乙醇法玉米稈髓漿對OCC紙漿的增強效果

李士勇 楊 揚 韓 穎 孫廣衛(wèi) 程 飛 楊汝男

（1.大連工業(yè)大學(xué)遼寧省教育廳制漿造紙重點實驗室，遼寧大連，116034；2.中國制漿造紙研究院，北京，100061）

玉米是我國種植非常普遍的農(nóng)作物之一，玉米秸稈主要由葉和莖組成，其中莖又由外皮和髓組成，莖中含有較多的髓是玉米秸稈的一大特點。髓由薄壁組織和維管束組成，髓的薄壁細胞多呈球形，壁甚薄，且髓中含有一定量的糖分和SiO2，密度很小、蓬松柔軟、吸水性強、機械強度極低［1-5］。近些年來，玉米秸稈皮髓分離機的發(fā)明為玉米秸稈皮和髓的分別利用創(chuàng)造了條件。通常情況下，多將玉米秸稈的皮用于制漿造紙，而髓的用途不大。本實驗重點探討乙醇玉米稈髓漿對舊箱紙板（OCC）紙漿的增強效果，為擴展玉米稈髓的新用途提供思路。

1 實驗

1.1 原料

玉米稈髓：產(chǎn)于大連的成熟玉米秸稈，經(jīng)人工剝皮、去節(jié)后，取髓作原料。

將低檔舊箱紙板在水中浸泡24h、撕成碎片、水力碎漿機碎解，然后用瓦利打漿機進一步疏解打漿，經(jīng)篩選、洗滌、甩干后裝入自封袋平衡水分備用（以下簡稱廢紙漿）。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料成分分析

玉米稈髓經(jīng)植物粉碎機粉碎后過60目篩，混合均勻，放入自封袋中平衡水分。按國家相關(guān)標(biāo)準對玉米稈髓進行分析，包括水分、抽出物、Klason木素、綜纖維素、纖維素、果膠等含量的測定。

1.2.2 乙醇法蒸煮

利用ZQS-1型15L電熱回轉(zhuǎn)蒸煮鍋（西北輕工業(yè)學(xué)院機械廠生產(chǎn)，內(nèi)襯4個容積為2L的不銹鋼小罐）進行蒸煮，設(shè)計正交實驗L9（34），采用自催化乙醇法蒸煮。蒸煮結(jié)束后，取黑液測定pH值，漿料經(jīng)洗滌后測定其得率和高錳酸鉀值，用所得玉米稈髓漿以20％的配比添加到廢紙漿中抄紙，紙張定量為100g/m2，測定紙張的物理強度，通過分析得出最佳蒸煮條件。

1.2.3 抄紙實驗與物理性能檢測

將在最佳蒸煮條件下所得的玉米稈髓漿添加到廢紙漿中，改變玉米稈髓漿的加入量（0、10％、15％、20％、25％、30％，占總漿料量），用實驗室標(biāo)準紙頁成形器抄紙，定量100g/m2，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準［6］測定紙張的厚度、抗張強度、撕裂度、耐破度、耐折度和環(huán)壓強度等性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 玉米稈髓的化學(xué)組成

分析玉米稈髓的Klason木素、綜纖維素、纖維素、聚戊糖、灰分、有機溶劑抽出物含量等，以了解原料的化學(xué)組成特征，據(jù)此選擇合適的蒸煮工藝條件，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，玉米稈髓中纖維素和木素含量較低，聚戊糖和抽出物含量較高，尤其是1％NaOH抽出物含量高達52.91％，主要是溶出原料中所含的部分無機鹽類、植物堿、單寧、色素以及多糖類物質(zhì)，還能溶解一部分木素、聚戊糖和聚己糖。玉米稈髓中較高的聚戊糖含量有利于自催化乙醇法制漿，在高溫條件下，聚戊糖的水解可以為反應(yīng)提供足夠的酸度，而且聚戊糖的溶出也可以為碎解木素的脫除打開通道。原料中較高含量的苯-醇抽出物也可在制漿過程中被乙醇這一有機溶劑抽提而大部分溶出。玉米稈髓的一大特點是含有大量的比較難以分離的維管束，這些維管束的存在對紙張的強度性能和外觀質(zhì)量有一定的影響。在乙醇法蒸煮高溫高壓的條件下，維管束能夠很好地分離為單細胞。因此，從原料組分的角度分析，玉米稈髓較適宜用乙醇法蒸煮。

表1 玉米稈髓的化學(xué)成分 ％

2.2 乙醇法蒸煮玉米稈髓

2.2.1 蒸煮條件的確定

影響自催化乙醇法制漿的因素較多，主要有酸度、蒸煮最高溫度、保溫時間、液比和乙醇體積分數(shù)5個因素。其中，酸度雖然對制漿的影響較大，但實際上制漿過程中體系的酸度是由原料品種、蒸煮最高溫度、保溫時間、液比和乙醇體積分數(shù)5個因素決定的［7-10］。因此，對玉米稈髓而言，所選擇的因素只需考慮蒸煮最高溫度、保溫時間、液比和乙醇體積分數(shù)即可。玉米稈髓乙醇法蒸煮正交實驗方案L9（34）如表2和表3所示。

2.2.2 正交實驗結(jié)果及分析

正交實驗結(jié)果及極差分析見表4和表5。

由表5的極差分析可知，影響得率的因素是蒸煮最高溫度＞液比＞乙醇體積分數(shù)＞保溫時間，影響高錳酸鉀值的因素是蒸煮最高溫度＞保溫時間＞乙醇體積分數(shù)＞液比。蒸煮條件對紙張物理強度也有一定的影響，保溫時間和液比對成紙環(huán)壓強度的影響要大于蒸煮最高溫度和乙醇體積分數(shù)；各因素對耐破度的影響相當(dāng)，液比稍大；影響抗張強度的因素是蒸煮最高溫度＞液比＞保溫時間＞乙醇體積分數(shù)；對耐折度影響最大的因素是乙醇體積分數(shù)。綜合考慮，蒸煮最高溫度是主要影響因素，其次是液比、乙醇體積分數(shù)和保溫時間。從表4可以看出，當(dāng)蒸煮最高溫度為185℃，保溫時間90min時，即正交實驗的實驗4，所得漿料得率和成紙強度均較高，因此，選擇玉米稈髓乙醇法蒸煮的適宜條件為：蒸煮最高溫度185℃，保溫時間90min，液比1∶25，乙醇體積分數(shù)60％。

表2 正交實驗水平因素

表3 乙醇法蒸煮玉米稈髓正交實驗表

表4 正交實驗結(jié)果

表5 正交實驗極差分析表

2.2.3 再現(xiàn)性實驗

取一定質(zhì)量的玉米稈髓原料在上述最優(yōu)條件下蒸煮，自然升溫（升溫時間約50min）進行再現(xiàn)性實驗，結(jié)果如表6所示。

從表6可以看出，在最佳條件下蒸煮所得的玉米稈髓漿得率較高，在40％以上，成紙抗張指數(shù)和環(huán)壓指數(shù)高達30.61N·m/g和5.98N·m/g，優(yōu)于正交實驗的各組數(shù)據(jù)，緊度、撕裂指數(shù)和耐折度也較高，說明所選蒸煮條件是適宜的。

2.3 玉米稈髓漿配比抄紙

將最佳蒸煮條件所得玉米稈髓漿按一定的用量（0、10％、15％、20％、25％、30％）與廢紙漿混合抄紙，檢測紙張的物理強度。玉米稈髓漿的不同加入量對紙張性能的影響如圖1和圖2所示。

表6 再現(xiàn)性實驗蒸煮結(jié)果

由圖1和圖2可知，玉米稈髓漿的加入能夠有效地提高成紙的強度。隨玉米稈髓漿配比的增加，成紙的緊度、環(huán)壓指數(shù)和耐破指數(shù)呈增大的趨勢，而抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐折度先迅速上升然后下降。當(dāng)玉米稈髓漿加入量為25％時，成紙抗張指數(shù)達到最大值，與不含玉米稈髓漿的紙張相比提高了77.7％，環(huán)壓指數(shù)和耐破指數(shù)也分別增大了47.1％和26.7％。未加玉米稈髓漿的紙張耐折度較差，在實驗室條件下無法準確測出，但隨著玉米稈髓漿配比的增加，這一現(xiàn)象得到明顯改善。紙張強度的增大主要是由于玉米稈髓漿的纖維短小，與廢紙漿混合抄紙后，纖維會填補于纖維網(wǎng)絡(luò)的空隙中，能夠改善成紙的勻度（如圖3所示）。從化學(xué)組成方面來說，玉米稈髓中含有一定量的糖類物質(zhì)，其中的羥基、羧基等基團能夠與纖維素中的羥基形成氫鍵，增加纖維的結(jié)合面積，從而提高紙張的強度。從圖1可以看出，紙張的撕裂指數(shù)在玉米稈髓漿配比20％時達到最大，之后隨著玉米稈髓漿配比的增加，成紙的撕裂指數(shù)下降，而且當(dāng)玉米稈髓漿配比為30％時，成紙撕裂指數(shù)低于未加玉米稈髓漿的紙張，這是由于較高的玉米稈髓漿加入量導(dǎo)致紙張單位面積內(nèi)長纖維的比例降低，使得紙張在撕裂時纖維比較容易從樣品中拉出。另外，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，隨著玉米稈髓漿配比的增加，漿料的濾水性變差，這主要是由于玉米稈髓漿中薄壁細胞含量高所致。綜上所述，玉米稈髓漿的適宜加入量為20％～25％，此時成紙強度較高。

圖3 廢紙漿樣片（左）及添加玉米稈髓漿后紙漿樣片（右）的顯微鏡觀察圖

3 結(jié)論

3.1 對玉米稈髓進行原料分析發(fā)現(xiàn)，玉米稈髓中聚戊糖和抽出物的含量較高，尤其是1％NaOH抽出物含量高達52.9％，但是纖維素含量較低，不適于直接用于制漿造紙。從原料組分的角度分析，玉米稈髓較適宜采用乙醇法蒸煮。

3.2 用自催化乙醇法蒸煮玉米稈髓，通過正交實驗確定出最佳蒸煮條件：蒸煮最高溫度185℃，保溫時間150min，液比1∶25，乙醇體積分數(shù)60％。

3.3 將在最佳蒸煮條件下所得的玉米稈髓漿與舊箱紙板漿以不同的比例混合抄紙，成紙的強度性能得到了極大改善，玉米稈髓漿的適宜加入量為20％～25％（占總漿料量），與未添加玉米稈髓漿的紙張相比，成紙的抗張指數(shù)和環(huán)壓指數(shù)分別提高70％和40％以上。這對于瓦楞紙、箱紙板等廢紙纖維的再利用非常有益。

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