许向阳　刘秋娟

(天津市制浆造纸重点实验室,天津科技大学,天津,300457)



桉木冷碱浸渍-挤压-硫酸盐法制浆的研究

许向阳刘秋娟*

(天津市制浆造纸重点实验室,天津科技大学,天津,300457)

将冷碱浸渍-挤压作为木片预处理方法,并应用于桉木硫酸盐法制浆的前段。探讨了冷碱浸渍-挤压的最佳工艺条件,研究了蒸煮工艺条件对预处理后料片蒸煮结果的影响,对比了未预处理原料与预处理后料片硫酸盐法蒸煮所得纸浆的强度性能。结果表明,木片经过冷碱浸渍-挤压后,易于蒸煮,从而可减少蒸煮用碱量或降低最高蒸煮温度、缩短保温时间,且蒸煮的均匀性得到改善,筛渣率降低、纸浆强度性能提高。最佳预处理工艺条件为浸渍用碱量2%,浸渍时间2 h,温度25℃,液比1∶5,挤压压缩比3∶1；与未预处理原料硫酸盐法蒸煮(用碱量21%)相比,预处理后料片在总用碱量(浸渍用碱量2%,蒸煮用碱量19%)相同的情况下,成浆卡伯值降低了1.7,细浆得率只降低0.14个百分点,且纸浆强度性能更优,其中,抗张指数、耐破指数、耐折度分别提高了7.0%、5.2%、66%,撕裂指数与未预处理原料硫酸盐法蒸煮所得纸浆相近。

桉木；硫酸盐法制浆；冷碱浸渍；挤压

对纤维原料进行预处理,提取半纤维素等物质并用于生产高值化产品,处理后的原料再用于制浆,是当前制浆与生物质精炼领域研究的热点[1-2]。目前,将生物质精炼与制浆造纸相结合的研究很多,主要集中在高温预水解或预提取半纤维素等糖类物质,并将这些糖类物质用于发酵生产乙醇等生物质能源和其他化学品[3- 4]。而关于低温或常温碱浸渍预处理对制浆过程和纸浆物理性能的影响等,目前尚未见报道。

原料的碱浸渍-挤压预处理首先应用在化学机械法制浆过程中。碱浸渍能够溶出部分半纤维素、木素、树脂酸、糖醛酸等耗碱类物质,同时可使木片软化；在螺旋挤压过程中,木片会受到拉伸、剪切、压榨等作用,其结构变得疏松,并形成了具有立体结构的蓬松木丝团[5],这增加了原料与药液的接触面积,药液能够更均匀、更快速地渗透到原料中。

Vena等[6]利用碱抽提半纤维素后的木片进行硫酸盐法蒸煮,以评估碱抽提对蒸煮化学品渗透、纸浆质量和手抄片强度的影响；结果表明,优化的碱抽提条件可减少后续蒸煮用碱量和缩短蒸煮时间,所得纸浆的黏度和强度略有改善。Zanuttini等[7]对木材碱浸渍脱乙酰基反应的研究发现,浸渍时的碱浓度和温度对碱浸渍脱乙酰基反应的影响显著。

Parkinson等[8]利用螺旋挤压机在压缩比分别为3∶1和5∶1的情况下,研究了多级浸渍挤压对黑云杉机械浆性能的影响；将压缩比从3∶1增大到5∶1,原料的堆积密度逐渐降低,其对药液的吸收能力增强,且金属离子得以去除；压缩比为3∶1时,未发现纤维被切断,而压缩比为5∶1时,可明显地观察到纤维被切断；螺旋挤压过程中,原料中的一些抽出物易被挤出,在一定程度上促进了原料对后续蒸煮药液的吸收。

庞志强等[5]先利用冷水浸渍杨木片48 h以上,然后用热水(95～100℃)浸渍20 min,在压缩比为4∶1的条件下进行挤压疏解,并对预处理后料片分别进行硫酸盐法与烧碱-蒽醌法制浆；结果表明,预处理后,在减少用碱量或降低最高蒸煮温度的条件下,2种蒸煮工艺所得纸浆的得率、卡伯值与未预处理相近,筛渣率明显减少,但纸浆的强度性能均有不同程度的降低。

本实验将冷碱浸渍与挤压相结合对木片进行预处理,然后对预处理后料片进行硫酸盐法蒸煮,即通过改进现有的硫酸盐法制浆工艺,提高蒸煮均匀性和纸浆质量。

1　实　验

1.1原料和主要设备

实验用原料为从澳大利亚进口的蓝桉木片,用10目筛网筛选后，将木片混合均匀,贮存、备用。

空气浴蒸煮器,型号NJKR-10,泰兴市新创环境工程有限公司生产；挤压疏解机,型号JS10,安丘汶瑞有限公司生产；蒸煮锅,型号No.2615,日本KRK公司生产；纤维测定仪,型号L&W 921,L&W公司生产；零距抗张强度仪,型号PULMAC 2400,美国PULMAC公司生产。

1.2冷碱浸渍-挤压预处理

采用空气浴蒸煮器对木片进行冷碱浸渍,液比为1∶5,然后用挤压疏解机挤压浸渍后的木片。将浸渍后木片用蒸馏水浸洗至近中性,然后风干、平衡水分,测其干度，最后计算得到浸渍后木片得率。

冷碱浸渍和后续蒸煮的用碱量均以NaOH计。

1.3硫酸盐法蒸煮及相关指标检测

将预处理后料片混合均匀后直接进行硫酸盐法蒸煮。未预处理木片的蒸煮工艺条件为：用碱量21%,硫化度25%,液比1∶5,最高蒸煮温度165℃,升温时间90 min,保温时间60 min。

按照国家标准GB/T 1546—2004测定细浆卡伯值。根据《制浆造纸分析与检验》中黑液有效碱、细浆得率和筛渣率的测定方法测定黑液中残碱、细浆得率(相对于处理前绝干木片而言)和筛渣率。采用纤维测定仪测定纤维长度。

1.4抄纸及纸张强度性能测定

采用PFI磨将纸浆打浆至相近打浆度(30°SR),然后用纸张成形器抄纸。分别按GB/T 453—2002、GB/T 454—2002、GB/T 457—2002和GB/T 455—2002测定抗张强度、耐破度、耐折度和撕裂度；采用零距抗张强度仪测定零距抗张强度。

2　结果与讨论

2.1预处理对后续硫酸盐法蒸煮的影响

冷碱浸渍时的用碱量和时间会影响浸渍效果。挤压程度会影响料片的疏松程度和蒸煮效果。

2.1.1浸渍用碱量对预处理后料片硫酸盐法蒸煮的影响

图1　浸渍用碱量对木片得率的影响

碱浸渍会促使纤维润胀,浸渍用碱量越高,纤维润胀程度越大,纤维细胞壁细小孔隙越多,这些孔隙相当于毛细管通道,使得药液在木片中的渗透阻力变小[9-10]。冷碱浸渍对纤维的软化作用使得木片在挤压过程中受到的损伤减小。图1为冷碱浸渍时的用碱量对木片得率的影响。从图1可以看出,用碱量为1%时,溶出物质的量有限；用碱量为2%时,碱溶性物质的溶出量较多,木片得率降低；再增加用碱量,木片得率基本保持不变。浸渍用碱量对预处理后料片硫酸盐法蒸煮结果的影响如表1所示。由表1可以看出,随着浸渍用碱量的增加,纸浆的卡伯值与细浆得率逐渐降低,但变化幅度不大。浸渍用碱量从0增加到1%时,纸浆卡伯值变化不明显；当浸渍用碱量由1%增加到2%时,纸浆卡伯值从17.2降至16.5；继续增加浸渍用碱量,纸浆卡伯值降低幅度不大。与未预处理原料的硫酸盐法蒸煮(1#)相比,预处理后料片硫酸盐法蒸煮的筛渣率较低,且随浸渍用碱量的增加,筛渣率呈降低的趋势,表明冷碱浸渍-挤压预处理可改善蒸煮的均匀性。浸渍用碱量对纸浆纤维长度的影响如图2所示。由图2可知,纸浆纤维长度随浸渍用碱量增加而逐渐增大,但变化幅度较小。综上所述,从经济角度考虑,后续实验选择浸渍用碱量为2%。

表1　浸渍用碱量对预处理后料片硫酸盐法蒸煮的影响

注1#为未预处理，2#为清水浸渍-挤压处理，3#～6#为冷碱浸渍-挤压处理；浸渍条件为常温,浸渍时间2 h；挤压压缩比为3∶1；预处理后料片的蒸煮工艺条件为：最高蒸煮温度165℃,升温时间90 min,保温时间60 min,液比1∶5,蒸煮用碱量19%,硫化度25%,下同。

图2　浸渍用碱量对纸浆纤维长度的影响

2.1.2浸渍时间对预处理后料片硫酸盐法蒸煮的影响

图3　浸渍时间对木片得率的影响

冷碱浸渍时间的长短会影响碱浸渍液在木片中的渗透程度和木片的润胀程度。木片中的空气会阻碍药液的渗透,且空气在药液中的溶解和扩散是一个缓慢的过程[11],因此，必须保证一定的浸渍时间,以使木片浸渍充分并发生润胀。浸渍时间太短,木片浸渍不充分,药液到达不了木片内部,纤维润胀不充分,在挤压过程中,木片会受到一定程度的损伤。浸渍时间太长会降低生产效率,且作用效果不显著。浸渍时间对木片得率的影响如图3所示。从图3可以看出,随着浸渍时间的延长,木片得率逐渐降低。浸渍时间为2 h 时,木片得率降低幅度较大,表明碱浸渍溶出的物质较多。再延长浸渍时间,木片得率降低幅度较小。 浸渍时间对预处理后料片硫酸盐法蒸煮结果的影响如表2所示。由表2可知,随着冷碱浸渍时间的延长,细浆得率和纸浆卡伯值缓慢降低。浸渍时间从1 h延长到2 h时,纸浆卡伯值从17.6降至16.5；继续延长浸渍时间,卡伯值变化不明显。浸渍时间从1 h延长到4 h时,细浆得率略有下降,筛渣率变化不大。浸渍时间对纸浆纤维长度的影响如图4所示。从图4可以看出,浸渍时间的延长会使纸浆纤维长度增大,但变化幅度不大。综上所述,后续实验选择浸渍时间为2 h。

表2　浸渍时间对预处理后料片硫酸盐法蒸煮的影响

注浸渍温度为常温,挤压压缩比为3∶1。

图4　浸渍时间对纸浆纤维长度的影响

2.1.3浸渍温度对预处理后料片硫酸盐法蒸煮的影响

浸渍温度不仅会影响纤维的润胀程度,也会影响药液在木片中的渗透情况。与热碱浸渍相比,冷碱浸渍时木材纤维的润胀效果更好。提高浸渍温度可以降低浸渍药液的黏度,软化木材中的树脂类成分,从而减小渗透阻力,提高药液的渗透效率。此外,碱抽提提取半纤维素时,通常要求温度低于90℃,以减少碳水化合物的降解[8]。同时，浸渍温度太高会影响蒸煮后所得纸浆的强度。因此,浸渍温度的确定需综合考虑多方面的因素。浸渍温度对预处理后料片硫酸盐法蒸煮结果的影响见表3。由表3可知,随着浸渍温度的提高,纸浆卡伯值和细浆得率逐渐降低,但变化幅度很小。这说明，提高浸渍温度对细浆得率和成浆卡伯值影响不大,而加热木片和碱浸渍液需要消耗热能,增加企业生产成本。所以,后续实验选择浸渍温度为25℃。

表3　浸渍温度对预处理后料片硫酸盐法蒸煮的影响

注挤压压缩比为3∶1。

2.1.4挤压压缩比对预处理后料片硫酸盐法蒸煮的影响

挤压压缩比对预处理后料片硫酸盐法蒸煮结果的影响见表4。由表4可知,当挤压压缩比为2∶1时,纸浆卡伯值和细浆得率与未预处理原料硫酸盐法蒸煮所得纸浆相差不大。当挤压压缩比增大到3∶1时,纸浆卡伯值降至16.5；与挤压压缩比为2∶1的纸浆相比，卡伯值降低了2.3。这说明挤压压缩比为2∶1时,木片受到的挤压程度较小,没有形成结构疏松的木丝团。此外,浸渍后木片中耗碱类物质挤出量也较少,这些物质会与蒸煮药液反应。增大挤压压缩比至 4∶1,纸浆卡伯值和细浆得率变化较小。综合考虑,挤压压缩比为3∶1较为适宜。

表4　挤压压缩比对预处理后料片硫酸盐法蒸煮的影响

2.2蒸煮用碱量对预处理后料片硫酸盐法蒸煮的影响

在优化的预处理工艺条件下,探讨了蒸煮工艺条件对预处理后料片硫酸盐法蒸煮的影响。

蒸煮用碱量对预处理后料片硫酸盐法蒸煮结果的影响如表5所示。从表5可见,在总用碱量减少4个百分点(即浸渍用碱量2%,蒸煮用碱量为15%(15#))的情况下,预处理后料片蒸煮所得纸浆卡伯值(17.9)比未预处理原料蒸煮(蒸煮用碱量21%)所得纸浆卡伯值(18.2)降低了0.3,而细浆得率提高0.45个百分点。这表明,预处理后料片变得容易蒸煮,脱木素速率加快。

表5　蒸煮用碱量对预处理后料片硫酸盐法蒸煮的影响

注蒸煮工艺条件：最高蒸煮温度165℃,升温时间90 min,保温时间60 min,硫化度25%,液比1∶5。

2.3最高蒸煮温度对预处理后料片硫酸盐法蒸煮的影响

蒸煮温度是保证原料分离成目标卡伯值纸浆的关键。蒸煮温度升高,脱木素速率加快,但碳水化合物的降解也加剧。结合表1和表6可以发现,在总用碱量相同的条件下,预处理后料片在最高蒸煮温度为160℃(18#)时即可达到目标卡伯值(18～20),且筛渣率很低,仅为0.02%。与未预处理原料硫酸盐法蒸煮相比,预处理后料片(4#)在总用碱量(浸渍用碱量2%,蒸煮用碱量19%)和最高蒸煮温度及保温时间都相同的情况下,成浆卡伯值降低了1.7,细浆得率只降低0.14个百分点。这表明,预处理后料片变得易蒸煮。

表6　最高蒸煮温度对预处理后料片硫酸盐法蒸煮的影响

注蒸煮工艺条件：蒸煮用碱量19%,升温时间90 min,保温时间60 min,液比1∶5,硫化度25%。

2.4未预处理原料与预处理料片硫酸盐法蒸煮所得纸浆的强度性能对比

总用碱量相同时，未预处理原料与预处理后料片经硫酸盐法蒸煮所得纸浆的强度性能对比如表7所示。从表7可以看出,预处理后料片硫酸盐法蒸煮所得纸浆的强度性能优于未预处理原料,其中,抗张指数、耐破指数、耐折度与未预处理原料相比分别提高了7.0%、5.2%、66%,撕裂指数与未预处理原料蒸煮所得纸浆相近。

表7　预处理前后纸浆强度性能的对比

3　结　论

在蒸煮之前,将冷碱浸渍与挤压相结合并对木片进行预处理。蓝桉木片最佳预处理工艺条件为浸渍用碱量2%,浸渍时间2 h,浸渍温度25℃,液比1∶5,挤压压缩比3∶1。

冷碱浸渍可使木片发生润胀和软化,进而挤压时纤维所受的损伤较小。挤压使得木片结构适当松散,提高了蒸煮初期药液向木片内部浸透的速率,从而缩短了蒸煮时间,降低了用碱量,改善了蒸煮的均匀性,降低了筛渣率,提高了纸浆强度。具体表现为：与未预处理原料硫酸盐法蒸煮(用碱量21%)相比,预处理后料片在总用碱量(浸渍用碱量2%,蒸煮用碱量15%)降低4个百分点的情况下,成浆卡伯值降低了0.3,细浆得率提高0.45个百分点。预处理后料片在总用碱量(浸渍用碱量2%,蒸煮用碱量19%)与未处理原料蒸煮用碱量相同的情况下,成浆卡伯值降低了1.7,细浆得率只降低0.14个百分点,且纸浆强度性能优于未预处理原料,其中,抗张指数、耐破指数、耐折度分别提高了7.0%、5.2%、66%,撕裂指数与未预处理原料硫酸盐法蒸煮所得纸浆相近。

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(责任编辑：陈丽卿)

Eucalyptus Kraft Pulping with Pretreatment of Cold Alkali Impregnation and Compression

XU Xiang-yangLIU Qiu-juan*

(TianjinKeyLaboratoryofPulpandPaper，TianjinUniversityofScience&Technology，Tianjin, 300457)

(*E-mail: liuqiujuan@tust.edu.cn)

Cold alkali impregnation and compression were used as pretreatment in eucalyptus kraft pulping. The optimum conditions of cold alkali impregnation and compression were discussed. And, the influence of cooking conditions on the kraft pulping of pretreated wood was studied. The kraft pulp strength of pretreated wood was compared with that of unpretreated. The results showed that the optimum conditions of alkali impregnation were NaOH dosage 2%, time 2 h, temperature 25℃, liquor to wood ratio 1∶5, and the compression ratio 3∶1. Compared with kraft pulping of unpretreated woodchips (NaOH dosage 21%), the kappa number of pulp decreased 1.7 and the pulp yield decreased only 0.14% when the total NaOH dosage (2% for impregnation, 19% for pulping) of pretreated kraft pulping was the same as unpretreated. And the pulp strength of pretreated kraft pulping was better than the pulp of unpretreated pulping. The tensile index, burst index and folding endurance of the handsheets of pretreated kraft pulp increased by 7.0%, 5.2%and 66%compared with the unpretreated wood kraft pulp, while the tear index was similar.

eucalyptus kraft pulping； alkali impregnation； compression

2016- 02- 22

许向阳，男，1990年生；在读硕士研究生；主要研究方向：清洁制浆与木质资源综合利用。

*通信联系人：刘秋娟，E-mail:liuqiujuan@tust.edu.cn。

TS743+.1

A

1000- 6842(2016)03- 0007- 05