强韧竹木混合未漂长纤浆生产实践

刘平原 原兆兵 周鲲鹏 徐应盛 邱鹏福 周嘉玮

（湖南骏泰新材料科技有限责任公司生物基材料研究院，湖南怀化，418005）

我国是世界上纸和纸板生产与消耗大国，随着“禁废”令全面实施及“双碳”目标推进，加上国外对原木出口政策的收紧，我国制浆企业面临的木材原料尤其是针叶木原料短缺的结构性矛盾日益突出，这对我国制浆造纸行业的安全运行已经构成了威胁[1]。

第9次全国森林资源清查结果显示，我国竹林面积达641万hm2（其中毛竹林为467.78万hm2），占森林总面积的2.94%，竹林生物量为4.22亿t（其中毛竹林生物量为3.30亿t），主要分布在福建、江西、浙江、湖南、四川、广东、安徽、广西8省、区。有关研究报道，竹林具有很强的固碳能力，集约经营楠竹林每公顷每年碳汇超过12.7 t，具有显著的可持续再生利用特性[2-3]。

虽然竹木制浆造纸在我国有悠久的历史，竹纤维又具有天然抗紫外线、抑菌、吸湿等功能[4-5]，加之竹子属非木纤维，每年会自我更新，无需重新栽种，3~4年就可以砍伐利用，具有低碳环保、可持续发展的独特优势，有助于制浆原料的安全获得，但受装备、工艺、环保等制约，我国竹浆产量不高，且竹浆企业主要集中在四川。根据《中国造纸工业2020年度报告》分析，竹浆在国产纸浆中的占比仅2.15%，远低于木浆的14.6%。竹木通常被浆纸企业用来单独制浆，如四川永丰纸业、贵州赤天化纸业、重庆理文纸业等；也有浆纸企业将其与阔叶木混合制浆或单独制浆混合漂白的，如广宁鼎丰纸业、赣州华劲纸业等。由于竹木与针叶木物化性质相差较大，鲜有使用竹木与针叶木混合生产商品浆。鉴于毛竹制浆存在得率低、杂细胞含量高、设备结垢、白泥回收困难等方面的问题[6-8]，需要在竹木备料以及竹木混煮、混漂、筛分等方面采取针对性措施，以实现竹浆高值化应用。

湖南是我国楠竹（phyllostachys pubescens，又称毛竹）资源大省，而省内岳阳林纸与怀化骏泰科技每年又需从外地采购大量木片，利用湖南丰富的楠竹资源，替代部分针叶木，开发强韧竹浆助力湖南制浆造纸行业可持续发展，具有十分重要的意义。

1 实验与中试生产

1.1 实验原料及试剂

试生产所用竹木片全部为楠竹，取自怀化、常德、益阳等地，大部分为加工剩余料削片，少部分为新鲜大径楠竹削片；试生产所用马尾松木片取自湖南、贵州、广西等，均为马尾松原木加工剩余料削片。

蒸煮用白液为湖南骏泰新材料科技有限责任公司（以下简称骏泰新材料）碱回收自产。

1.2 仪器与设备

木片分析实验筛（PSFM-20，新乡新平航空机械有限公司）；自制仿真实验釜（JSC150，有效容积150 L，见图1）；PTI筛浆机（P40170.E000，规格0.2 mm，美国MK公司）；常规纸页成型器（2545，日本KRK公司）；PFI盘磨机（2511，日本KRK公司）；白度测定仪(70，瑞典L&W公司)；抗张强度测定仪(62，瑞典L&W)；耐破度测定仪(180，瑞典L&W公司)；撕裂度测定仪(9，瑞典L&W公司)；纤维分析仪（912，瑞典L&W公司）。

1.3 实验方法

1.3.1 实验室蒸煮、洗筛及氧碱脱木素

由于不同品种不同产地竹木物化特性及制浆工艺相差较大，为了保证楠竹与马尾松混煮试生产的正常运行，先利用自制JSC150仿真实验装置（见图1，按照工厂实际生产流程配置有温充兼置换黑液罐、热充黑液罐、白液罐、蒸煮釜和循环泵）进行模拟蒸煮。按楠竹与马尾松不同配比分别进行蒸煮，先将竹木混合片约40 kg（折合绝干约25 kg）装入锅内，然后泵入温充黑液约100 L，循环约30 min，再按碱分配量泵入白液，接着泵入热充黑液，最后泵入剩余的白液，将温充液顶出，进行升温蒸煮和保温。按设定H因子完成蒸煮后，用置换液对锅内浆料进行置换冷却，置换结束后排汽降温，最后打开卸料阀门，收集浆样和黑液进行实验分析。

图1 JSC150仿真实验装置Fig.1 Simulation experiment device-JSC150

将蒸煮浆样置于180目的布袋中，边用手搓揉边用清水清洗，然后将浆料放到PTI筛浆机中进行筛选，收集细浆和浆节浆渣。

将筛后浆料调节至浆浓10%装入氧脱反应釜内，通氧升温进行氧脱木素，结束后排汽卸压降温，取出浆样用清水洗涤备用。

通过对不同蒸煮用碱量、蒸煮碱分配、H因子、氧压、氧脱木素用碱量及温度等参数的优化，确定不同竹木配比条件下最佳蒸煮与氧脱工艺参数。

1.3.2 浆料筛分

分别用150目、360目金属网对浆料进行筛分，采用纤维分析仪对留存在不同网目上的浆样进行纤维形态分析。

1.3.3纸张性能检测

纸浆卡伯值（硬度）、抗张指数、撕裂指数、耐破指数、灰分、黏度、白度分别按国家标准GB/T 1546—2018、GB/T 12914—2018、GB/T 455—2002、GB/T 454—2020、GB/T 742—2018（575℃）、GB/T 1548—2016、GB/T 7974—2013测定。

1.4 工厂中试

原料质量配比为85（马尾松）∶15（楠竹），采用8×400 m3间歇蒸煮锅进行蒸煮后，浆料经过除节、洗涤、一段氧脱木素及三段洗涤后送浆板车间抄造。具体工艺流程见图2。

图2 浆料经蒸煮洗涤流程图Fig.2 Flow chart of pulp cooking and washing

2 结果与讨论

2.1 原料分析

2.1.1 成分分析

入厂竹木片水分偏差较大，水分含量为18%~49%，主要是竹木片来源不同所致，既有新鲜整竹加工的，也有竹产品加工剩余边角料切片的；竹木片中粗大片材平均含量低于马尾松片，但筛后长条含量较马尾松片高，且不同产地来材差距较大，说明削片质量参差不齐。具体结果如表1和表2所示，其中，粗大片是指截留在孔径40 mm、缝宽8 mm筛板上的超大超厚片；合格片是指尺寸为7~40 mm、厚度3~8 mm的部分；竹屑/木屑是指通过3.0 mm筛板部分。竹木片整体规格偏小，主要是没有使用竹木片专用削片设备，且大部分竹木片未经筛选。

表1 竹木片成分占比分析Table 1 Component analysis of bamboo chips %

表2 马尾松木片成分占比分析Table 2 Component analysis of masson pine chips %

2.1.2 蒸煮白液

取工厂现场白液进行检测，结果见表3。

表3 蒸煮白液Table 3 Composition of white liquor

2.1.3 组分分析

对不同产地不同原料进行了组分分析，其中竹木片为采购部门寄样，马尾松片为湖南骏泰新材料现场取样，结果见表4。从表4可知，不同产地竹木片灰分、氯离子、SiO2含量相差较大，但都明显高于马尾松，怀化楠竹的灰分、氯离子、SiO2含量分别是怀化周边马尾松的3.2倍、3.4倍和3.5倍；楠竹聚戊糖及木素含量较高，其密度、1%NaOH抽出物远高于马尾松。

表4 不同材种组分分析Table 4 Chemical composition analysis of various raw materials

2.2 仿真实验

2.2.1 蒸煮工艺

通过大量实验分析以及相关竹浆企业生产实践，发现竹木结构致密、蒸煮周期长，大部分竹木杂细胞与1%NaOH抽出物含量均高达25%~30%，且含有一定数量的蛋白质、果胶、淀粉、蜡、脂肪等胶黏类物质[9]。基于上述分析，确定楠竹单独蒸煮用碱量为16.3%（AA，以Na2O计），马尾松及木片混合蒸煮用碱量为17.8%（AA，Na2O计），工艺参数详见表5。

表5 蒸煮工艺参数Table 5 Cooking process parameters

2.2.2 蒸煮浆料及黑液分析

对蒸煮浆料及蒸煮黑液进行检测分析，结果见表6。从表6可知，尽管楠竹密度大，木素含量高，但在较低用碱量、较低H因子情况下，竹浆卡帕值仅为22，说明楠竹比松木更易蒸煮。随着竹浆掺配比例增加，蒸煮浆料卡伯值、细浆得率、纤维平均长度等呈下降趋势，黏度则有所上升，但白度提升不明显。

表6 蒸煮浆料及黑液分析Table 6 Analysis of cooking pulp and black liquor

2.2.3 打浆与抄片

采用PFI磨将原料打浆至（40±2）oSR，抄片定量60 g/m2，检测其强度性能，结果见表7。从表7可知，竹浆打浆度上升快，单独楠竹浆抄片强度尤其是耐破指数较低；在30%配比范围内，随着竹浆配比上升，纸张抗张强度呈上升趋势，耐破度变化不明显，当竹浆配比达50%时，纸张抗张指数、耐破指数下降明显。总体来说，在马尾松中配比小于30%的竹浆，对浆料强度的影响不明显，但打浆度上升较快，同样叩解度下所需打浆转数明显低于松木浆，这与相关研究结论一致[10]。

表7 不同竹浆配比纸张强度Table 7 Paper strength of different proportion bamboo pulp

2.2.4 竹浆筛分实验

为了检验杂细胞对纸张强度的影响，对柳州撑篙竹制成的浆料进行筛分，并打浆抄片，检测其纸张强度，结果见表8。从表8可知，竹浆经筛分后，相同打浆度所需转数明显上升，且纸张撕裂指数、耐破指数均高于筛分前，尤其是撕裂指数增加明显。另外，筛分后抄片过程纤维流失明显低于筛分前。通过显微镜进一步观察，发现这种长约0.4 mm左右的竹浆碎片，大部分呈不规则颗粒状或块状（见图3），易碎片化，导致打浆度快速上升。

图3 筛分前楠竹浆光学显微镜照片（20×10）Fig.3 Optical microscope of before screening bamboo pulp samples（20×10）

表8 柳州撑篙竹筛分前后纸张强度对比Table 8 Strength comparison of Guangxi bambusa pervariabilis before and after screening

2.3 中试生产

2.3.1 蒸煮与氧脱木素工艺根据仿真实验结果，同时为避免腊质与树脂类物质对运行和质量的不良影响，蒸煮时添加了少量树脂控制剂，采用二段氧脱木素。蒸煮与氧脱木素工艺参数分别见表9、表10。

表9 蒸煮工艺参数Table 9 Cooking process parameters

表10 氧脱木素工艺参数Table 10 Oxygen delignification process parameters

2.3.2 放锅浆料卡伯值及黑液性质

放锅浆料和黑液性质分析结果见表11和表12。从表11、表12可知，放锅卡伯值相差不大，卡伯值均在39左右；松木浆掺配竹浆后，循环残碱明显降低，从19.2 g/L下降到17.7 g/L，1#热充黑液槽残碱也随之下降1.0 g/L，说明竹木片在蒸煮过程中消耗了较多的碱；掺配竹浆后黑液成分变化不明显，但黑液氯离子含量上升较快。

表11 放锅浆料及黑液分析Table 11 Analysis of cooking pulp

表12 黑液性质分析Table 12 Analysis of black liquor properties

2.3.3 浆节浆渣

图4掺配竹浆前后浆渣量对比图。由图4可知，掺配竹浆后，浆节浆渣量有明显上升。取渣节量分析，其中竹节竹渣占比很小，主要是木节木渣，说明竹木片在蒸煮时消耗了较多的碱，导致松木片蒸煮不均匀。

图4 掺配15%竹浆前后筛选渣浆量对比Fig.4 Comparison of knots&rejects amount before and after mixing 15%bamboo pulp

2.3.4 成品质量分析

成品质量分析见表13。从表13可知，掺配15%的竹浆，对成品质量强度及白度等指标影响很小；掺配前后质量改变较大的是纸浆卡伯值，从33.6上升到36.0。这是由于是竹木片规格小、细小组分多，消耗了较多的蒸煮用碱，导致松木片蒸煮均匀性下降，残余木素高所致。

表13 成品质量主要指标对比Table 13 Comparison of main indicators of product quality

2.3.5 运行分析

竹纤维细胞壁结构与针叶木材差异很大，竹纤维纹孔小且少，不利于蒸煮药液渗透，生产高卡伯值浆料时浆节浆渣量较高，且竹浆制浆黑液中硅、氯、钾等含量较高，易引起蒸发结垢、碱炉积灰、石灰窑结圈等问题，此次试生产时竹浆掺配比例控制在15%。生产运行中主要变化为：蒸煮循环残碱偏低，浆节浆渣量明显增加；浆料滤水性有所下降，表现在2#DD洗浆机滤液电导率上升，中段废水CODCr浓度上升；抄浆与碱回收运行未见明显变化。

2.3.6 中段废水变化情况分析

中段废水分析结果见表14。从监测情况来看，掺配竹浆时废水排放量未见明显变化，但废水进水CODCr浓度上升明显，其中蒸发与木片水洗排放的废水CODCr浓度变化不大，主要是制浆排放的废水CODCr浓度上升很快所致。由于此次试生产期间，氧脱木素后1台双辊洗浆机因故障未运行，待该台双辊恢复正常运行后，制浆排放的中段废水CODCr浓度将下降，不会影响废水站正常运行。但在同一工况下，说明掺配竹浆后，浆料洗涤效率下降。

表14 掺配竹浆前后中段废水CODCr浓度对比Table 14 Comparison of CODCr concentration before and after mixing bamboo pulp

3 结 论

3.1 试生产期间外购的竹木片规格偏小，需改进削片设备以提高竹木片合格率；新鲜楠竹抽出物含量高，需要适当储存，建议削片后存放30~40天，以降低蒸煮碱耗；竹木片需要进行高效筛选和水洗，尽量减少竹屑及泥沙混入。

3.2 竹木片在蒸煮初期碱耗较高，与其抽出物含量高有关，掺配生产时应注意碱分配，避免循环残碱过低造成木片蒸煮不均匀，可适当增加热充用碱量以及热充黑液量，并尽量将富含抽提物的黑液置换出蒸煮送蒸发。当楠竹浆配比为20%~30%时，合适的用碱量为17.8%~18.2%（AA，以Na2O计），白液硫化度26%~30%，温充、热充、蒸煮用碱量配比为15%∶25%~30%∶60%~55%，蒸煮最高温度158~160℃，H因子1050~1150，浆料卡伯值35~40。

3.3 掺配15%楠竹后，渣节量明显增加，说明蒸煮均匀性不够，需要优化用碱量分配，浆料滤水性性能下降，制浆中段废水CODCr浓度上升较快，需要加强浆料洗涤；掺配比例小于30%楠竹浆对纸张质量影响不大，但在同一打浆度下打浆转数下降明显。