不同级分蔗渣的制浆性能

范述捷　刘秋娟　文　杰

(天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457)



不同级分蔗渣的制浆性能

范述捷刘秋娟*文杰

(天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457)

摘要：选用不同目数的筛网对蔗渣进行分级处理，研究了不同级分蔗渣的纤维形态及由其制得的化学浆和化机浆的性能。结果表明，随着筛网目数的增大，各级分蔗渣原料的平均纤维长度逐渐减小，纤维粗度先减小后增大；蔗渣各级分制得浆的性能存在一定差异，通过40目筛网的级分与其他各级分差别较大。对化学浆而言，保留在40目筛网以上的各个级分的卡伯值和得率相差不是太大，而40目筛网以下级分的化学浆性能很差，应尽量予以除去；对化机浆而言，通过40目筛网的级分制得浆的松厚度较其他级分大，尘埃度极高，对抗张强度和耐破度影响较大，对环压强度和挺度影响相对较小。若对纸浆白度的要求不高，可适当保留40目筛网以下的级分，以提高松厚度。无论是化学浆还是化机浆，40目筛网以上的各个级分之间的机械强度差异均不是太大。

关键词：蔗渣；分级；化学法制浆；化学机械法制浆

蔗渣是一种重要的非木材纤维原料，与其他非木材纤维原料一般过于分散、难以收集不同，蔗渣作为制糖产业的副产品，是一种高度集中的原料资源。蔗渣的主要化学成分是纤维素、半纤维素和木素，其硅含量低于其他禾草类原料，灰分含量仅为稻草的 1/5、麦草的1/3～1/2，碱回收难度相对较小；蔗渣价格低廉，糖厂榨季较短，糖纸结合可提高糖厂的竞争力[1-3]。但是蔗渣中含有蔗髓，蔗髓存在于蔗渣中，粉状，是呈海绵状规律排列的一个薄壁细胞群，特点是腔大、壁薄，在蒸煮过程中易吸收药液，对成浆性能也有一定影响。

据文献报道，蔗渣全部位纤维的数均长度为1.7 mm 左右[4]，比阔叶木纤维稍长，长宽比为77，与多数阔叶木纤维相近[5]。从化学组成和矿物质元素分布来看，筛分处理后蔗渣的灰分、热水抽出物、1%NaOH抽出物、苯-醇抽出物和多数金属元素均随着筛网目数的增加而增大，而蔗渣中纤维素的含量则随着筛网目数的增加而降低[6]。从外观来看，蔗渣中留存于10目与30目筛网之间的组分颜色较浅、尘埃较少、粗细适中，有可能适合于生产化机浆。另外，在一些煤炭资源缺乏的地区，蔗渣通常被用作燃料。鉴于上述情况，可以考虑将蔗渣进行分级，把制浆性能好的蔗渣组分用于制浆造纸，制浆性能差的组分用作燃料，从而可以提高蔗渣浆的质量。

本实验采用不同目数的筛网对蔗渣原料进行分级处理，分析了各级分蔗渣的纤维形态特征。在此基础上进一步探讨了各级分蔗渣原料制得的化学浆和化机浆的性能。旨在分别选出生产化学浆和化机浆性能较好的蔗渣级分用于制浆，以指导工业生产，提高蔗渣浆的质量，发掘蔗渣纤维原料制浆造纸的潜能。

1实验

1.1原料

蔗渣，取自广西博庆食品有限公司石别糖厂，已除髓，称之为蔗渣原料，避光晾干，贮存于密封塑料袋中平衡水分，备用。

阔叶木P-RC APMP，取自工厂的浆料，简称阔叶木PA。

1.2实验方法

1.2.1蔗渣原料分级

用5目、20目和40目的筛网对蔗渣原料进行筛分分级，得到保留在5目以上的级分(用+5目表示)、通过5目而保留在20目以上的级分(用5～20目表示)、通过20目而保留在40目以上的级分(用20～40目表示)和通过40目的级分(用-40目表示)，分别贮存于不同密封塑料袋中平衡水分备用。

1.2.2蔗渣化学浆的制备

采用配备4个小罐的KRK立式旋转蒸煮器对各级分蔗渣进行蒸煮。蒸煮完成后，取出浆料并挤出黑液，供后续检测用。

1.2.3蔗渣漂白化机浆的制备

采用ZQS1-15电热回转式蒸煮锅对各级分蔗渣进行预浸渍，然后用JS10挤压疏解机进行挤压疏解，再使用NO.2500-Ⅱ KRK磨浆机进行磨浆，得到的未漂化机浆经筛选后，在聚乙烯塑料袋中进行漂白，制得漂白化机浆。

1.2.4打浆与抄纸

控制打浆浓度10%，用PFI磨打浆至指定打浆度或游离度，按照ISO 5269/2—2004抄造手抄片。

1.2.5纤维形态分析

对蔗渣原料，先用冰醋酸和H2O2混合溶液(1∶1)处理48 h，使其分散成单根纤维，而后使用L&W纤维形态分析仪分析纤维形态特征[7]。对蔗渣浆，直接使用L&W纤维形态分析仪进行分析。

1.2.6蒸煮检测

蒸煮后细浆卡伯值按照国家标准GB/T 1546—2004进行测定[8]。黑液残碱、细浆得率和筛渣率按照文献[7]中的测定方法进行测定。

1.2.7手抄片物理性能的检测

手抄片白度、抗张指数、环压强度等按照国家标准方法进行测定。挺度用TMI K416弯曲挺度仪测定，选择测量的弯曲长度25 mm，角度15°。采用尘埃度检测软件Spec & Scan 2000，配合扫描仪EPSON PERFECTION V500 PHOTO，对手抄片尘埃度进行测定分析，初始灰度值设定为128。

2结果与讨论

2.1蔗渣原料筛分实验及不同级分的纤维形态分析

2.1.1蔗渣原料筛分实验结果

对蔗渣原料进行筛分分级处理，不同级分蔗渣所占比例如表1所示，不同级分的蔗渣的形态见图1。

表1　蔗渣原料中不同级分所占比例　%

2.1.2不同级分蔗渣的纤维形态

纤维形态的测定对评价纤维原料质量、设计生产工艺、预估成品质量等至关重要[9]。采用L&W纤维形态分析仪对蔗渣原料及不同级分纤维的形态参数进行测定，本实验未统计长度小于0.1 mm的细小纤维。测定结果见表2，蔗渣原料及不同级分质均纤维长度的分布如图2所示。

从表2可以看出，随着筛网目数的增大，不同级分的质均纤维长度逐渐减小。而不同级分的质均纤维宽度相差不大，其中20～40目级分的质均纤维宽度最小，-40目级分的质均纤维宽度最大。-40目级分长宽比较小，主要是一些短而粗的非纤维细胞，可能不适合制浆造纸。保留在40目筛网以上的不同级分的纤维粗度随着筛网目数的增加而减小，这符合纤维粗度随纤维长度的增加而增加这一规律[10]，而-40目级分中非纤维细胞含量比较高，平均粗度较大。

图1　不同级分蔗渣形态

质均纤维长度/mm质均纤维宽度/μm粗度/μg·m-1+5目1.11524.5135.55～20目0.93525.5117.220～40目0.78924.2107.3-40目0.48727.4135.8蔗渣原料0.86824.5118.9

图2　蔗渣原料及不同级分质均纤维长度的分布

从图2可以看出，随着筛网目数的增加，不同级分蔗渣中的长纤维比例逐渐减少，短纤维的比例逐渐增加。40目以上各级分的质均纤维长度大部分集中于0.25～0.35 mm之间，而-40目级分的质均纤维长度集中在0.15～0.25 mm之间，且短纤维比例很大。

2.2不同级分蔗渣化学法制浆

2.2.1蒸煮实验

烧碱法被广泛应用于蔗渣化学法制浆，且技术成熟。本实验采用烧碱-蒽醌法对分级蔗渣进行蒸煮，蒸煮条件为：用碱量14%，蒽醌用量0.05%，液比1∶6，最高温度160℃，升温时间55 min，保温时间10 min。蒸煮完成后分离纸浆和黑液，检测纸浆卡伯值、得率及黑液残碱，实验结果如表3所示。

从表3可以看出，相同蒸煮条件下，20～40目级分的卡伯值最低，+5目级分的细浆得率最高，-40目级分的卡伯值最高，细浆得率较其他各级分低，其主要原因是-40目蔗渣级分的热水抽出物和1%NaOH抽出物的含量高[6,11]。在蒸煮初期抽出物会消耗大量的碱，因而与木素反应的碱减少，致使蒸煮之后浆的卡伯值很高，约为保留于40目之上各级分的2倍。另外，抽出物含量高，还会造成成浆得率低。-40目级分的粗渣率较5～20目和20～40目两级分的低，原因是-40目级分原料含有较多尺寸较小的组分，筛浆过程中可直接通过0.25 mm的筛缝。蔗渣原料蒸煮后的卡伯值较保留在40目以上的不同级分的卡伯值高，筛渣率高，原因是蔗渣原料中含有-40目级分，说明除去-40目级分可有效地除去非纤维细胞，提高蔗渣浆的质量，并在一定程度上减少化学品用量。另一方面，有文献表明，-40目级分中硅含量较其他级分高[6]，除去-40目级分可有效减少蒸煮器和输送管道结垢的风险以及造成黑液碱回收的硅干扰问题。

表3　不同级分蔗渣蒸煮实验结果

2.2.2不同级分蔗渣化学浆纤维形态分析

纸浆的纤维形态参数是评价纤维质量的重要依据，而纤维质量的好坏又与纸浆质量和纸张质量密切相关[12-13]。一般认为，纤维长度是纸浆纤维的一个重要参数，因为纤维长度对纸张性能影响十分广泛，几乎遍及所有的强度指标，抗张强度、撕裂度和耐破度均随着纤维长度的增加而有所提高[14-15]。不同级分蔗渣化学浆的纤维形态分析结果如表4所示。

表4　不同级分蔗渣化学浆纤维形态分析

从表4可以看出，随着筛网目数的增加，各级分的质均纤维长度逐渐减小，保留在40目筛网以上的各级分的质均纤维宽度变化不大。-40目级分的质均纤维长度很小(0.457 mm)，质均纤维宽度和粗度较大。

分析表2与表4中的数据可以看出，蔗渣经过烧碱-蒽醌法蒸煮之后，纤维平均长度变化不大，纤维平均粗度变化较大。

表5　不同级分蔗渣化学浆手抄片的物理性能

2.2.3不同级分蔗渣化学浆物理性能比较

将各级分蔗渣化学浆打浆至打浆度(30.0±1.0)°SR，并进行手抄片的抄造，检测各项物理性能，实验结果见表5。

由表5可知，在相同打浆度下，随着筛网目数的增加，保留在40目筛网以上的各级分蔗渣化学浆的抗张指数、撕裂指数、耐破指数、零距抗张指数均缓慢减小，而-40目级分化学浆的各项物理性能均较其他各级分的小得多。

总体来看，保留在40目筛网以上的各个级分化学浆的得率、硬度和物理性能相差都不是太大，而-40目级分化学浆的硬度和各项物理性能均很差。

2.3不同级分蔗渣化学机械法制浆

蔗渣化学机械法制浆的具体工艺条件如表6所示。

表6　蔗渣化机浆的制浆工艺条件

在表6条件下对不同级分蔗渣进行冷碱处理、磨浆和漂白，得到蔗渣漂白化机浆，制浆和漂白过程中的检测结果见表7。将制得的漂白化机浆打浆至相同游离度，进行纤维形态检测和手抄片的抄造，纤维形态和物理性能的测定结果见表8。

由表7可知，相比于其他级分的蔗渣而言，-40目级分的蔗渣在冷碱浸渍和漂白后的得率较低，白度也较低，这说明-40目级分蔗渣中的蔗髓等非纤维细胞对浸渍和漂白有一定影响，主要原因是-40目级分蔗渣中的1%NaOH抽出物和灰分含量较其他级分的多，灰分中的铜、铁、锰等金属离子在纸浆漂白过程中会分解漂剂，产生较多无选择性的·OH、·OOH，降解碳水化合物，影响漂浆得率和白度以及稳定性[6,16]。蔗渣原料中含有-40目级分21.8%，所以其白度和得率较其他级分的低些。

表7　不同级分蔗渣化机浆制浆和漂白检测

总的来看，蔗渣化机浆的可漂性比阔叶木化机浆差，特别是-40目级分的蔗渣化机浆。

表8　不同级分蔗渣漂白化机浆的纤维形态特征和手抄片的物理性能

从表8可以看出，各级分蔗渣漂白化机浆纤维的质均纤维长度与各级分蔗渣的质均纤维长度变化规律基本一致，而各级分的粗度随着筛网目数的增加而增加，这可能与蔗渣纤维自身的粗度有关。

保留在40目筛网以上的各级分蔗渣化机浆所抄手抄片的松厚度变化不大，均较-40目级分的松厚度小，这可能与各级分浆纤维的粗度有关。随着筛网目数的增加，保留在40目筛网以上的各级分蔗渣化机浆的抗张指数和耐破指数缓慢减小，但均较-40目级分的大，这与纤维形态分析中纤维长度的变化规律呈相近趋势。+5目、5～20目和20～40目级分的抗张指数分别为-40目级分的1.7倍、1.6倍和1.5倍；+5目、5～20目和20～40目级分的耐破指数分别为-40目级分的2.1倍、1.8倍和1.7倍。蔗渣原料化机浆的抗张指数和耐破指数介于5～20目级分和20～40目级分之间。各级分蔗渣化机浆的挺度随着筛网目数的增加而减小，由于挺度不仅与手抄片的弹性模量有关还与手抄片的厚度有关[17]，所以-40 目级分的挺度与保留在40目筛网以上的各个级分的挺度相差不大。就各级分手抄片的环压强度而言，20～40目级分最大，-40目级分最小。

-40目级分的化机浆尘埃度远高于其他各个级分的，蔗渣原料由于含有-40目级分，制得的化机浆尘埃度也高于其他级分的。这说明蔗髓是影响蔗渣化机浆尘埃度的主要因素。另一个影响蔗渣化机浆尘埃度的因素是颜色较深的甘蔗表皮层。表皮层由厚壁细胞组成，结合强度高不易裂开，蔗渣原料筛分分级后多存在于+5目级分中，所以+5目级分尘埃度高于5～20目级分的尘埃度。5～20目级分较20～40目级分中蔗髓含量较少，所以尘埃度较低。

综上所述，保留在40目筛网以上的各个级分化机浆的得率和物理性能相差均不是太大，除松厚度外，-40目级分蔗渣化机浆的物理性能均较差。一方面是由于-40目级分蔗渣的纤维长度较小，宽度较大；另一方面，-40目级分蔗渣中含有较多的非纤维细胞，其长度极短，黏结、交织能力较差。

与工厂生产的阔叶木PA相比，+5目和5～20目级分蔗渣化机浆的挺度均较大，+5目、5～20目和20～40目级分蔗渣化机浆的环压强度均略大。

3结论

3.1随着筛网目数的增加，各级分蔗渣的质均纤维长度逐渐减小，+5目级分的质均纤维长度是-40目级分的2.3倍。除-40目级分外，各级分的纤维粗度随着筛网目数的增加而减小。

3.2相同蒸煮条件下，各级分蔗渣所制得的化学浆的卡伯值和细浆得率也存在差异，其中保留在40目筛网以上的各级分蔗渣化学浆的卡伯值和细浆得率相差较小，而通过40目筛网以下级分蔗渣化学浆性能很差。

3.3在相同打浆度下，随着筛网目数的增加，各级分蔗渣化学浆的各项物理强度均逐渐减小，其中-40目级分的各项物理强度均较其他各级分小得多。所以在化学浆的制浆过程中除去-40目级分蔗渣化机浆很有必要。

3.4不同级分蔗渣化机浆手抄片的物理性能不同，随着筛网目数的增加，40目筛网之上各级分蔗渣化机浆手抄片的抗张指数、耐破指数、环压强度和挺度以及松厚度相差不大；-40目级分蔗渣化机浆松厚度较好，但其他强度指标较差。在不考虑强度和尘埃度的情况下，可以适当保留一部分-40目级分，以提高松厚度。

3.5蔗渣化机浆的可漂性比阔叶木化机浆差，特别是-40目级分的蔗渣化机浆。

3.6对蔗渣原料进行分级处理，选择合适的级分可制得机械性能与阔叶木化机浆相当的蔗渣化机浆。

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(责任编辑：常青)·水性油墨废水·

The Pulping Performances of Various Bagasse Fractions

FAN Shu-jieLIU Qiu-juan*WEN Jie

(TianjinKeyLabofPulp&Paper,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin, 300457) (*E-mail: liuqiujuan@tust.edu.cn)

Abstract：The bagasse was classified into various fractions by screen with different meshes. The fiber morphology of various fractions, and properties of chemical and chemi-mechanical pulp were studied. The results showed that with the increase of the screen meshes, the fiber length of the fraction decreased, and the fiber coarseness of the fraction decreased firstly, then increased. The properties of pulps made from various fractions were different, especially the fraction passing through 40 mesh screen (-40 fraction). In terms of chemical pulping, there was no obvious difference in kappa number and yield between various fractions retained on 40 mesh screen, while the chemical pulping performance of the -40 fraction was very poor, which should be removed as more as possible. In terms of chemi-mechanical pulping, the bulk of the -40 fraction was higher than those of other fractions. The dirt count, tensile index and burst index of the -40 fraction was very poor, while its ring crush and bending stiffness were slightly worse than those of others. If brightness is not important, a few parts of the -40 fraction can be retained to increase the bulk of the pulp. There was no significant difference in strength properties between various fractions retained on 40 mesh screen of the chemical or chemi-mechanical pulp.

Key words：bagasse; classification; chemical pulping; chemi-mechanical pulping

中图分类号：TS721

文献标识码：A

DOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.03.002

*通信作者：刘秋娟女士，E-mail:liuqiujuan@tust.edu.cn。

收稿日期：2016- 01-17(修改稿)

作者简介：范述捷先生，在读硕士研究生；主要研究方向：清洁制浆与木质资源综合作用。

·蔗渣分级制浆·