李 士 勇, 孫 廣 衛(wèi), 韓 穎, 丁 旭, 楊 汝 男

( 大連工業(yè)大學(xué) 遼寧省高校制漿造紙工程重點實驗室, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

我國的生物質(zhì)資源十分豐富,年產(chǎn)量約11 145億噸,僅生物秸稈就達7億多噸 ,其中玉米秸稈約占35%[1]。

玉米秸稈由秸皮、髓和秸葉組成。由于玉米秸稈的外皮中所含纖維強度高、韌性好,目前已被用來造紙,制人造板,尤其是在玉米秸稈皮穰分離機[2]發(fā)明后,應(yīng)用更為廣泛。而稈髓每年產(chǎn)量在1 700萬噸左右,僅有少量用來加工飼料和制作一次性餐具[3],并沒有進行高值利用。本論文針對玉米稈髓在造紙行業(yè)紙張增強劑方面進行了有效的探索。

1 試 驗

1.1 原 料

玉米秸稈,產(chǎn)自大連市,貯存時間一年以上；楊木堿性過氧化氫機械漿(APMP),由河南濮陽龍豐紙業(yè)提供。

1.2 方 法

1.2.2 稈髓處理方法

1.2.2.1 探索性試驗

將玉米稈髓切成火柴桿狀大小的細條,經(jīng)水煮排氣后,用體積比為1∶1的過氧化氫和冰醋酸浸沒原料,在60 ℃下處理數(shù)小時,直至分離成單根纖維。

1.2.2.2 NaClO2處理玉米稈髓工藝

天然玉米稈髓→植物粉碎機粉碎→過18目篩→NaClO2用量30%,冰乙酸5 mL,在溫度85 ℃下處理2 h(固液質(zhì)量比為1∶30)→洗滌→改性玉米稈髓(以下稱NaClO2改性玉米稈髓)。

1.2.3 抄片試驗

按照一定比例將NaClO2改性玉米稈髓與APMP漿混合均勻,用ZQJ 1-A型紙樣抄取器進行抄片試驗,定量為70 g/m2。

1.2.4 物理強度指標(biāo)的檢測

打漿度、白度、裂斷長、撕裂度、耐破度和厚度均按國家標(biāo)準(zhǔn)進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 玉米稈髓做紙張增強劑的可行性

增強對象首先選擇雜細胞含量較低、強度較差的(與化學(xué)漿相比)高得率木漿或者微細組分較少的廢紙漿。本試驗選用楊木APMP來做試驗。

探索性試驗表明,玉米稈髓可被解離成單細胞,成糊狀。

將解離后的玉米稈髓與APMP原漿混合,抄片測其物理強度,其強度與APMP原漿比較結(jié)果見表1。

從表1可以看出,加稈髓手抄片的物理強度明顯比未加稈髓高。其裂斷長提高21.28%,撕裂指數(shù)提高80.79%,因此,可以證明改性后的玉米稈髓對紙張物理指標(biāo)有增強作用。這是由于玉米稈髓中含有較多的半纖維素及粗蛋白、粗纖維、淀粉等聚糖類物質(zhì)與半纖維素的作用類似,不僅有利于打漿,還能夠增加纖維間的結(jié)合力,而且對提高紙張的裂斷長、撕裂度等物理強度有利。

由于探索性試驗中所使用的是純過氧化氫和冰醋酸,用量大、成本高,因此,本論文采用NaClO2處理玉米稈髓。因為NaClO2與過氧化氫和冰醋酸的作用類似,不僅可以去除部分木素,還具有漂白作用,且成本較低。

2.2 NaClO2改性玉米稈髓最佳工藝參數(shù)的確定

2.2.1 NaClO2用量的確定

為確定NaClO2處理玉米稈髓最佳用量,對玉米稈髓進行4組用量試驗,結(jié)果見表2。從表2中可以看出,NaClO2用量為10% 和15%時白度不高,用量為20%和30%較適合。再用NaClO2用量為20%和30%分別抄片,測其成紙的強度,并與原漿對比,結(jié)果見表3。

表2 NaClO2用量對玉米稈髓改性的影響

表3 NaClO2用量對玉米稈髓增強效果的影響

從表3可以看出,NaClO2用量30%成紙強度最好,撕裂指數(shù)提高31.00%,裂斷長提高34.65%,耐破指數(shù)提高41.02%,因此NaClO2處理玉米稈芯最佳用量定為30%。

2.2.2 溫度和時間的確定

目前世界上最新的生產(chǎn)線采用溫度85～90 ℃,時間2～3 h[4]。因此,溫度定為80、85、90 ℃,時間定為2、3、4 h進行正交試驗,處理后將其加入APMP漿中抄片(加入量均為5%),再測定紙張強度,從而選擇最佳處理條件。正交試驗結(jié)果見表4。從表4可以看出,溫度一定,撕裂指數(shù)隨時間的增加先降低而后升高,在3 h時達到最低值,隨溫度的變化不大；白度隨溫度的升高呈現(xiàn)先上升繼而下降的趨勢,在85 ℃時白度相對較高,并且隨時間的延長先緩慢下降繼而快速下降。這是因為在升溫過程中,有些生色基團發(fā)生作用,它隨溫度的變化而變化,溫度過高或過低,生色基團會變色影響白度,因此85 ℃時最佳;裂斷長隨時間的延長先增加后降低,在3 h時裂斷長相對較高；隨溫度的升高先增加后降低,在85 ℃時裂斷長相對較高;耐破指數(shù)隨時間和溫度的變化不是很大。

綜上所述,經(jīng)過NaClO2處理的玉米稈芯在溫度85 ℃,時間2 h時,纖維間的結(jié)合力相對很好,紙張的撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)和裂斷長提高較大,而且白度相對很高,因此確定NaClO2處理的玉米稈芯最佳條件為溫度85 ℃,時間2 h。

表4 最佳處理溫度和時間的正交試驗結(jié)果

2.3 改性玉米稈髓加入量對紙張物理強度的影響

為了進一步了解玉米稈髓對紙張強度的增強效果,采用不同改性玉米稈髓加入量配入漿中,其玉米稈髓加入量為5%、10%、15%、20%,對其進行物理強度檢測,結(jié)果見表5。

表5 玉米稈髓用量對成紙強度的影響

2.3.1 漿中稈髓加入量對白度的影響

從表5中可以看出,白度隨稈髓加入量的增加而有所降低。

2.3.2 漿中稈髓加入量對撕裂指數(shù)的影響

表5中撕裂指數(shù)隨稈髓加入量的增加迅速升高。決定撕裂指數(shù)的主要因素是纖維的形態(tài),包括纖維的長度、粗細和剛度,其次是纖維與纖維結(jié)合的數(shù)目和結(jié)合的強度。它還與緊度、韌性、水分有關(guān)。造成撕裂指數(shù)迅速升高的主要因素是玉米稈髓加入后,在漿中起到了連接和填充的作用,使纖維間的結(jié)合力增加明顯。

2.3.3 漿中稈髓加入量對耐破指數(shù)的影響

表5中耐破指數(shù)隨稈髓加入量的增加先緩慢提高而后迅速上升。它受纖維長度和纖維結(jié)合程度的影響,還與紙頁干燥過程有關(guān),紙頁的勻度也會影響耐破度[5]。耐破指數(shù)之所以升高是因為玉米稈髓中含有一定量的半纖維素和淀粉類物質(zhì),羥基含量豐富,起到了黏結(jié)的作用。它可以與纖維素表面的羥基形成氫鍵,增加纖維間結(jié)合面上的氫鍵數(shù)量,從而增加纖維間的內(nèi)部結(jié)合強度,部分羥基在改性過程中被氧化成醛基或羧基,對纖維結(jié)合力具有一定的增強作用。此外,玉米稈髓的加入還可以改善紙頁的成形勻度,提高細小纖維的留著率,改善紙幅的緊實程度。

2.3.4 漿中稈髓加入量對裂斷長的影響

表5中撕裂指數(shù)隨稈髓加入量的增加迅速升高。影響裂斷長的主要因素有:纖維之間的結(jié)合力、纖維本身強度、纖維的平均長度和纖維的交織情況等,其中以纖維之間的結(jié)合力為最重要因素[7]。其升高原因與耐破指數(shù)基本相似。

3 結(jié) 論

玉米稈髓對APMP漿有明顯的增強作用,可以大幅度提高紙張的物理強度。當(dāng)NaClO2用量30%、時間2 h、溫度85 ℃、稈髓加入量15%時,白度提高0.39%,裂斷長提高59.04%,耐破指數(shù)提高69.23%,撕裂指數(shù)提高74.67%,成紙的各項物理指標(biāo)增加明顯。

[1] 宋安東,任天寶,謝慧,等. 化學(xué)預(yù)處理對玉米秸稈酶解糖化效果的影響[J]. 化學(xué)與生物工程, 2006, 23(8):31-33.

[2] 孫竹瑩,郭升民. 玉米秸稈皮穰分離及其制漿實驗[J]. 中華紙業(yè), 2001, 22(5):41-42.

[3] 高夢祥,許育彬,熊雪峰,等. 玉米秸稈的綜合利用途徑[J]. 陜西農(nóng)業(yè)科學(xué), 2000(7):29-31.

[4] 蘇艷群,譯. 改良ClO2熱漂白工藝[J]. 國際造紙, 2005, 24(3):40-41.

[5] 清河,韓樂梅,王效香. 關(guān)于臨邑造紙廠紙張返黃發(fā)脆的原因[J]. 西南造紙, 2003, 33(3):30-31.