两种桐木原料及制浆性能研究

袁金霞　卫　威,*　黄显南　王汉成

(1.广西大学轻工与食品工程学院,广西南宁,530004；2.广西清洁化制浆造纸与污染控制重点实验室,广西南宁,530004)



·桐木制浆·

两种桐木原料及制浆性能研究

袁金霞1,2卫威1,2,*黄显南1,2王汉成1,2

(1.广西大学轻工与食品工程学院,广西南宁,530004；2.广西清洁化制浆造纸与污染控制重点实验室,广西南宁,530004)

对两种桐木的干材和枝材纤维形态、化学组分进行分析,并对这两种桐木原料的硫酸盐法制浆性能进行初步探究。结果显示,两种桐木原料纤维平均长度0.7～0.85 mm,纤维平均宽度16.4～19.2 μm,长宽比38～51,属于短纤维原料；两种桐木原料的纤维素(硝酸-乙醇纤维素43%～47%)含量较高,酸不溶木素(17%～23%)含量相对较低,聚戊糖含量(22%～26%)与阔叶木材相当。这些特点使其易于蒸煮,制浆得率高,易打浆,而两种桐木原料的干材和枝材抽出物含量都稍高,这会增加蒸煮过程中化学药品的消耗；桐木的硫酸盐法制浆造纸性能良好,两种桐木原料的干材和枝材在成纸性能上无明显差异。

桐木；纤维形态；制浆性能

(*E-mail: weiwei_313@163.com)

桐树,为玄参科(Scrophulariaceae)落叶乔木,分布范围广,生长适应性强,耐寒、耐旱、耐盐碱、耐污染,具有生长迅速、抗性强、繁殖容易等优点,是城乡绿化、水土保持的重要树种。随着造纸工业的发展,造纸原料愈来愈紧张,而纸与纸板的需要量却连年增加。为缓解这一问题,开发新的适用于制浆造纸用的速生材尤为重要[1]。

本课题对两种桐木(人工培育桐木和普通泡桐)原料的纤维形态、化学组分,以及硫酸盐浆的制浆造纸性能进行了研究,为桐木的综合利用提供依据。

1　实验原料与方法

1.1原料

带皮桐木木块,取自广西某林业公司,选取部分有代表性的原料试样,去皮,备用。将备用原料沿纵向切成规格为1 mm×2 mm×30 mm的小木条试样,用于纤维质量性能分析。另取部分备用原料用Willey磨粉,取粒径245～350 μm的木粉,平衡水分,用于化学组分分析。将备用原料手工削片成25 mm×15 mm×3 mm的木片,平衡水分,用于蒸煮。

表1　两种桐木干材和枝材的化学组分分析　%

注RGG为人工培育桐木干材，RGZ为人工培育桐木枝材，PTG为普通泡桐干材，PTZ为普通泡桐枝材；以下同。

1.2方法

1.2.1纤维形态分析测定[2]

在60℃下,试样经冰醋酸和过氧化氢(体积比1∶1)浸泡约30～48 h,使试样变白、纤维分散。采用Kajani FS-300测定试样纤维的长度、宽度及细小纤维含量。

1.2.2化学组分分析[2- 4]

分别按照国家标准GB/T 2677.5、GB/T 2677.6、GB/T 2677.6、GB/T 2677.9、GB/T 2677.8、GB/T 2677.3测定1%NaOH抽出物、热水抽出物、苯-醇抽出物、聚戊糖、酸不溶木素、灰分,纤维素的测定采用硝酸-乙醇纤维素的方法。

1.2.3制浆及检测[2]

原料 → 间歇蒸煮 → 洗涤、筛选、净化 → PFI打浆 → 抄纸 → 检测纸张物理性能。

与工业生产实际相结合,采用硫酸盐法制浆。蒸煮工艺条件：装锅量100 g原料，用碱量18%(以NaOH计)，硫化度22%，液比1∶5，蒸煮最高温度170℃，升温时间90 min，保温时间120 min。

纸张的抗张指数、撕裂指数、耐破指数分别按国家标准GB/T 453、GB/T 455.1、GB/T 454测定。

2　结果与讨论

2.1两种桐木原料化学组成的比较与分析

木材原料的化学组成是评价其作为制浆原料质量好坏的重要依据。纤维素是造纸纤维原料的主要组分之一,也是纸浆的主要成分,根据其含量的高低可以推测纸浆的得率。表1所列为两种桐木干材和枝材化学组分分析结果。

由表1可知,两种桐木的干材和枝材的纤维素含量和桉木相当,其中普通泡桐的干材和枝材的纤维素含量最高,分别为47.51%和47.05%。两种桐木的聚戊糖含量相差不大,但是枝材的聚戊糖含量要稍高于干材的。植物原料中的另一个重要组分是木素,原料中木素含量越少,制浆消耗的化学品越少,纸浆也更容易漂白。由表1可知,桐木的木素含量要比竹子和桉木的低[4-8],两种桐木中干材的木素含量要比枝材的低。造纸原料中灰分的大小对一般制浆造纸生产影响不大,不过灰分含量越高,碱回收难度越大,化学药品消耗越大。1%NaOH抽出物含量的大小,在一定程度上可以说明原料受到光、热、氧化或细菌等作用而变质或腐朽的程度,也可以在一定程度上预见该原料在碱法制浆中制浆得率的情况[2]。由表1可知,人工培育桐木干材的1% NaOH抽出物含量和热水抽出含物量最高,分别31.78%和15.96%,说明其碱溶性纤维素和半纤维素含量较高,从而会导致制浆得率偏低。有机溶剂抽出物是造纸原料中的少量组分,它的存在使蒸煮时药品消耗增加,会延缓蒸煮过程,影响纸浆颜色,在酸性亚硫酸盐法制浆中可能造成“树脂障碍”不利于生产等。由表1中可知,桐木中的抽出物含量偏高,会对其化学制浆性能产生一定影响。

2.2纤维形态分析

纤维形态主要指纤维长度、宽度、长度和宽度的均一性、长宽比、壁厚、壁腔比等,是决定浆料质量的主要因素。纤维形态直接影响造纸工艺与浆纸性能,一般认为,纤维长度越长、纤维长宽比越大,纤维的交织能力越强、纤维更柔软,成纸强度就更高。表2所列为原料纤维的长度、宽度、长宽比测试结果。

表2　两种桐木干材和枝材纤维的长度、宽度、长宽比

从表2可以看出,两种桐木纤维平均长度较小,比三倍体毛白杨的纤维长度要短[9]。无论干材还是枝材纤维的宽度都非常小,比一些草类原料的纤维宽度还要小[10]。两种桐木纤维的长宽比较高都在40左右,人工培育桐木干材纤维的长宽比更是达到了51.7。纤维长宽比越大越利于纤维之间结合,有利于提高成纸的强度。从这方面来说两种桐木原料具备制浆造纸的先决条件。

2.3制浆性能分析

在实验室蒸煮工艺条件下,两种桐木干材和枝材制浆的得率及卡伯值见表3。由表3可见，人工培育桐木的干材和枝材在得率和卡伯值上没有太大区别,普通泡桐干材的得率稍高达到48.87%。两种桐木干材和枝材制浆的浆张强度见表4。

表3　两种桐木干材和枝材制浆得率和卡伯值

表4　两种桐木干材和枝材成浆的浆张强度

注PFI打浆转数6000 r。

由表4中可以看出,两种桐木原料比较容易打浆,且其硫酸盐浆物理性能指标良好。尽管人工培育桐木纤维长度优于普通泡桐,但其浆张强度与普通泡桐的相差不大。这可能是因为浆张强度的大小除了受纤维长度影响以外,还与纤维间结合力、柔软度以及纤维在纸张中的分布有关。普通泡桐的细小纤维含量略高于人工培植桐木,也可能对浆张强度有所影响。然而两种桐木原料纤维的平均长度较小,无论干材和枝材其撕裂强度都不够大。

3　结　论

3.1从原料组分看，人工培育桐木和普通泡桐的纤维素(硝酸-乙醇纤维素43%～47%)含量较高,酸不溶木素(17%～23%)含量相对较低,聚戊糖含量(22%～26%)和多数阔叶木材相当。这些特点使其易于蒸煮,制浆得率高,易打浆,而两种桐木原料抽出物含量较高,在蒸煮过程中会增加化学药品的消耗。

3.2两种桐木的纤维平均长度在0.70～0.85 mm,宽度在16.4～19.2 μm，尽管长宽比在40左右,但是纤维较短仍会对成纸的强度造成一定影响。

3.3两种桐木采用硫酸盐法制浆结果表明,两种桐木的干材和枝材在成浆性能上没有明显差异。

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(责任编辑：马忻)

Fiber Morphology and KP Pulping of Two Paulownia Woods

YUAN Jin-xia1,2WEI Wei1,2*HUANG Xian-nan1,2WANG Han-cheng1,2

(CollegeofLightIndustrialandFoodEngineering,GuangxiUniversity,Nanning,GuangxiZhuangAutonomousRegion, 530004)

The fiber morphology, chemical composition and KP pulping performance of two kinds of Paulownia wood were studied.The results showed that the average fiber length of two kinds of Paulownia wood material was in 0.7～0.85 mm, fiber width was in 16.4～19.2 μm, fiber length-width ratio value was in 38～51 which belonged to short fiber raw material. These two Paulownia wood material contain higher cellulose(nitro-ethanol celluloses 43%～47%) and lower acid insoluble lignin(17%～23%). Like most hardwood material, the content of pentosan was in 22%～26% .These features made them easy to cooking, beating and receiving high pulping yield, while the slightly higher content of extractives would increase the consumption of chemicals in cooking process. The KP pulp strength properties of Paulownia wood were good, and the stem wood and branch wood of Paulownia had no significant difference in pulping performance, Paulownia wood was suitable material for pulp and papermaking.

Paulownia wood; fiber morphology; pulp properties

袁金霞女士,在读硕士研究生；主要研究方向：造纸化学品。

TS721+.1

ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.07.016