生長時間對纖維原料制漿性能的影響

生長時間對纖維原料制漿性能的影響

不同的原料和漿漿法，不同的紙漿性能。同一種植物纖維原料,由于地理位置、氣候、土壤和生長時間等的差異,制漿性能也表現(xiàn)不同。目前,針葉木資源日益緊張,世界造紙工業(yè)面臨纖維原料短缺問題,即使針葉木資源豐富的美國、加拿大等國家也展開了闊葉木、非木材纖維原料制漿造紙的研究。開展生長時間對制漿性能的研究可以確定采伐、收割的最佳時間,合理利用原料,并改進林業(yè)、農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)管理。我國制漿造紙行業(yè),長期利用草類纖維原料,這對企業(yè)擴大生產(chǎn)規(guī)模、治理污染、提高產(chǎn)品檔次等帶來一系列難題,為此,我國開展速生豐產(chǎn)用材基地林建設(shè)工程,走林紙一體化之路。速生林建設(shè)主要采用楊木和桉木等速生闊葉木樹種,其輪伐周期短、不同生長期速生性能差異大,因此我國開展生長時間即樹齡對制漿性能影響研究意義更為重大。下面簡要論述近年來國內(nèi)外所開展生長時間對纖維原料化學(xué)成分、纖維形態(tài)和制漿性能的影響所進行的研究。1不同樹齡油松片的性能變化針葉木纖維原料具有纖維長、纖維細胞含量高等一系列優(yōu)點,但其成材周期長,對其生長時間對制漿性能的影響所進行的研究一般選擇樹齡差別較大。國內(nèi)造紙科研工作者對我國的一些品種進行了研究,如尤紀(jì)雪等對三種不同樹齡(10年、20年和30年)福建馬尾松進行研究,發(fā)現(xiàn)木素、聚戊糖和綜纖維素的含量隨樹齡增大稍有降低,各樹齡的抽出物含量以20年為最低,但各樹齡間的差別都較小?；久芏?、晚材率、纖維平均長度、長寬比和壁腔比等均隨樹齡增大而增大。對其硫酸鹽法制漿的蒸煮性能、打漿性能、未漂漿的物理強度性能和漂白性能進行綜合評價,發(fā)現(xiàn)20年樹齡的福建馬尾松制漿性能優(yōu)良。她們同時對不同樹齡(10年、21年和29年)貴州馬尾松進行了研究,化學(xué)成分和纖維形態(tài)一些指標(biāo)變化趨勢表現(xiàn)與福建馬尾松相似的規(guī)律,而木素、綜纖維素含量和纖維長寬比與福建馬尾松的變化規(guī)律不同,這說明產(chǎn)地對其變化趨勢也有一定影響。綜合各項性能指標(biāo),21年樹齡的制漿性能為最優(yōu),這與福建馬尾松相似。胡惠仁、石淑蘭等研究了不同樹齡的火炬松和濕地松的制漿性能,發(fā)現(xiàn)硫酸鹽法制漿時,樹齡大的紙漿得率較高,硬度較低,其漂白漿易打漿且強度較高。紙漿漂白時生長期長的火炬松容易漂白,而濕地松則以生長期短的較易漂白。而樹齡對上述兩種針葉木的堿性亞納-蒽醌半化學(xué)漿的制漿性能沒有明顯影響。JohnV.Hatton對短葉松、黑松和冷杉三種針葉木的幼材和成材的材性、纖維特性和制漿性能等進行了系統(tǒng)研究,發(fā)現(xiàn)其差異較大,因此提出通過不同比例幼材/成材原料進行搭配,可以生產(chǎn)滿足不同性能要求的紙張。三個不同針葉木品種表現(xiàn)出一些相同的性能變化趨勢,如幼材的基本密度較低,而新鮮幼材的水分含量比相應(yīng)成材低近50%,這可減少幼材的運輸費用。其化學(xué)成分也有一定差別,幼材的抽出物、1%NaOH溶出成分和木素含量較高,對碳水化合物中的甘露糖含量進行了對比,發(fā)現(xiàn)其差別較小。硫酸鹽法制漿性能的研究也發(fā)現(xiàn)一些與桉木類似的規(guī)律。蒸煮到卡伯值(35)相同的情況下,因幼材的抽出物、1%NaOH和木素含量高,所以制漿得率較低。幼材紙漿纖維的粗度、平均長度和長纖維組分等也表現(xiàn)較低。因幼齡材纖維的一些特殊優(yōu)勢,其KP漿的手抄片表現(xiàn)出一些較好的性能,如紙張的表面平滑度、伸長率、抗張指數(shù)和耐破指數(shù)等指標(biāo)較高,由于纖維較短,幼齡材紙張的撕裂指數(shù)較低。對盤磨機械漿的制漿性能的研究也發(fā)現(xiàn)了一些差異,如幼齡材的磨漿能耗較高、紙漿中的細小組分含量高、纖維較短。幼齡材手抄片的抗張指數(shù)較低,這與KP漿變化不同,與纖維長度聯(lián)系密切的撕裂指數(shù)也較低。而幼齡材的細小纖維含量高,細小纖維提供了較多的光反射面積,因此其手抄片的光散射系數(shù)較高。2不同樹齡藍桉木木素含量的差別闊葉木具有纖維較短、雜細胞含量高、木素含量低、生長迅速等一系列特點。我國造紙用速生林建設(shè)的樹種主要為闊葉木,一些速生性能好的優(yōu)良樹種的培育與推廣種植加快了闊葉木的應(yīng)用。因闊葉木的輪伐周期短,更有必要對其展開樹齡對制漿性能影響的研究。謝益民等對三種不同樹齡(6年、10年和18年)藍桉的化學(xué)組成和硫酸鹽法制漿性能進行了研究。研究表明,三種藍桉的苯醇抽出物含量均比較低,數(shù)值也比較接近。而1%NaOH抽出物含量方面,三種樹齡桉木的差別比較大,隨樹齡的增加而降低。這個結(jié)果與對國產(chǎn)雷林一號桉研究得到的抽出物含量隨樹齡的增大而增多的結(jié)論相反,這進一步說明抽出物隨樹齡的變化趨勢因樹種和生長環(huán)境而異。1%NaOH抽出物含量一定程度上表明鞣花酸類多酚類物質(zhì)的含量,由于這些多酚類物質(zhì)在硫酸鹽法蒸煮時消耗大量的堿,因此,這被認為是影響桉木制漿性能的重要因素之一。綜纖維素含量方面,三種樹齡的桉木的差別也比較明顯,隨樹齡增大而增多,這個結(jié)果可以說明相同卡伯值下的紙漿得率的差別。在木素含量方面,無論是Klason木素、酸溶木素還是木素總量,三種不同樹齡的藍桉之間均有明顯的差別,隨樹齡增大而減小,不同樹齡的藍桉的木素含量差別也是造成制漿特性不同的一個重要因素。三種不同樹齡的藍桉在葡萄糖含量上有明顯的差別,樹齡增大其含量也增大,單糖的總量也有相同的變化規(guī)律,這個結(jié)果與綜纖維素的變化規(guī)律相吻合,這可以解釋紙漿得率的差異。來自半纖維素的單糖(木糖、半乳糖、阿拉伯糖、甘露糖)含量沒有顯著的變化,說明半纖維素的含量受樹齡的影響較小,只是纖維素含量與樹齡有比較密切的關(guān)系,纖維素含量較高是造成18年生藍桉制漿得率較高的主要原因。小名俊博等在研究桉木樹干內(nèi)不同位置的制漿性能的差異時也發(fā)現(xiàn),紙漿得率與纖維素以及綜纖維素含量之間有較好的正相關(guān)性(回歸系數(shù)分別為0.820和0.799)。對藍桉不同樹齡化學(xué)成分的分析可以解釋其KP法制漿性能的差別,如相同的用堿量下,漿料卡伯值隨樹齡增大而降低;蒸煮到卡伯值相同(20)時,隨樹齡增大堿耗降低,細漿得率隨樹齡增大而升高。他們也對桉木不同品種的制漿性能差異的原因進行了探討。對藍桉和多枝桉的硫酸鹽法制漿性能研究表明,多枝桉的KP漿卡伯值到18需24%的活性堿,紙漿得率為39.6%,相應(yīng)藍桉在其它條件相同的情況下,KP漿卡伯值到18活性堿僅需12%,紙漿得率為57.7%。各因素對制漿性能的影響進行了研究,發(fā)現(xiàn)原料的基本密度對其影響很小,苯醇、1%NaOH抽出物含量差別對活性堿用量有一定影響,但不是制漿性能差別的主要因素。兩種桉木的綜纖維素的差別較大,進一步對各糖類組分的分析表明:多枝桉的葡萄糖和木糖等糖類組分含量較低是其紙漿得率低的主要原因。兩種桉木的木素含量差別較小,對其木素結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn),多枝桉的木素硝基苯氧化產(chǎn)物中紫丁香醛/芳草醛摩爾比較藍桉低,即多枝桉木素縮合型結(jié)構(gòu)比例較大,這是造成其活性堿用量高、難蒸煮的主要原因。榿木也是我國廣泛種植的速生、優(yōu)質(zhì)闊葉木樹種,具有密度小、材質(zhì)輕、木材結(jié)構(gòu)疏松等特點。對5～8、8～10和10～15年三個階段的原料進行分析發(fā)現(xiàn),榿木纖維的長度、長寬比隨樹齡的增加而稍有增加,在8～10年達最大值,從纖維長度看,其成熟期為8～10年。三種樹齡榿木的木素含量隨樹齡增加而增加,8～10年時達到最大。苯-醇抽出物含量較低,聚戊糖含量隨樹齡增大略有降低,而纖維素含量則隨樹齡增大而顯著提高。三種樹齡的1%NaOH抽出物含量在樹齡為5～8年時最高,8～10年后含量基本穩(wěn)定。綜合以上因素,榿木制漿造紙的最佳樹齡為10年左右。對其它一些品種闊葉木的研究也有報道,如不同樹齡相思樹各品種的化學(xué)成分、纖維形態(tài)差異和混合木片硫酸鹽法制漿性能。3幼齡材制漿工藝研究從以上研究可以看出,材種、產(chǎn)地和生長時間不同,得出的結(jié)論也有差別,其中幼齡材(木材)、前期收獲的一年生原料一般特點為抽出物、木素含量高,綜纖維素含量低,纖維較短,這些特點對制漿造紙工業(yè)應(yīng)用不利,而一些品種幼齡材的基本密度小、速生性能好,木材產(chǎn)出快、產(chǎn)量高,且質(zhì)量均一,因此開展幼齡材制漿造紙應(yīng)用的研究對于促進林紙結(jié)合、開發(fā)造紙原料和育林技術(shù)、增加木材資源具有重要意義。中林楊等一些楊木品種前期生長速度極快,采用高密度超短輪伐期技術(shù)栽培,可以在最短的時間內(nèi)獲得較大的生物產(chǎn)量,因此對楊木幼齡材制漿性能研究較多。天津輕工業(yè)學(xué)院等單位對一年生幼齡楊樹進行了化學(xué)法和化學(xué)機械法制漿性能的研究?；瘜W(xué)法制漿主要采用硫酸鹽法和堿性亞納蒽醌法,發(fā)現(xiàn)主要問題為得率低、紙漿強度差,因此建議采用化學(xué)機械法制漿。幼齡材的SCMP紙漿白度和強度性能指標(biāo)可滿足生產(chǎn)B級新聞紙的要求,APMP紙漿白度較高,但強度較差,應(yīng)用時需配少量化學(xué)漿。一年生楊幼樹外皮較薄,樹徑較細,去皮操作及設(shè)備的應(yīng)用有一定難度,因此對全樹帶皮制漿進行了研究。樹皮抽出物含量高,纖維素含量低,纖維短,樹皮的混入會產(chǎn)生化學(xué)藥品消耗高、紙漿強度低、成紙塵埃度大等一系列問題。一年樹齡中林楊帶皮全材KP法和KP+HUA(磺化劑)法蒸煮脫木素歷程與成樹不同,分為大量脫木素階段、補充脫木素階段和殘余脫木素階段。采用KP法和KP+HUA法蒸煮,工藝條件合適,成漿經(jīng)單段漂白或三段漂白,均可解決樹皮形成的塵埃問題,紙漿的白度和強度指標(biāo)也較好,超過QB/T1678-93中的By-B級指標(biāo),而KP+HUA法蒸煮所得漿得率、強度等指標(biāo)較高。研究證明,采用全樹帶皮制漿可擺脫剝皮的難題,而紙漿得率低的問題可由生物產(chǎn)量高來彌補。他們也采用NSSC法制漿生產(chǎn)新聞紙進行了研究,NSSC漿經(jīng)過氧化氫漂白后紙漿強度、白度和塵埃度指標(biāo)達到B級新聞紙的要求,但不透明度較低。薛國新等對1～3年幼齡新疆楊進行了研究,其基本密度、纖維長度和長寬比隨樹齡增大稍有增大,而化學(xué)成分差別較小,合適的KP和Soda-AQ法制漿工藝條件可生產(chǎn)性能良好的紙漿,并對KP漿的漂白性能進行了研究。其它一些品種,如藍桉、馬尾松的幼齡材的制漿性能優(yōu)良,而樺木和落葉松的幼齡材制漿性能稍差。4以生物降解和生物產(chǎn)出速度為原料的加工技術(shù)非木材纖維原料在我國用量較大,如稻麥草、蔗渣、蘆葦、荻和竹子等資源的應(yīng)用。由于木材供應(yīng)緊張,一些木材儲量大的國家也對一些一年生的纖維原料進行了制漿造紙性能的研究利用。生長時間對一年生纖維原料制漿性能的影響的研究主要為研究收割時間不同,化學(xué)成分和制漿性能的差異和纖維(生物)產(chǎn)出量的差別。SaffetKarakus等對造紙工業(yè)用一年生洋麻的不同生長階段的化學(xué)和物理組成變化進行研究。洋麻是錦葵屬草本植物,其皮纖維類似針葉木,稈部纖維較短,類似闊葉木,皮、稈都可用于制漿造紙。一年生纖維原料的皮、根、莖、葉等不同部位、不同生長階段的化學(xué)成分、纖維形態(tài)皆不同,對其進行研究的目的是在假設(shè)其幼材可能木素含量較低,這樣,一個季度相同纖維收獲量可以收獲兩次,而相對木素含量大大減少。他們對四個生長階段(90、120、150和200天收割)進行了研究。不同階段的纖維產(chǎn)量不同,四個階段的產(chǎn)量分別為0.7～1.0、0.7～1.0、2.0～3.0和3.5～5.2t/英畝·年,隨生長時間的增長纖維產(chǎn)出量也增大。α-纖維素和半纖維素等含量差別較小,差別大的主要為生長90天原料的苯醇抽出物、灰分含量高,生長200天原料(成熟期)的木素含量高和綜纖維素含量低。對其燒堿法制漿進