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硫酸盐竹浆与木浆的打浆特性和纸张性能对比研究

  • 朱宗伟
  • 李兵云 ✉
  • 李海龙
华南理工大学轻工科学与工程学院，广东广州，510640

中图分类号： TS721

最近更新：2022-06-18

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2022.06.007

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摘要

以硫酸盐竹浆为研究对象，筛分后测定了竹浆各级分纤维的含量，研究了筛除细小纤维组分前后竹浆的打浆特性和纸张性能，并与漂白硫酸盐针叶木浆和漂白硫酸盐阔叶木浆（以下简称木浆）进行对比。研究发现，竹浆中长纤维级分和细小纤维组分含量较高，R16和P200级分纤维的含量分别为50.8%和25.1%；在PFI打浆过程中，相同打浆转数下，竹浆纤维相比木浆纤维更容易被切断和产生扭结现象。竹浆中细小组分有利于纸浆游离度的降低和纸浆保水值的提高，降低打浆能耗；在相同的游离度下，竹浆原浆和筛除细小纤维组分后的竹浆纸张的抗张指数、撕裂指数均大于木浆，竹浆原浆纸张的耐破指数和筛除细小纤维组分后的竹浆纸张的耐折度大于木浆的。

我国是纸张生产和消费大国。据统计，2020年全国纸和纸板生产量11260万t，消费量11827万t。其中，我国木浆消耗总量占纸浆消耗总量的40%，国产木浆只占15%，而进口木浆占25%[

1]。我国是一个缺林少绿的国家，森林覆盖率低于全球30.7%的平均水平。随着我国天然林保护工程的实施，木材产量进一步减少[2]，木浆资源缺乏，可用于造纸的木材少，主要依赖进口。但我国竹类资源丰富，全国拥有竹类植物37属631种，竹林面积600多万hm2，占世界竹林资源30%以上[3-4]。竹材作为制浆造纸原料有很多的优点，如成材快、产量高、纤维细长、纤维素含量高、可再生、一次种植年年受益等特点，且竹浆纤维性能介于针叶木浆和阔叶木浆之间，明显优于草类原料[5-7]。2021年，十部门联合发布了《关于加快推进竹产业创新发展的意见》，明确提出了因地制宜发展竹产业，加强纸浆用竹、纤维用竹，扩大竹纤维纸制品，推动竹浆造纸生态环保工艺研发等[8]，说明国家对竹材制浆造纸越来越重视。合理利用我国得天独厚的造纸竹资源，发展竹材制浆造纸，在一定程度上可以调整我国造纸工业原料结构，竹木并举，弥补我国木浆供给不足。

与木材不同，竹纤维细胞壁为厚、薄多层交替结构[

9]。竹浆中含有大量的细小纤维及杂细胞，主要为薄壁细胞、石细胞、导管、表皮细胞及纤维碎片等[10]。细小纤维及杂细胞不仅会影响到纸机的运行过程，还会影响到纸张的物理强度性能[11]。因此，本研究以硫酸盐竹浆为研究对象，采用Bauer-McNett纤维筛分仪筛分并测定竹浆中各级分的含量，研究筛除细小组分前后竹浆的打浆性能及强度性质，与漂白硫酸盐针叶木浆和漂白硫酸盐阔叶木浆进行比较，为竹浆代替木浆的可行性进行研究。

1 实　验

1.1　实验原料与试剂

大叶龙竹，取自广西；漂白硫酸盐针叶木浆（漂针浆）为松木浆，漂白硫酸盐阔叶木浆（漂阔浆）为桉木浆，均为商品浆，购于山东；NaOH，分析纯，广州化学试剂厂；Na2S，分析纯，广州化学试剂厂。

1.2　实验仪器

Messmer Somerville型计算机控制立式蒸煮器（美国GreenWood）；S401700001型浆料平板筛分仪（德国PTI）；Bauer-McNett型纤维筛分仪（德国PTI）；Mark V1型PFI磨浆机（挪威Hamar）；加拿大游离度仪（德国PTI）；RK3AKWT型快速凯赛法纸页成型器（奥地利）；FS5型分析仪（芬兰Valmet）；CE062型抗张强度仪（瑞典L&W）；009型撕裂度仪（瑞典L&W）；CE180型耐破度仪（瑞典L&W）；S1 3505.000型双夹头耐折度仪（德国PTI）；EVO 18型钨灯丝扫描电子显微镜（德国蔡司）。

1.3　实验方法

1.3.1　竹浆的制备

取绝干质量1500 g的竹片于蒸煮器中，采用硫酸盐法制浆，蒸煮工艺为：用碱量23%（以NaOH计），硫化度25%（以Na2S计），液比1∶4，最高温度160℃，升温2 h，保温2 h。蒸煮完成后，将制得的竹浆洗净，并用筛缝为0.15 mm的平板筛筛选，去除杂质得到竹浆（记为竹浆1）。

1.3.2　竹浆纤维级分含量测定

一部分竹浆1用纤维筛分仪进行筛分。每次取10 g绝干竹浆在纤维解离器中疏解10000转，倒入纤维筛分仪中进行筛分，收集各目数纤维，计算各级分含量。去除通过200目筛网的细小组分，得到的其他级分混合均匀，记为竹浆2。

1.3.3　PFI打浆及纸浆性能测定

将竹浆1、竹浆2、漂针浆和漂阔浆参照QB/T 1463—2010采用PFI磨浆机进行打浆。4种纸浆的游离度、保水值测定依据相应国家标准进行。检测各纸浆打浆前后纤维的长度、宽度、卷曲指数、扭结指数和细小纤维含量等参数。

1.3.4　抄纸与纸张强度性能检测

对打浆前后各纸浆进行抄纸，定量60 g/m2。参照国家标准测定纸张的抗张强度（GB/T 12914—2018）、撕裂度（GB/T 455—2002）、耐破度（GB/T 454—2002）和耐折度（GB/T 457—2008）。

1.3.5　扫描电子显微镜

将未压榨湿纸幅进行冷冻干燥，取样，真空镀金，用扫描电子显微镜（SEM）观察纸张中纤维的交织情况。

2 结果与讨论

2.1　竹浆筛分后各级分含量

通过采用纤维筛分仪对纸浆进行筛分，可以获得纸浆中不同长度级分组成情况。图1为竹浆1筛分后得到的级分含量分布情况，其中R16、R30、R100、R200分别表示截留在16、30、100、200目筛网的纤维组分，P16、P30、P100、P200分别表示通过16、30、100、200目筛网的纤维组分，P16/R30表示通过16目筛网而截留在30目筛网的纤维组分，P30/R100、P100/R200同理。从图1可以看出，纸浆中R16级分含量占比为50.8%（质量比），P16/R30级分、P30/R100级分和P100/R200级分总含量占比为24.1%，P200级分含量占比为25.1%，说明竹浆中的纤维主要是长纤维，其中也含有较多的细小组分。图2是竹浆1、竹浆2和P200级分纤维的SEM图。从图2可见，竹浆纤维细长，纤维表面光滑，筛分前竹浆纤维中含有大量的细小组分，竹浆中杂细胞主要是石细胞和薄壁细胞，石细胞为球形和椭圆形，薄壁细胞为长方形，且这部分细胞会影响纸浆的性质[

12]。因此，在实际生产过程中可以通过孔筛和缝筛等筛选设备去除这部分杂细胞，提高竹浆纤维质量，从而为实现其替代部分针叶木浆，提高竹浆的应用价值。

图1  竹浆筛分组成

Fig. 1  Composition of bamboo pulp classification

图2  竹浆1、竹浆2和P200级分纤维的SEM图

Fig. 2  SEM images of bamboo pulp 1, bamboo pulp 2 and P200 fraction fibers

2.2　不同打浆转数下纸浆纤维特性分析

将竹浆1、竹浆2、漂针浆、漂阔浆4种纸浆用PFI磨浆机进行打浆，对比研究4种纸浆在不同打浆转数下的纤维特性。表1是不同打浆转数下4种纸浆纤维特性分析结果。

表1  不同打浆转数下纸浆纤维特性参数
Table 1  Pulp fiber characteristics at different beating revolutions
纸浆打浆转数/r长度/mm宽度/μm长宽比卷曲度/%扭结/m-1细小纤维含量/%
竹浆1 0 1.95 17.3 113 12.4 2636 27.4
2000 1.69 17.8 95 22.9 3991 36.2
4000 1.70 18.1 94 24.9 4413 34.8
6000 1.68 18.2 92 25.0 4472 35.6
8000 1.67 18.3 91 23.6 4627 35.4
10000 1.58 18.1 87 24.3 4749 36.3
竹浆2 0 2.00 17.3 116 15.3 3176 1.9
2000 1.89 18.1 104 23.3 3558 2.5
4000 1.82 18.5 98 23.2 3975 3.8
6000 1.81 18.7 97 23.1 4042 4.2
8000 1.75 19.2 91 22.8 4222 4.9
10000 1.66 18.7 89 22.4 4486 6.5
15000 1.63 18.5 88 23.4 4654 8.3
漂针浆 0 2.11 30.3 70 16.5 4492 9.2
2000 2.12 32.0 66 17.1 3727 10.8
4000 2.14 33.4 64 16.1 3809 11.2
6000 2.03 33.6 60 15.4 3671 15.6
8000 2.01 33.8 59 13.1 3342 18.0
10000 1.98 33.0 60 11.9 3449 19.8
15000 1.87 32.3 58 11.9 3458 24.7
漂阔浆 0 0.78 17.2 45 15.9 5144 18.7
2000 0.80 17.3 46 15.2 4211 19.2
4000 0.79 17.9 44 14.2 4141 19.4
6000 0.78 18.4 42 14.1 4408 21.3
8000 0.77 18.6 41 13.8 4425 21.4
10000 0.76 18.7 41 13.8 4632 24.1

注   表中扭结为根据Kibblewhite扭结指数计算值，细小纤维含量为细小纤维投影面积的百分比。

纤维形态参数与纸张强度关系密切[

13-14]，也是评价纸浆性质的重要参数之一。从表1可以看出，未打浆时，竹浆1、竹浆2的纤维长度为2.00 mm左右，接近漂针浆（长度为2.11 mm），而远远大于漂阔浆（长度为0.78 mm）。竹浆1和竹浆2的纤维宽度均为17.3 μm左右，其宽度与漂阔浆纤维宽度接近，而漂针浆纤维宽度为30.3 μm。随着打浆转数的增加，竹浆1和竹浆2纤维长度呈减小趋势，当打浆转数为10000转时，竹浆1的纤维长度为1.58 mm，降低了19%，竹浆2纤维长度为1.66 mm，降低了17%，而漂针浆和漂阔浆纤维长度随着打浆转数的增加基本保持不变，说明竹浆1和竹浆2在PFI打浆过程发生较多的切断。竹浆纤维细胞壁厚，细胞腔较小，纤维较挺硬，打浆过程中较易被切断，而木材纤维腔大壁薄，细胞壁结构简单，切断作用较小。

纤维在一定浓度和剪切力作用下，会发生卷曲和扭结现象[

15]。从表1中还可以看出，随着打浆转数的增加，竹浆1和竹浆2的卷曲度先增加后稳定的趋势，纤维扭结呈现增加的趋势，而漂针浆和漂阔浆卷曲度和扭结均呈现降低的趋势。当打浆转数为2000转时，竹浆1的卷曲度从12.4%增加到22.9%，竹浆2卷曲度从15.3%增加到23.3%，打浆转数为4000转时，竹浆1卷曲度增加到24.9%，而竹浆2卷曲度基本没有增加，继续增加打浆转数，竹浆1和竹浆2的卷曲指数基本不发生变化。对于漂针浆和漂阔浆来说，当打浆转数增加到10000转时，漂针浆和漂阔浆纤维卷曲度分别从16.5%和15.9%降到11.9%和13.8%。另外，打浆转数为10000转时，竹浆1和竹浆2纤维扭结分别从2636 m-1和3176 m-1增加到4749 m-1和4486 m-1，而漂针浆和漂阔浆纤维扭结分别从4492 m-1和5144 m-1降到3449 m-1和4632 m-1。因此，在打浆过程中，竹浆纤维受到齿盘和纤维间作用力会发生卷曲和扭结现象。

综上所述，在PFI打浆过程中，相同打浆转数下，竹浆纤维相比木浆纤维更容易被切断和产生扭结现象。

2.3　不同打浆转数下游离度和保水值的变化

游离度能反映纸浆的滤水性能，但浆料的滤水性能受纤维切断、压溃、润胀和细纤维化等诸多因素影响。因此，仅用游离度不能准确地反映纸浆强度性能的变化，而纸浆保水值可以反映纤维的润胀程度和细纤维化程度，以及纤维之间结合力的大小[

16]。综合考虑游离度和保水值更能确切反映出纸浆的性能。本研究通过测定纸浆的游离度和保水值来考察竹浆的打浆特性，图3和图4分别是不同打浆转数对2种竹浆及木浆的游离度和保水值的影响。

图3  游离度随打浆转数的变化

Fig. 3  Variation of freeness with the beating revolutions

图4  保水值随打浆转数的变化

Fig. 4  Variation of water retention value with beating revolutions

从图3可以看出，去除通过200目筛网的细小纤维组分后，竹浆的游离度从原来的590 mL（CSF）增加到695 mL（CSF），随着打浆转数的增加，4种纸浆的游离度均呈下降趋势。打浆转数在10000转时，竹浆1和竹浆2的游离度分别从590 mL（CSF）和695 mL（CSF）下降到135 mL（CSF）和305 mL（CSF），漂针浆和漂阔浆的游离度分别从770 mL（CSF）和660 mL（CSF）下降到330 mL（CSF）和185 mL（CSF）。相同的打浆转数下，竹浆1的游离度最低，且在打浆前期游离度的下降速度最快。与竹浆2相比，竹浆1中含有较多的细小纤维组分，细小纤维组分中纤维表面疏松多孔，比表面积大，打浆后容易破裂和吸水润胀，滤水更困难，使纸浆的游离度相对较低[

17]。从图3中还可以看出，为了得到与竹浆1和漂阔浆相近的游离度，竹浆2和漂针浆需要更多的打浆转数，会消耗更多能耗。

从图4可以看出，筛除细小纤维组分后，竹浆保水值从225%降低到206%，高于漂针浆和漂阔浆。随着打浆转数的增加，4种纸浆的保水值逐渐增加。打浆转数在10000转时，竹浆1和竹浆2的保水值分别从225%和206%增加到353%和299%，漂针浆和漂阔浆的保水值分别从125%和183%增加到293%和343%。竹浆2和漂针浆在15000转的打浆转数下，保水值分别增加到320%和301%，低于竹浆1在10000转时的保水值，这说明细小纤维的存在有利于打浆过程中纤维润胀和细纤维化。在同一打浆转数下，竹浆1的保水值大于另外3种纸浆的保水值，竹浆1含有较多的细小纤维，打浆过程中，细小纤维的细胞壁容易破裂，比表面积增大，吸水润胀，保水值较高[

17]；竹浆2的保水值大于漂针浆，这说明在打浆过程中，筛除细小组分后，竹浆纤维较漂针浆纤维易润胀和细纤维化。

图5是4种纸浆在不同打浆转数下的SEM图。如图5所示，竹浆纤维细长，漂针浆和漂阔浆呈宽带状。打浆转数在4000转时，4种浆料纤维表面已经起毛，纤维表面碎片开始剥落；打浆转数在10000转时，纤维分丝帚化明显，纤维表面碎片脱落，纤维之间的结合面积增大。从图5(a)和图6(b)可以看出，在相近的游离度下，竹浆2分丝帚化比竹浆1明显。竹浆1游离度的下降是由细小纤维的破裂和吸水润胀与长纤维的吸水润胀和分丝帚化共同影响的。竹浆1含有较多的细小纤维，细小纤维比长纤维更容易破裂和吸水润胀，导致竹浆1中长纤维的吸水润胀和分丝帚化不明显。把细小组分筛除后对竹浆进行打浆，游离度的下降完全依靠长纤维的吸水润胀和分丝帚化作用[

18]。所以在游离度相近的条件下，竹浆2的分丝帚化更明显。

图5  4种纸浆在不同打浆转数4000转下的SEM图

Fig. 5  SEM images of four pulps at beating revolutions of 4000 r

图6  4种纸浆在打浆转数10000转下的SEM图

Fig. 6  SEM images of four pulps at beating revolutions of 10000 r

2.4　打浆对纸张强度性能的影响

2.4.1　打浆对纸张抗张指数的影响

纸张的抗张指数与纤维长度和纤维之间的结合力有关[

19]。图7是4种纸张的抗张指数随游离度的变化。如图7所示，随着游离度的减小，4种纸张的抗张指数呈上升趋势，竹浆1和竹浆2纸张的抗张指数分别从87.4 N·m/g和40.5 N·m/g增加到105 N·m/g和82.0 N·m/g，漂针浆和漂阔浆纸张的抗张指数从11.1 N·m/g和12.8 N·m/g增加到78.5 N·m/g和79.2 N·m/g。在打浆过程中，4种纸浆纤维被不同程度切断而使纤维长度减小，但纤维表面破碎、起毛，分丝帚化程度变高，纤维之间的结合力增强，纤维之间的结合力对纸张抗张指数的影响大于纤维长度对其影响，因此抗张指数升高。筛除细小纤维组分后，竹浆2的抗张指数减小，游离度升高。竹浆中细小纤维的存在能够促进纤维之间的结合，在打浆过程中，细小纤维更容易吸水润胀和细纤维化，纤维间结合面积增加。在相近游离度下，竹浆1纸张的抗张指数大于竹浆2，且两者均大于漂针浆和漂阔浆。

图7  抗张指数随游离度的变化

Fig. 7  Variation of tensile index with freeness

2.4.2　打浆对撕裂指数的影响

撕裂度对纤维长度的依赖程度随纤维间结合情况而变化，结合程度低时，依赖性较大；结合程度高时，依赖性减小[

19]。通常，纤维长度长的纸浆能抄造出撕裂度高的纸张[20]。因为纤维长度长，纤维之间结合位点增多，结合程度增强，撕裂时纤维更多是被拉断。图8是4种纸张的撕裂指数随游离度的变化。如图8所示，随着游离度的减小，竹浆1纸张的撕裂指数逐渐减小，从9.51 mN·m2/g减小到8.26 mN·m2/g，在打浆过程中，竹浆1纤维长度减小，其纤维长度对撕裂度的影响大于纤维之间的结合力；竹浆2和漂针浆纸张的撕裂指数先增后减，竹浆2在游离度为610 mL时，达到最大值12.1 mN·m2/g，漂针浆在游离度为710 mL（CSF）时，得到最大值9.08 mN·m2/g；漂阔浆纸张的撕裂指数逐渐上升，从1.82 mN·m2/g增加到5.53 mN·m2/g。竹浆2在整个打浆过程中，其撕裂指数变化幅度不大，虽然纤维长度不断减小，但纤维之间的结合程度也在不断上升，所以竹浆2纸张的撕裂指数变化比较平稳。筛除细小组分后，竹浆纸张的撕裂指数增大，从9.51 mN·m2/g增加到11.5 mN·m2/g。在相近游离度下，竹浆2纸张的撕裂指数大于竹浆1，且两者均大于漂针浆和漂阔浆。

图8  撕裂指数随游离度的变化

Fig. 8  Variation of tearing index with freeness

2.4.3　打浆对耐破指数的影响

纸张的耐破指数受纤维间的结合力和纤维平均长度的影响，主要取决于纤维间结合力[

10]。图9是4种纸张的耐破指数随游离度的变化。如图9所示，随着游离度的减小，竹浆1和竹浆2纸张的耐破指数先增后减，竹浆1在游离度280 mL（CSF）时，达到最大值7.85 kPa∙m2/g，竹浆2在游离度445 mL（CSF）时，达到最大值5.25 kPa∙m2/g；漂针浆和漂阔浆纸张的耐破指数均呈上升趋势，漂针浆从1.19 kPa∙m2/g增加到6.21 kPa∙m2/g，漂阔浆从1.19 kPa∙m2/g增加到5.64 kPa∙m2/g。随着打浆的进行，纤维细胞壁逐渐被破除，纤维表面分离出微细纤维，纤维间的结合力上升，虽然纤维长度由于打浆的切断作用而有所降低，但纤维间结合力起主导作用，使纸张的耐破指数升高；打浆后期，由于持续的打浆作用，纤维被严重切断，使纸张的耐破指数开始下降。筛除细小纤维组分后，竹浆纸张的耐破指数减小，从5.05 kPa∙m2/g减小到3.65 kPa∙m2/g，游离度升高。在相近游离度下，竹浆1纸张的耐破指数大于其余3种纸浆，在打浆前期，竹浆2纸张的耐破指数大于漂针浆。竹浆1的纤维长度在打浆过程中均低于漂针浆，但其纸张的耐破指数大于漂针浆，说明竹浆1纤维之间的结合程度高于漂针浆。

图9  耐破指数随游离度的变化

Fig. 9  Variation of bursting index with freeness

2.4.4　打浆对耐折度的影响

纸张的耐折度主要决定于纤维平均长度，其次是纤维之间的结合力[

21]。图10是4种纸张的耐折度随游离度的变化。如图10所示，随着游离度的减小，竹浆1和漂阔浆的耐折度呈上升趋势，竹浆1从691次增加到1002次，漂阔浆从0次增加到678次；竹浆2和漂针浆的耐折度先增加后减小，竹浆2在游离度为305 mL（CSF）时，达到最大值1435次，漂针浆在游离度为420 mL（CSF）时，达到最大值878次。打浆前期，纤维细胞壁被破除，纤维结合力上升，耐折度上升；打浆后期，纤维被严重切断，纸张的耐折度开始下降。筛除细小组分后，竹浆纤维长度变长，耐折次数增加，从691次增加到863次。在同一游离度下，竹浆2的耐折次数高于其余3种纸浆，竹浆1的耐折次数在打浆后期大于漂针浆。

图10  耐折度随游离度的变化

Fig. 10  Variation of folding endurence with freeness

3 结　论

本研究以硫酸盐竹浆为研究对象，通过Bauer-McNett纤维筛分仪筛分后测定了竹浆各级分的含量，并研究了筛除细小纤维组分前后竹浆的打浆特性和纸张性能，与漂白针叶木浆和漂白阔叶木浆的浆料性能进行了对比。

3.1　竹浆纤维中，长纤维级分和细小纤维组分的含量较高，R16和P200级分纤维的含量分别为50.8%和25.1%。竹浆纤维长度2.00 mm左右、宽度17.3 μm左右；纤维长度接近漂白针叶木浆，远大于漂白阔叶木浆，长宽比大于漂白针叶木浆和漂白阔叶木浆。

3.2　在PFI打浆过程中，相同打浆转数下，竹浆纤维相比木浆纤维更容易被切断和产生扭结现象。

3.3　竹浆中细小组分可以有利于纸浆游离度的降低和纸浆保水值的提高，降低打浆能耗，在相近打浆转数条件下，去除细小纤维组分的竹浆游离度和保水值介于漂白针叶木浆和漂白阔叶木浆间。

3.4　相近游离度下，竹浆1和竹浆2纸张的抗张指数和撕裂指数大于漂白针叶木浆和漂白阔叶木浆，竹浆1纸张的耐破指数和竹浆2纸张的耐折度大于漂白针叶木浆和漂白阔叶木浆。

3.5　与漂白针叶木浆和漂白阔叶木浆相比，竹材作为造纸原料，其制浆所得纸浆的纤维长度较长，长宽比较高，纸张强度性能优异，是一种良好的造纸原料，有替代漂白针叶木浆和漂白阔叶木浆的潜力。

参考文献

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