強(qiáng)韌竹木混合未漂長(zhǎng)纖漿生產(chǎn)實(shí)踐

劉平原 原兆兵 周鯤鵬 徐應(yīng)盛 邱鵬福 周嘉瑋

（湖南駿泰新材料科技有限責(zé)任公司生物基材料研究院，湖南懷化，418005）

我國(guó)是世界上紙和紙板生產(chǎn)與消耗大國(guó)，隨著“禁廢”令全面實(shí)施及“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)，加上國(guó)外對(duì)原木出口政策的收緊，我國(guó)制漿企業(yè)面臨的木材原料尤其是針葉木原料短缺的結(jié)構(gòu)性矛盾日益突出，這對(duì)我國(guó)制漿造紙行業(yè)的安全運(yùn)行已經(jīng)構(gòu)成了威脅[1]。

第9次全國(guó)森林資源清查結(jié)果顯示，我國(guó)竹林面積達(dá)641萬(wàn)hm2（其中毛竹林為467.78萬(wàn)hm2），占森林總面積的2.94%，竹林生物量為4.22億t（其中毛竹林生物量為3.30億t），主要分布在福建、江西、浙江、湖南、四川、廣東、安徽、廣西8省、區(qū)。有關(guān)研究報(bào)道，竹林具有很強(qiáng)的固碳能力，集約經(jīng)營(yíng)楠竹林每公頃每年碳匯超過(guò)12.7 t，具有顯著的可持續(xù)再生利用特性[2-3]。

雖然竹木制漿造紙?jiān)谖覈?guó)有悠久的歷史，竹纖維又具有天然抗紫外線、抑菌、吸濕等功能[4-5]，加之竹子屬非木纖維，每年會(huì)自我更新，無(wú)需重新栽種，3~4年就可以砍伐利用，具有低碳環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有助于制漿原料的安全獲得，但受裝備、工藝、環(huán)保等制約，我國(guó)竹漿產(chǎn)量不高，且竹漿企業(yè)主要集中在四川。根據(jù)《中國(guó)造紙工業(yè)2020年度報(bào)告》分析，竹漿在國(guó)產(chǎn)紙漿中的占比僅2.15%，遠(yuǎn)低于木漿的14.6%。竹木通常被漿紙企業(yè)用來(lái)單獨(dú)制漿，如四川永豐紙業(yè)、貴州赤天化紙業(yè)、重慶理文紙業(yè)等；也有漿紙企業(yè)將其與闊葉木混合制漿或單獨(dú)制漿混合漂白的，如廣寧鼎豐紙業(yè)、贛州華勁紙業(yè)等。由于竹木與針葉木物化性質(zhì)相差較大，鮮有使用竹木與針葉木混合生產(chǎn)商品漿。鑒于毛竹制漿存在得率低、雜細(xì)胞含量高、設(shè)備結(jié)垢、白泥回收困難等方面的問(wèn)題[6-8]，需要在竹木備料以及竹木混煮、混漂、篩分等方面采取針對(duì)性措施，以實(shí)現(xiàn)竹漿高值化應(yīng)用。

湖南是我國(guó)楠竹（phyllostachys pubescens，又稱毛竹）資源大省，而省內(nèi)岳陽(yáng)林紙與懷化駿泰科技每年又需從外地采購(gòu)大量木片，利用湖南豐富的楠竹資源，替代部分針葉木，開(kāi)發(fā)強(qiáng)韌竹漿助力湖南制漿造紙行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，具有十分重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)與中試生產(chǎn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及試劑

試生產(chǎn)所用竹木片全部為楠竹，取自懷化、常德、益陽(yáng)等地，大部分為加工剩余料削片，少部分為新鮮大徑楠竹削片；試生產(chǎn)所用馬尾松木片取自湖南、貴州、廣西等，均為馬尾松原木加工剩余料削片。

蒸煮用白液為湖南駿泰新材料科技有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱駿泰新材料）堿回收自產(chǎn)。

1.2 儀器與設(shè)備

木片分析實(shí)驗(yàn)篩（PSFM-20，新鄉(xiāng)新平航空機(jī)械有限公司）；自制仿真實(shí)驗(yàn)釜（JSC150，有效容積150 L，見(jiàn)圖1）；PTI篩漿機(jī)（P40170.E000，規(guī)格0.2 mm，美國(guó)MK公司）；常規(guī)紙頁(yè)成型器（2545，日本KRK公司）；PFI盤(pán)磨機(jī)（2511，日本KRK公司）；白度測(cè)定儀(70，瑞典L&W公司)；抗張強(qiáng)度測(cè)定儀(62，瑞典L&W)；耐破度測(cè)定儀(180，瑞典L&W公司)；撕裂度測(cè)定儀(9，瑞典L&W公司)；纖維分析儀（912，瑞典L&W公司）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)室蒸煮、洗篩及氧堿脫木素

由于不同品種不同產(chǎn)地竹木物化特性及制漿工藝相差較大，為了保證楠竹與馬尾松混煮試生產(chǎn)的正常運(yùn)行，先利用自制JSC150仿真實(shí)驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖1，按照工廠實(shí)際生產(chǎn)流程配置有溫充兼置換黑液罐、熱充黑液罐、白液罐、蒸煮釜和循環(huán)泵）進(jìn)行模擬蒸煮。按楠竹與馬尾松不同配比分別進(jìn)行蒸煮，先將竹木混合片約40 kg（折合絕干約25 kg）裝入鍋內(nèi)，然后泵入溫充黑液約100 L，循環(huán)約30 min，再按堿分配量泵入白液，接著泵入熱充黑液，最后泵入剩余的白液，將溫充液頂出，進(jìn)行升溫蒸煮和保溫。按設(shè)定H因子完成蒸煮后，用置換液對(duì)鍋內(nèi)漿料進(jìn)行置換冷卻，置換結(jié)束后排汽降溫，最后打開(kāi)卸料閥門(mén)，收集漿樣和黑液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

圖1 JSC150仿真實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Simulation experiment device-JSC150

將蒸煮漿樣置于180目的布袋中，邊用手搓揉邊用清水清洗，然后將漿料放到PTI篩漿機(jī)中進(jìn)行篩選，收集細(xì)漿和漿節(jié)漿渣。

將篩后漿料調(diào)節(jié)至漿濃10%裝入氧脫反應(yīng)釜內(nèi)，通氧升溫進(jìn)行氧脫木素，結(jié)束后排汽卸壓降溫，取出漿樣用清水洗滌備用。

通過(guò)對(duì)不同蒸煮用堿量、蒸煮堿分配、H因子、氧壓、氧脫木素用堿量及溫度等參數(shù)的優(yōu)化，確定不同竹木配比條件下最佳蒸煮與氧脫工藝參數(shù)。

1.3.2 漿料篩分

分別用150目、360目金屬網(wǎng)對(duì)漿料進(jìn)行篩分，采用纖維分析儀對(duì)留存在不同網(wǎng)目上的漿樣進(jìn)行纖維形態(tài)分析。

1.3.3紙張性能檢測(cè)

紙漿卡伯值（硬度）、抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)、灰分、黏度、白度分別按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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測(cè)定。

1.4 工廠中試

原料質(zhì)量配比為85（馬尾松）∶15（楠竹），采用8×400 m3間歇蒸煮鍋進(jìn)行蒸煮后，漿料經(jīng)過(guò)除節(jié)、洗滌、一段氧脫木素及三段洗滌后送漿板車間抄造。具體工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 漿料經(jīng)蒸煮洗滌流程圖Fig.2 Flow chart of pulp cooking and washing

2 結(jié)果與討論

2.1 原料分析

2.1.1 成分分析

入廠竹木片水分偏差較大，水分含量為18%~49%，主要是竹木片來(lái)源不同所致，既有新鮮整竹加工的，也有竹產(chǎn)品加工剩余邊角料切片的；竹木片中粗大片材平均含量低于馬尾松片，但篩后長(zhǎng)條含量較馬尾松片高，且不同產(chǎn)地來(lái)材差距較大，說(shuō)明削片質(zhì)量參差不齊。具體結(jié)果如表1和表2所示，其中，粗大片是指截留在孔徑40 mm、縫寬8 mm篩板上的超大超厚片；合格片是指尺寸為7~40 mm、厚度3~8 mm的部分；竹屑/木屑是指通過(guò)3.0 mm篩板部分。竹木片整體規(guī)格偏小，主要是沒(méi)有使用竹木片專用削片設(shè)備，且大部分竹木片未經(jīng)篩選。

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

表2 馬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

取工廠現(xiàn)場(chǎng)白液進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 蒸煮白液Table 3 Composition of white liquor

2.1.3 組分分析

對(duì)不同產(chǎn)地不同原料進(jìn)行了組分分析，其中竹木片為采購(gòu)部門(mén)寄樣，馬尾松片為湖南駿泰新材料現(xiàn)場(chǎng)取樣，結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可知，不同產(chǎn)地竹木片灰分、氯離子、SiO2含量相差較大，但都明顯高于馬尾松，懷化楠竹的灰分、氯離子、SiO2含量分別是懷化周邊馬尾松的3.2倍、3.4倍和3.5倍；楠竹聚戊糖及木素含量較高，其密度、1%NaOH抽出物遠(yuǎn)高于馬尾松。

表4 不同材種組分分析Table 4 Chemical composition analysis of various raw materials

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.2.1 蒸煮工藝

通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)分析以及相關(guān)竹漿企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)竹木結(jié)構(gòu)致密、蒸煮周期長(zhǎng)，大部分竹木雜細(xì)胞與1%NaOH抽出物含量均高達(dá)25%~30%，且含有一定數(shù)量的蛋白質(zhì)、果膠、淀粉、蠟、脂肪等膠黏類物質(zhì)[9]?；谏鲜龇治?，確定楠竹單獨(dú)蒸煮用堿量為16.3%（AA，以Na2O計(jì)），馬尾松及木片混合蒸煮用堿量為17.8%（AA，Na2O計(jì)），工藝參數(shù)詳見(jiàn)表5。

表5 蒸煮工藝參數(shù)Table 5 Cooking process parameters

2.2.2 蒸煮漿料及黑液分析

對(duì)蒸煮漿料及蒸煮黑液進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)果見(jiàn)表6。從表6可知，盡管楠竹密度大，木素含量高，但在較低用堿量、較低H因子情況下，竹漿卡帕值僅為22，說(shuō)明楠竹比松木更易蒸煮。隨著竹漿摻配比例增加，蒸煮漿料卡伯值、細(xì)漿得率、纖維平均長(zhǎng)度等呈下降趨勢(shì)，黏度則有所上升，但白度提升不明顯。

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

2.2.3 打漿與抄片

采用PFI磨將原料打漿至（40±2）oSR，抄片定量60 g/m2，檢測(cè)其強(qiáng)度性能，結(jié)果見(jiàn)表7。從表7可知，竹漿打漿度上升快，單獨(dú)楠竹漿抄片強(qiáng)度尤其是耐破指數(shù)較低；在30%配比范圍內(nèi)，隨著竹漿配比上升，紙張抗張強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，耐破度變化不明顯，當(dāng)竹漿配比達(dá)50%時(shí)，紙張抗張指數(shù)、耐破指數(shù)下降明顯?？傮w來(lái)說(shuō)，在馬尾松中配比小于30%的竹漿，對(duì)漿料強(qiáng)度的影響不明顯，但打漿度上升較快，同樣叩解度下所需打漿轉(zhuǎn)數(shù)明顯低于松木漿，這與相關(guān)研究結(jié)論一致[10]。

表7 不同竹漿配比紙張強(qiáng)度Table 7 Paper strength of different proportion bamboo pulp

2.2.4 竹漿篩分實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)雜細(xì)胞對(duì)紙張強(qiáng)度的影響，對(duì)柳州撐篙竹制成的漿料進(jìn)行篩分，并打漿抄片，檢測(cè)其紙張強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表8。從表8可知，竹漿經(jīng)篩分后，相同打漿度所需轉(zhuǎn)數(shù)明顯上升，且紙張撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)均高于篩分前，尤其是撕裂指數(shù)增加明顯。另外，篩分后抄片過(guò)程纖維流失明顯低于篩分前。通過(guò)顯微鏡進(jìn)一步觀察，發(fā)現(xiàn)這種長(zhǎng)約0.4 mm左右的竹漿碎片，大部分呈不規(guī)則顆粒狀或塊狀（見(jiàn)圖3），易碎片化，導(dǎo)致打漿度快速上升。

圖3 篩分前楠竹漿光學(xué)顯微鏡照片（20×10）Fig.3 Optical microscope of before screening bamboo pulp samples（20×10）

表8 柳州撐篙竹篩分前后紙張強(qiáng)度對(duì)比Table 8 Strength comparison of Guangxi bambusa pervariabilis before and after screening

2.3 中試生產(chǎn)

2.3.1 蒸煮與氧脫木素工藝根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)為避免臘質(zhì)與樹(shù)脂類物質(zhì)對(duì)運(yùn)行和質(zhì)量的不良影響，蒸煮時(shí)添加了少量樹(shù)脂控制劑，采用二段氧脫木素。蒸煮與氧脫木素工藝參數(shù)分別見(jiàn)表9、表10。

表9 蒸煮工藝參數(shù)Table 9 Cooking process parameters

表10 氧脫木素工藝參數(shù)Table 10 Oxygen delignification process parameters

2.3.2 放鍋漿料卡伯值及黑液性質(zhì)

放鍋漿料和黑液性質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表11和表12。從表11、表12可知，放鍋卡伯值相差不大，卡伯值均在39左右；松木漿摻配竹漿后，循環(huán)殘堿明顯降低，從19.2 g/L下降到17.7 g/L，1#熱充黑液槽殘堿也隨之下降1.0 g/L，說(shuō)明竹木片在蒸煮過(guò)程中消耗了較多的堿；摻配竹漿后黑液成分變化不明顯，但黑液氯離子含量上升較快。

表11 放鍋漿料及黑液分析Table 11 Analysis of cooking pulp

表12 黑液性質(zhì)分析Table 12 Analysis of black liquor properties

2.3.3 漿節(jié)漿渣

圖4摻配竹漿前后漿渣量對(duì)比圖。由圖4可知，摻配竹漿后，漿節(jié)漿渣量有明顯上升。取渣節(jié)量分析，其中竹節(jié)竹渣占比很小，主要是木節(jié)木渣，說(shuō)明竹木片在蒸煮時(shí)消耗了較多的堿，導(dǎo)致松木片蒸煮不均勻。

圖4 摻配15%竹漿前后篩選渣漿量對(duì)比Fig.4 Comparison of knots&rejects amount before and after mixing 15%bamboo pulp

2.3.4 成品質(zhì)量分析

成品質(zhì)量分析見(jiàn)表13。從表13可知，摻配15%的竹漿，對(duì)成品質(zhì)量強(qiáng)度及白度等指標(biāo)影響很??；摻配前后質(zhì)量改變較大的是紙漿卡伯值，從33.6上升到36.0。這是由于是竹木片規(guī)格小、細(xì)小組分多，消耗了較多的蒸煮用堿，導(dǎo)致松木片蒸煮均勻性下降，殘余木素高所致。

表13 成品質(zhì)量主要指標(biāo)對(duì)比Table 13 Comparison of main indicators of product quality

2.3.5 運(yùn)行分析

竹纖維細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)與針葉木材差異很大，竹纖維紋孔小且少，不利于蒸煮藥液滲透，生產(chǎn)高卡伯值漿料時(shí)漿節(jié)漿渣量較高，且竹漿制漿黑液中硅、氯、鉀等含量較高，易引起蒸發(fā)結(jié)垢、堿爐積灰、石灰窯結(jié)圈等問(wèn)題，此次試生產(chǎn)時(shí)竹漿摻配比例控制在15%。生產(chǎn)運(yùn)行中主要變化為：蒸煮循環(huán)殘堿偏低，漿節(jié)漿渣量明顯增加；漿料濾水性有所下降，表現(xiàn)在2#DD洗漿機(jī)濾液電導(dǎo)率上升，中段廢水CODCr濃度上升；抄漿與堿回收運(yùn)行未見(jiàn)明顯變化。

2.3.6 中段廢水變化情況分析

中段廢水分析結(jié)果見(jiàn)表14。從監(jiān)測(cè)情況來(lái)看，摻配竹漿時(shí)廢水排放量未見(jiàn)明顯變化，但廢水進(jìn)水CODCr濃度上升明顯，其中蒸發(fā)與木片水洗排放的廢水CODCr濃度變化不大，主要是制漿排放的廢水CODCr濃度上升很快所致。由于此次試生產(chǎn)期間，氧脫木素后1臺(tái)雙輥洗漿機(jī)因故障未運(yùn)行，待該臺(tái)雙輥恢復(fù)正常運(yùn)行后，制漿排放的中段廢水CODCr濃度將下降，不會(huì)影響廢水站正常運(yùn)行。但在同一工況下，說(shuō)明摻配竹漿后，漿料洗滌效率下降。

表14 摻配竹漿前后中段廢水CODCr濃度對(duì)比Table 14 Comparison of CODCr concentration before and after mixing bamboo pulp

3 結(jié) 論

3.1 試生產(chǎn)期間外購(gòu)的竹木片規(guī)格偏小，需改進(jìn)削片設(shè)備以提高竹木片合格率；新鮮楠竹抽出物含量高，需要適當(dāng)儲(chǔ)存，建議削片后存放30~40天，以降低蒸煮堿耗；竹木片需要進(jìn)行高效篩選和水洗，盡量減少竹屑及泥沙混入。

3.2 竹木片在蒸煮初期堿耗較高，與其抽出物含量高有關(guān)，摻配生產(chǎn)時(shí)應(yīng)注意堿分配，避免循環(huán)殘堿過(guò)低造成木片蒸煮不均勻，可適當(dāng)增加熱充用堿量以及熱充黑液量，并盡量將富含抽提物的黑液置換出蒸煮送蒸發(fā)。當(dāng)楠竹漿配比為20%~30%時(shí)，合適的用堿量為17.8%~18.2%（AA，以Na2O計(jì)），白液硫化度26%~30%，溫充、熱充、蒸煮用堿量配比為15%∶25%~30%∶60%~55%，蒸煮最高溫度158~160℃，H因子1050~1150，漿料卡伯值35~40。

3.3 摻配15%楠竹后，渣節(jié)量明顯增加，說(shuō)明蒸煮均勻性不夠，需要優(yōu)化用堿量分配，漿料濾水性性能下降，制漿中段廢水CODCr濃度上升較快，需要加強(qiáng)漿料洗滌；摻配比例小于30%楠竹漿對(duì)紙張質(zhì)量影響不大，但在同一打漿度下打漿轉(zhuǎn)數(shù)下降明顯。