溫和堿預(yù)處理制備慈竹絨毛漿的工藝研究

1、PAGE 14 -溫和堿預(yù)處理制備慈竹絨毛漿的工藝研究絨毛漿是一種用于個人護理產(chǎn)品（如一次性尿布、成人尿失禁產(chǎn)品、女性衛(wèi)生/護理產(chǎn)品、吸水毛巾等）的吸收性芯層紙漿1。2022年全球絨毛漿產(chǎn)量達(dá)到730萬t2，國產(chǎn)絨毛漿進口量達(dá)80萬100萬t，且每年增長約3%4%。良好的國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展形勢、二胎政策以及人口老齡化等因素為中國絨毛漿市場的發(fā)展提供了無限可能。目前市場上漂白的絨毛漿主要是以南方黃松、火炬松等長纖維厚壁的針葉木漿為原料，采用硫酸鹽法制備而成，這種紙漿易于干法解離3。除針葉木化學(xué)漿外，由闊葉木或針葉木、闊葉木組合而成的化學(xué)漿或化學(xué)熱磨機械漿（CTMP）也可用于生產(chǎn)絨毛漿。但由于生長季節(jié)以

2、及土壤和氣候條件的影響，這些樹種不適合在亞洲大陸生長。因此，制漿原料的短缺，嚴(yán)重制約了我國絨毛漿工業(yè)的發(fā)展進程。為改善制漿原料短缺的問題，近年來，非木材原料的開發(fā)研究受到廣大科研工的關(guān)注4。其中，竹子作為一種快速生長的物種，可在35年內(nèi)收獲，僅在中國，就有44屬約300種，占全國森林總面積的3.3萬平方公里5。竹子中纖維素含量為45%55%，半纖維素含量約為20%，與針葉木、闊葉木基本相當(dāng)，纖維長度介于二者之間，平均壁厚為5.458.06 m，平均腔徑為3.545.20 m，壁腔比為2.183.966，厚壁的纖維抗壓縮能力強，能賦予漿板較好的蓬松結(jié)構(gòu)。但是采用竹子制備絨毛漿存在兩個缺點：雜細(xì)胞

3、含量較多，僅維管束中存在一定量的可用纖維。雜細(xì)胞不僅會填充在纖維之間的孔隙堵塞毛細(xì)管，而且促進纖維間的結(jié)合，不利于構(gòu)筑蓬松的結(jié)構(gòu)7；竹纖維半纖維素分子內(nèi)羥基相互結(jié)合，制備的絨毛漿漿板耐破度較大，不易起絨8。半纖維素預(yù)處理的常見方法包括自水解9、酸預(yù)處理10以及堿預(yù)處理11等。自水解需要高溫條件，且易產(chǎn)生糠醛等副產(chǎn)物；酸預(yù)處理對設(shè)備腐蝕性大且會在制漿過程中加劇剝離反應(yīng)的發(fā)生，從而降低得率；硼酸鹽等弱堿性溶液提取半纖維素效率低12，而在高堿常壓低溫體系下NaOH預(yù)處理不僅能大量提取半纖維素，還能降低成本和能量消耗。本研究在傳統(tǒng)硫酸鹽法制漿工藝的基礎(chǔ)上，增加了NaOH預(yù)處理階段，探究了NaOH預(yù)處理

4、對竹子中半纖維素和灰分的去除效果，并采用Bauer-McNett分級篩對漿料進行篩分以去除雜細(xì)胞，經(jīng)過氧脫木素及ECF漂白處理生產(chǎn)合格的絨毛漿。根據(jù)堿處理、蒸煮、篩分、漂白等工藝條件，探究了慈竹絨毛漿的吸收能力與纖維的形態(tài)、化學(xué)組分的關(guān)系，并與國內(nèi)使用的商品絨毛漿的相關(guān)指標(biāo)進行對比分析。1 實驗1.1原料與儀器1.1.1原料與試劑23年生慈竹片，產(chǎn)自中國四川；用清水洗滌竹片以去除雜質(zhì)，清洗后的竹片風(fēng)干后備用。氫氧化鈉（NaOH，分析純，天津大茂化學(xué)試劑有限公司）；硫化鈉（Na2S，分析純，廣州試劑有限公司）；二氧化氯溶液由鼎豐紙業(yè)有限公司提供；商品針葉木絨毛漿板由美國進口。1.1.2實驗儀器H

5、H-6數(shù)顯恒溫水浴鍋（常州澳華儀器有限公司）；KRK-2611水平式旋轉(zhuǎn)蒸煮器（日本）；OLYMPUS偏光顯微鏡（日本）；MESSMER 255紙頁手抄機（美國）；LW CE180耐破儀（瑞典）；LW Elrepho 070白度儀（瑞典）；UV-1900型紫外可見分光光度計（中國）。1.2實驗方法1.2.1堿預(yù)處理取160 g竹片（絕干）與一定體積的蒸餾水及NaOH溶液混合均勻并置于反應(yīng)器中，NaOH質(zhì)量濃度100 g/L，反應(yīng)時間1 h，液比14，隨后，將水浴鍋預(yù)熱至目標(biāo)溫度（70、80、90）。預(yù)處理后，容器在水浴中迅速冷卻，采用300目漿袋進行固液分離，收集濾液，竹片用于硫酸鹽蒸煮。用自

6、來水徹底清洗處理過的竹片，置于冰箱中儲存，用于后續(xù)成分分析。1.2.2硫酸鹽蒸煮分別稱取500 g堿預(yù)處理前后的絕干竹片置于蒸煮鍋中，蒸煮液比14、硫化度30%、有效堿（EA，以NaOH計）20%，根據(jù)堿預(yù)處理濾液中殘堿濃度分析，調(diào)整蒸煮時添加的堿用量，最高溫度為160，保溫時間為90 min，升溫曲線為25110（30 min）110（15 min）160（45 min）160（90 min），保溫結(jié)束后采用漿袋進行固液分離，用自來水洗滌硫酸鹽漿，直至濾液pH值為中性，然后采用0.15 mm的平板篩對竹漿進行篩選，以計算硫酸鹽蒸煮的細(xì)漿得率。1.2.3篩分根據(jù)Bauer-McNett分級篩提

7、供的5個不同目數(shù)的篩板將蒸煮后的紙漿樣品分為6部分，分別稱量質(zhì)量并測量紙漿纖維長度。篩分方法：取10 g絕干樣品在水中預(yù)先浸泡4 h，并轉(zhuǎn)移至纖維疏解機中分解，直至沒有纖維束殘留，將紙漿濃度稀釋至3.0 g/L進行篩分。供應(yīng)至篩板隔室的水流速11.36 L/min，循環(huán)時間20 min。篩分結(jié)束后，將纖維收集至自封袋中，然后轉(zhuǎn)移至提前恒質(zhì)量的稱量瓶中，置于（1053）的烘箱干燥至恒質(zhì)量。本實驗采用Bauer-McNett分級篩的篩板分別為16、30、50、100、200目，其對應(yīng)的孔徑為1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm。各組分占比的計算如所示。Y=WnW100%（1）式中，

8、Y為各組分占比，%，Wn為各篩板隔室的絕干纖維質(zhì)量，g，W為加入到分級篩機的絕干纖維總質(zhì)量，g。1.2.4氧脫木素及ECF漂白氧脫木素處理在PARR型高壓反應(yīng)器中進行。工藝條件見表1。氧脫木素處理結(jié)束后，用蒸餾水洗滌至濾液呈中性，并在冰箱中儲存?zhèn)溆?。漂白在密封聚乙烯袋中進行，將聚乙烯袋置于恒溫水浴中，在設(shè)定溫度下，每隔5 min搓揉1次。采用D0EPD1P漂白序列的無元素氯（ECF）漂白工藝來模擬現(xiàn)有的工業(yè)漂白試驗（其中D表示二氧化氯漂白、EP表示過氧化氫強化的堿抽提階段、P表示過氧化氫漂白）。工藝條件見表2。1.2.5抄紙參考ISO 5269-12022，取一定量紙漿于纖維疏解機中分散均勻，

9、然后轉(zhuǎn)移至標(biāo)準(zhǔn)紙頁成型器中，利用半自動快速手抄片機進行抄片，抄造漿片的定量為750 g/m2。抄造好的漿片置于壓榨機中擠壓脫水，壓榨結(jié)束后將漿片置于恒溫恒濕室（23和50%）內(nèi)風(fēng)干，并保持漿片的水分在7%9%之間。1.3表征1.3.1顯微鏡觀察取一部分慈竹片在乙醇和甘油混合液中浸潤72 h，切成尺寸為0.5 cm0.5 cm方塊在冷凍切片機下切片并用孔雀綠和番紅雙重染色，在酒精中進行脫水透明處理；另取一部分慈竹片在過氧化氫-醋酸中分散解離，用赫式試劑染色制片，然后將制備好的樣品置于顯微鏡下觀察。1.3.2漿料性質(zhì)測定參考GB/T 2677.21993測定原料水分含量。參考硝酸-乙醇法測定原料纖

10、維素含量。參考GB/T 2677.91994測定原料的聚戊糖含量。參考GB/T 2677.81994測定原料中酸不溶性木質(zhì)素含量。采用紫外可見分光光度計在205 nm波長處測量兩步水解產(chǎn)物中的酸溶木質(zhì)素含量。參考GB/T 2677.61994測定竹片中的提取物含量。參考GB/T 2677.31993測定紙漿的灰分含量。參考GB/T 15471989測定紙漿的卡伯值。參考GB/T 79742022測定紙漿白度。用銅乙二胺溶液作為溶劑，參考GB/T 15481989測定所有樣品的黏度。1.3.3纖維形態(tài)分析稱取1.5 g絕干纖維，與2 L去離子水混合置于纖維疏解機中，在5000 r/min的轉(zhuǎn)速下

11、疏解，然后將纖維懸浮液轉(zhuǎn)移至測量容器中并稀釋至10 L，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.015%的纖維懸浮液，采用FS500纖維質(zhì)量分析儀進行分析檢測，測定20000根以上纖維，得出纖維的長度、寬度、卷曲指數(shù)、粗糙度和細(xì)小纖維含量等參數(shù)。1.3.4吸水能力測試參考GB 213312022測定試樣的比體積、吸收時間和吸收容量。首先取一塊寬度約30 mm、長度100 mm的漂白絨毛漿試樣置于絨毛漿漿板分散器中打散，使用空氣輔助成型器制備質(zhì)量3.00 g、直徑50 mm的襯墊。將襯墊放置在與流體接觸的多孔板上，壓塊質(zhì)量為500 g。襯墊的高度在流體接觸材料之前確定。然后讓襯墊從下方吸水（251），測量液體從低端

12、到達(dá)頂部所需的時間，記為吸水時間。吸水量通過稱量質(zhì)量得到。蓬松度的計算見。X=Sh10m（2）式中，X為試樣的蓬松度，cm3/g；S為試樣的底面積，cm2；h為試樣的蓬松高度，mm；m為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下試樣的質(zhì)量，g。2 結(jié)果與討論2.1慈竹原料分析圖1為慈竹顯微鏡觀察圖。由圖1（a）可知，同一種竹材維管束在基本組織中分布密度不同，靠外層的維管束較小，但分布密度大；靠內(nèi)層的維管束較大，但分布密度小。竹材纖維占到細(xì)胞總量的40%60%（面積法），且多存在于維管束中；而非纖維素纖維細(xì)胞如薄壁細(xì)胞、石細(xì)胞、表皮細(xì)胞等雜細(xì)胞的比例達(dá)到了20%35%13。從圖1（b）中可以觀察到慈竹屬于典型雙斷腰型維管束的

13、叢生竹種14。圖1（c）顯示維管束組織的纖維細(xì)胞，形態(tài)細(xì)長，腔徑中空，平均腔徑為5.308.79 m，細(xì)胞壁較厚，壁厚在6.708.10 m，壁腔比為1.602.58。而薄壁細(xì)胞多為長形或方形（見圖1(d)），長度極小、腔大壁薄、易碎。圖1慈竹顯微鏡觀察圖Fig. 1Microscopic observation images of Neosinocalamusaffinis2.2堿預(yù)處理表3為不同溫度下堿預(yù)處理前后竹片的化學(xué)成分分析。由表3可知，溫度對化學(xué)組成有顯著影響。在較低溫度（100）條件下進行堿預(yù)處理，能夠顯著降低半纖維素（聚木糖）、灰分以及苯-醇抽出物含量，同時纖維素和木素?fù)p失相對

14、較少。在70時竹片得率在86%左右，而在90時，得率下降到82%。隨著反應(yīng)溫度的增加，經(jīng)過預(yù)處理的竹片半纖維素含量逐漸下降。相比未處理慈竹原料，70時半纖維素去除約33.25%（去除率=1-預(yù)處理后竹片半纖維素含量/未處理慈竹竹片半纖維素含量）。相比之下，在80時可去除約42.18%的半纖維素，90時半纖維素去除率高達(dá)45.20%。堿性條件下的水解導(dǎo)致半纖維素的糖苷鍵斷裂以及交聯(lián)木素和半纖維素的酯鍵斷裂，導(dǎo)致半纖維素和木素溶解15。從表3還可以看出，相比未處理慈竹原料，隨著預(yù)處理溫度的升高，木素含量下降1.27%2.93%。當(dāng)預(yù)處理溫度增加到90，纖維素含量下降約1.18%，這并不會顯著影響制

15、漿得率。高結(jié)晶度和對化學(xué)品的有限可及性使得纖維素在溫和條件下很難降解16。這與Zhao等人17在制漿過程之前對竹片進行堿預(yù)處理研究結(jié)果基本一致。本研究采用高堿濃度、相對較低的反應(yīng)溫度及較短的反應(yīng)時間等工藝條件，在纖維素降解較少的前提下提取更多的半纖維素，在保證纖維產(chǎn)量和質(zhì)量的同時，還具有易操作和降低資金成本的優(yōu)勢。從表3還可以看出，隨著溫度的升高，竹片中灰分去除量增加。相比未處理慈竹原料，80和90時灰分可分別去除55.56%和58.12%，因此，NaOH預(yù)處理可有效地改善灰分在硫酸鹽法制漿堿回收過程中產(chǎn)生的不利影響。竹片中樹脂類成分殘留在漿中會阻礙液體的吸收，顯著影響絨毛漿的吸液能力，但堿法

16、制漿則可以有效地解決這個問題。同時相比未處理慈竹原料，不同溫度下堿預(yù)處理，苯-醇抽出物可分別去除69.05%、79.76%和83.92%。2.3硫酸鹽竹漿特性表4為堿預(yù)處理前后對硫酸鹽竹漿特性的影響。在硫酸鹽法制漿過程中，脫木素程度被認(rèn)為是反映蒸煮效果的最重要參數(shù)之一，本研究中測定硫酸鹽竹漿中殘余木素含量（卡伯值），并用卡伯值來評價蒸煮效率。由表4可知，堿預(yù)處理后制備的硫酸鹽竹漿的卡伯值略低于未處理的，且預(yù)處理溫度越高，硫酸鹽竹漿的卡伯值越低。這可能是由于堿預(yù)處理促進了木質(zhì)素和半纖維素的溶出，提高了蒸煮藥液的可及性，加快了竹片硫酸鹽法蒸煮的效率。硫酸鹽竹漿中殘余木素含量低，可有效地減少對漂白化

17、學(xué)品的需求，有利于后續(xù)的漂白過程。在相同的硫酸鹽蒸煮條件下，預(yù)處理硫酸鹽竹漿的細(xì)漿得率一般略低于未處理的，這可能是因為堿預(yù)處理導(dǎo)致半纖維素溶出，最終得率下降。另外，預(yù)處理的硫酸鹽竹漿中殘留的灰分含量較低。由表4可知，K-90灰分含量低至0.51%，而K的灰分為0.72%。未堿處理的紙漿中殘留的灰分含量較高的原因可能是，在制漿過程中溶解的硅酸鹽附著在纖維表面，在隨后的紙漿洗滌過程中并沒有被去除。紙漿中灰分的去除可有效解決蒸發(fā)器結(jié)垢、苛化效率降低等問題。因此，堿預(yù)處理也是解決竹片制漿中灰分問題的一種有效方法。2.4篩分圖2為不同預(yù)處理條件下制備的硫酸鹽竹漿的纖維特性。由圖2（a）可知，K-80在1

18、6目以上占比為61.88%，相比于K、K-70、K-90占比57.32%、57.74%、57.61%，分別增加了4.56、4.14、4.27個百分點。圖2（b）中K-80的纖維長度比K長0.1 mm，圖2（c）中K-80的纖維寬度在19.4 m左右，與K相差不大。圖2（d）中隨著堿預(yù)處理溫度的升高，纖維的卷曲程度逐漸下降，但基本在10%10.5%之間。圖2（e）中K-80的細(xì)小纖維含量最少，占比10.0%，相比于K細(xì)小纖維含量11.6%，低1.6個百分點，而K-90的細(xì)小纖維含量最多，高達(dá)12%。圖2（f）中4種硫酸鹽竹漿的粗度變化不大，保持在0.125 mg/m上下浮動。漿料的纖維形態(tài)可能與

19、堿預(yù)處理的強弱有關(guān)，90時，處理溫度過高，剝皮反應(yīng)強烈；70時，處理溫度較低，半纖維素去除效率較低，反應(yīng)不充分。此外纖維長度規(guī)律與黏度規(guī)律基本保持一致，K-70、K-90的黏度略低于K，K-80的黏度略高于K。圖2不同預(yù)處理條件下漿料的纖維特性Fig. 2Fiber characteristics of the pulp under different pretreatment conditions注：纖維長度指質(zhì)量平均長度；纖維寬度指質(zhì)量平均寬度。表5為K-80各組分的纖維形態(tài)參數(shù)，在16目截留纖維長度高達(dá)2.34 mm，且隨著分級篩目數(shù)的增加，截留下來的纖維長度、寬度、卷曲指數(shù)和粗度都逐漸

20、減小。在絨毛漿中，大部分液體被纖維之間的空隙吸收，一小部分被內(nèi)部結(jié)構(gòu)吸收，因此絨毛漿的吸收能力很大程度上取決于纖維網(wǎng)的孔隙率。纖維形態(tài)直接關(guān)系到纖維網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)對水的吸收性能。毛細(xì)管作用是非織造纖維素纖維網(wǎng)的主要吸收機制18，纖維長度、直徑和纖維壁厚決定了吸濕結(jié)構(gòu)（干濕）的毛細(xì)管尺寸。更長更粗的纖維容易形成更多的孔隙和更強的網(wǎng)絡(luò)19。卷曲和扭結(jié)的纖維也能夠提升孔隙率。絨毛漿的基本質(zhì)量參數(shù)（如吸收能力、吸收率、白度和潤濕體積、壓縮和回彈等）受纖維的化學(xué)成分、形態(tài)和網(wǎng)絡(luò)排列的影響很大20。由于干法解離問題，絨毛漿的纖維長度應(yīng)高至2 mm，細(xì)小纖維含量應(yīng)盡量低。與短纖維相比，長纖維在結(jié)構(gòu)中有更多的纖維

21、-纖維接觸和加強的連續(xù)性，因此可以形成更大的孔隙結(jié)構(gòu)，使纖維之間的空隙吸收大部分液體。因此考慮到纖維形態(tài)對絨毛漿吸液能力的影響，同時結(jié)合資源利用效率，本研究選用K-80紙漿30目以上（占比78.8%，長度大于1.82 mm）的優(yōu)質(zhì)纖維作為制備原料。圖3為K-80各組分顯微觀察。從圖3（a）可以看出，未篩分竹漿纖維長短交織的網(wǎng)絡(luò)上含有大量的雜細(xì)胞，大小相似，均勻且短。經(jīng)過30目篩篩分后，圖3（b）顯示多是長而寬的纖維纏繞在一起，幾乎看不到雜細(xì)胞。圖3（c）顯示的是通過200目篩網(wǎng)的雜細(xì)胞纖維結(jié)構(gòu)，主要為薄壁細(xì)胞、石細(xì)胞等，其中含有少量較小尺寸的纖維細(xì)胞，這些雜細(xì)胞基本上都是非纖維狀細(xì)胞，有棒狀、

22、球狀和管狀等形狀。采用Bauer-McNett分級篩去除雜細(xì)胞，控制篩除量在22%，篩除后的雜細(xì)胞顏色較深。由于這些雜細(xì)胞的尺寸較小、比表面積大、所帶負(fù)電荷較高，在干燥過程中會將纖維連接的更緊密，使纖維間的孔隙堵塞，不利于多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，且易引起粉塵問題，最終對絨毛漿性能產(chǎn)生不利影響。雜細(xì)胞的大量去除有利于蓬松結(jié)構(gòu)的建立。圖3K-80各組分顯微觀察圖（100）Fig. 3Microscopic observation images of the components of bamboo pulp （100）經(jīng)過篩分后K-80漿料的卡伯值從未篩分的14.65下降到了12.81，白度為32.4

23、4，特性黏度略有升高，有利于后續(xù)漂白處理（見表6）。同時隨著細(xì)小纖維的去除，K-80經(jīng)過30目篩分后的纖維特性得到極大改善，纖維長度增大到2.29 mm，卷曲度顯著提升，相比未篩分的K-80，粗度也增大了0.013 mg/m，細(xì)小纖維含量降低至1.22%。2.5漂白表7為經(jīng)過30目篩分后，K-80氧脫木素及ECF漂白處理結(jié)果。由表7可知，相較于未進行氧脫處理，氧脫處理可以有效降低硫酸鹽竹漿的卡伯值，脫除約50%的木素，因此在后續(xù)的ECF漂白過程中可顯著減少漂白劑的用量21。通過OD0EpD1P漂白處理后，紙漿白度可以達(dá)到（90.51） %。紙漿黏度顯著下降，這可能是由于堿性環(huán)境下的水解與剝皮反

24、應(yīng)，導(dǎo)致碳水化合物降解。除了主鏈降解外，氧脫木素階段還誘導(dǎo)聚木糖遷移并將其從纖維素纖維表面部分去除22。就纖維形態(tài)而言，漂白前后纖維長度發(fā)生變化，從篩分后的2.29 mm減少至漂白后的2.03 mm，一定程度上對現(xiàn)有纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不利影響；但纖維變得更加卷曲，使纖維變得更加柔韌23。漂白前后，纖維寬度、粗度、細(xì)小纖維含量未發(fā)生明顯變化。2.6紙漿性能2.6.1纖維形態(tài)表8為自制的竹絨毛漿（BFP）與商品絨毛漿（CFP）的纖維形態(tài)特性對比。BFP長度達(dá)2.03 mm，寬度19.35 m，雖然比CFP的長度低0.36 mm，寬度低11.82 m，但是前者的纖維長寬比達(dá)104.9，遠(yuǎn)高于CFP的76.7，BFP細(xì)胞壁厚度68 mm，與CFP基本持平。纖維直徑越大，纖維的粗度也就越高，這解釋了BFP纖維粗度（0.137 mg/m）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CFP（0.233 mg/m）的原因。纖維變形發(fā)生在紙漿生產(chǎn)（制漿和漂白過程