也日益突出[1]．为缓解这一问题，大量进口国外商品木材成为我国制浆造纸企业采取的重要措施之一[2–3]．但是，进口木片原料采购、运输等环节中存在着诸多问题，很难保证稳定的木片原料质量，从而导致制备的纸浆普遍存在纸浆强度差、尘埃度高等缺陷，限制了进口商品木片原料的应用比例．为了最大程度上克服原料本身质量问题所导致的不利影响，针对原料质量特点，在常规制浆工艺基础上进一步探索进口商品木片原料特点，提出与之适应的工艺优化方案，成为企业降低原料成本、提高纸浆质量所必须面对的重要课题．

本文针对目前制浆企业普遍采用的、对于纸浆强度影响较为显著的氧脱木素处理工艺，以进口商品桉木片混合原料自制硫酸盐浆为原料，开展氧脱木素工艺优化研究工作，探讨氧脱木素工艺因素对于纸浆性能的影响，为指导企业的实际生产提供实验数据支持．

1 材料与方法

1.1 原料

桉木原木片取自海南某制浆企业自有原料林场，削片后备用；国产商品桉木片、进口商品桉木片由海南某制浆企业提供．上述3种原料木片按m(原木片)∶m(国产商品木片)∶m(进口商品木片)＝10∶65∶25制备硫酸盐法桉木浆，所得浆料风干备用．原浆性能见表1．

表1 自制原浆基本性能Tab. 1 Basic performance of home-made virgin pulp

1.2 实验方法

1.2.1 氧脱木素工艺优化实验

以NaOH用量(A)、温度(B)、处理时间(C)、氧压(D)、MgSO4用量(E)为主要影响因素，设计L16(45)正交实验，完成氧脱木素工艺条件优化．因素水平表见表2.

表2 氧脱木素工艺优化的正交实验因素水平表Tab. 2Orthogonal factors for process optimization of oxygen delignification

1.2.2 氧脱木素过程NaOH与主要纸浆性能的相关性分析实验

在正交实验确定的反应温度、时间、氧压、MgSO4用量的条件下，以NaOH用量为变量，采用单因素实验方法，分析确定氧脱木素过程NaOH用量与国标规定的黏度、抗张强度等主要纸浆指标之间的定量关系．

1.2.3 短序漂白实验

根据当前典型的短序漂白流程，按D0-Ep-D1的漂序(实验条件见表3)完成氧脱木素阶段后的浆料漂白，用于纸浆性能评价．

表3 氧脱木素浆在D0-Ep-D1漂序的工艺条件Tab. 3Process conditions in the bleaching sequence of D0-Ep-D1 for oxygen delignification

1.2.4 纸浆性能分析

分别按照GB/T 12914—2008《纸和纸板·抗张强度的测定》、GB/T 10338—2008《纸浆·羧基含量的测定》、GB/T 1546—2004《纸浆·卡伯值的测定》和GB/T 1548—2004《纸浆·黏度的测定》进行抗张强度、羧基含量、卡伯值和特性黏度的测定．

2 结果与讨论

2.1 氧脱木素工艺优化

本文进行L16(45)的正交实验，以纸浆抗张指数为主要技术指标，综合考虑对于纸浆强度性能以及后续漂白处理影响较大的羧基含量、黏度、卡伯值性能参数，探讨氧脱过程的最佳工艺条件．正交实验的结果见表4．

表4 纸浆氧脱木素的正交实验结果Tab. 4 Orthogonal test results of oxygen delignification of pulp

2.1.1 抗张指数的极差分析

纸浆抗张指数是QB/T 1678—2007《漂白硫酸盐木浆》明确规定的纸浆产品质量标准之一，也是影响纸浆使用的最为重要的性能指标之一．如前所述，对于混合商品桉木片原料，纸浆强度特别是抗张强度偏低是制约其配抄应用的主要问题．因此，在制浆过程中通过工艺优化，最大程度保持其强度、避免氧脱处理造成强度损失是工艺优化的主要目标之一．抗张指数极差分析结果见表5．

表5 抗张指数的极差分析结果Tab. 5 Results of range analysis of tensile index

由表5可知：影响抗张指数的因素主次为NaOH用量＞MgSO4用量＞时间＞氧压＞温度；对纸浆抗张强度影响最大的因素为NaOH用量，影响程度要远高于其他因素；以提高纸浆抗张强度为目标获得的最优实验条件为A3E2C3D2B2．

2.1.2 纸浆黏度的极差分析

纸浆黏度是相关标准明确规定的另一重要的纸浆等级判断依据，同时也反映了制浆过程中纤维素的降解程度，间接影响到纸浆强度．氧脱木素过程中，保持较高的黏度水平，有利于后续漂白处理的参数选择，在一定程度上有利于获得良好的纸浆强度．纸浆黏度的极差分析结果见表6．

表6 纸浆黏度的极差分析结果Tab. 6 Results of range analysis of pulp viscosity

由表6可知：影响纸浆黏度的因素顺序为NaOH用量＞温度＞时间＞氧压＞MgSO4用量；以降低纸浆黏度为目标获得的最优实验条件为A1B1C1D2E2．

2.1.3 纸浆卡伯值的极差分析

卡伯值间接反映了氧脱木素过程中纸浆脱木素程度，作为纸浆可漂性评价指标之一，为进一步确定后续漂白工艺条件提供依据．根据表7的极差分析结果可知：影响纸浆卡伯值的因素顺序为NaOH用量＞温度＞时间＞氧压＝MgSO4用量；以降低纸浆卡伯为目标获得的最优实验条件为A4B3C4D4E2．

表7 纸浆卡伯值的极差分析结果Tab. 7 Results of range analysis of kappa number

2.1.4 纸浆羧基含量的极差分析

羧基含量在一定程度上体现了氧脱木素过程中，纤维素、半纤维素以及残余木素被氧化的程度，对于保持纸浆强度具有一定的作用[4–6]．根据表8的极差分析结果可知：影响纸浆羧基含量的因素顺序为NaOH用量＞MgSO4用量＞温度＞氧压＞时间，其中NaOH用量对纸浆羧基含量具有更为显著的影响；以提高纸浆羧基含量为目标获得的最优实验条件为A2E4B3D3C3．

表8 纸浆羧基含量的极差分析结果Tab. 8 Results of range analysis of carboxyl content

2.1.5 综合分析

综合以上实验结果，同时考虑可漂性等因素，确定最终优化工艺参数如下：NaOH用量2%、温度100℃、时间60min、氧压0.5MPa、MgSO4用量0.2%．根据该条件，完成验证实验，经后续D0-Ep-D1漂白处理，自制混合漂白浆的纸浆性能指标见表9．

表9 漂白浆的纸浆性能Tab. 9 Slurry ability of bleaching pulp

由表9可知：在打浆度为45°SR条件下，自制漂白浆纸浆抗张指数为71.52,N·m/g．参照QB/T 1678—2007《漂白硫酸盐木浆》对于阔叶木漂白硫酸盐浆的要求，自制漂白浆纸浆抗张指数和白度分别达到优等品的标准，黏度指标达到一等品的级别，可以满足生产应用要求．

2.2 在氧脱木素过程中NaOH用量与纸浆黏度、卡伯值的定量关系

根据氧脱木素工艺优化正交实验结果，NaOH用量对于各项指标均具有显著的影响．纸浆抗张指数、黏度分别为QB/T 1678—2007《漂白硫酸盐木浆》要求的重要强度性能指标，为便于了解NaOH用量对于纸浆强度性能的基本作用规律，在反应温度100℃、时间60min、氧压0.5MPa、MgSO4用量0.2%的条件下，分别对NaOH用量与抗张指数(测定时的打浆度为15°SR)、黏度、卡伯值指标进行单因素分析，结果如图1—图3所示．

纸浆的抗张强度受到纤维强度和纤维结合两方面的影响，是纸浆物理强度的一项重要指标，能够反映出纸浆性能的好坏．如图1所示，无论NaOH用量为多少，氧脱木素后的纸浆抗张指数都要低于表1中自制原浆的抗张指数42.43,N·m/g．这是因为纸浆氧脱的选择性较差，会明显降低纸浆的纤维形态如长度和宽度，减弱了纤维自身的强度，使得氧脱木素后的纸浆的抗张指数都低于自制原浆的抗张指数．

图1 NaOH用量与抗张指数的关系Fig. 1Relationship between NaOH dosage and the tensile index

图2 纸浆黏度与NaOH用量之间的关系Fig. 2Relationship between NaOH dosage and the viscosity

图3 NaOH用量对纸浆卡伯值的影响Fig. 3Influence of NaOH dosage on the kappa number of pulp

从图1还可以看出：随着NaOH用量的增大，纸浆的抗张指数会先变大后逐渐减小，并且在NaOH用量为2%左右，抗张指数达到最大．这是因为在NaOH用量为1%～2%时，随着NaOH用量增加，木素不断脱除，提高纤维间的结合，能够弥补纤维损伤对抗张指数造成的不利影响，促使抗张指数变大；在NaOH用量为2%～5%时，随着NaOH用量增加，纤维损伤越来越重，木素脱除促使纤维结合增强，但没弥补纤维损伤对抗张指数的不利影响，纸浆抗张指数会变小．

由图2、图3可知：纸浆的黏度与NaOH用量呈线性相关：Yη＝－17.84,XNaOH＋829.92，R2＝0.989,8；纸浆卡伯值与NaOH用量也呈线性相关：Ykappa＝－0.62,XNaOH＋10.56，R2＝0.995,9．众所周知，纸浆的黏度和强度是成正比关系的，但图2的黏度变化是直线，而图1的强度变化是曲线．这是因为纸浆的强度不仅受到纤维强度的影响，还会受到纤维结合的影响，在氧脱木素过程中，除了黏度下降外，纸浆卡伯值下降，说明木素脱除程度加深，纤维间结合增强，减缓纸浆强度的下降趋势，甚至会使得纸浆强度变大，因此纸浆强度和黏度变化趋势不同．

在氧脱木素过程中，随着NaOH用量的不断增加，残余木素脱出的同时，纤维素的降解也趋于严重，导致纸浆黏度和强度下降，对于质量较差的混合商品桉木片原料而言，纤维素的降解作用对于纸浆强度指标的影响更为严重，需严格优化和控制氧脱木素工艺加以解决，避免因强度问题造成纸浆质量等级下降．

3 结 论

(1)通过正交实验得出混合商品桉木片原料硫酸盐浆氧脱木素的最佳工艺条件为：NaOH用量2%、温度100℃、时间60min、氧压0.5MPa、MgSO4用量0.2%．其中纸浆抗张强度影响因素主次为NaOH用量＞MgSO4用量＞时间＞氧压＞温度．自制浆在最优条件下氧脱木素，后续D0-Ep-D1漂白处理，纸浆抗张强度和白度达到QB/T,1678—2007《漂白硫酸盐木浆》优等品的标准．

(2)纸浆的黏度和卡伯值与NaOH用量呈线性相关：Yη＝－17.84,XNaOH＋829.92，R2＝0.989,8；Ykappa＝－0.62,XNaOH＋10.56，R2＝0.995,9．

［1］ 詹怀宇，付时雨，李海龙. 浅述我国制浆科学技术学科现状与发展[J]. 中国造纸，2011，30(2)：49–57.

［2］ 任国庆，彭东梅，季爱坤. 山地速生杨木制浆特性探讨[J]. 黑龙江造纸，2012，40(4)：1–3.

［3］ 蒋忠道，许元春. 速生材杨木制浆工艺[J]. 西南造纸，2005，34(2)：35.

［4］ 李贤慧，钱学仁. 纸浆中的羧基及其对造纸过程和纸张性能的影响[J]. 中国造纸，2008，27(7)：51–57.

［5］ 郭延柱，傅英娟，李超，等. 纤维电荷对制浆造纸过程及纸张性能的影响[J]. 造纸化学品，2009，21(2)：16–21.

［6］ Bhardwaj N K，Duong T D，Hoang V，et al. Determination of fiber charge components of Lo-Solids unbleached kraft pulps[J]. Journal of Colloid and Interface Science，2004，274(2)：543–549.

责任编辑：周建军

Optimization of Oxygen Delignification Process for Sulfate Pulp of Mixed Eucalyptus Wood Chips

XUE Bin，LI Qun，WANG Biao

(Tianjin Key Laboratory of Pulp and Paper，College of Material Science and Chemical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China)

When the mixed eucalyptus wood chips were used in the kraft pulping and bleaching，strength loss was a relatively serious problem. The optimum parameters in the oxygen delignification for the sulfate pulp of mixed eucalyptus wood were obtained via orthogonal experiments．The alkali charge，reaction time，reaction temperature，oxygen pressure and dosage of MgSO4were 2%，60min，100℃，0.5MPa and 0.2%，respectively. Under the optimum process conditions，the tensile index and viscosity were respectively higher than 39,N·m/g and 780mL/g while the beating degree of pulp was 15°SR. The influence of the dosage of NaOH on slurry ability in the oxygen delignification was further studied with single factor experiments，in order to put forward the linear relationship between the dosage of NaOH，kappa number and the viscosity of the pulp：Yη＝－17.84,XNaOH＋829.92，R²＝0.989,8；Ykappa＝－0.62,XNaOH＋10.56，R²＝0.995,9．

mixed eucalyptus wood chips；oxygen delignification；the performance of pulp

TS71＋3

A

1672-6510(2014)04-0035-04

10.13364/j.issn.1672-6510.2014.04.008

2013–11–08；

2014–02–27

薛 斌（1989—），男，山东潍坊人，硕士研究生；通信作者：李 群，教授，liqun@tust.edu.cn.