有机酸法玉米秸秆皮浆短流程TCF漂白特性

黄 萍 马干平 翟华敏 李志勇， 张 燕 喻 力

(1.南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏南京，210037;2.芬欧汇川亚洲研发中心，江苏常熟，215536)

玉米秸秆不但是重要的生物质原料［1-2］，也是良好的造纸纤维原料［2-4］。有机溶剂制浆作为一种新型的制浆方法因其具有生物质炼制特征而备受关注，生物质炼制制浆具有潜在的前景［5-6］。与传统制浆工艺相比，有机酸制浆法具有多组分可同时利用、成本低、废液易于回收和污染少等优点［5］。有机酸法浆漂白一般采用H2O2漂白 (P)、氧脱木素 (O)和生物助漂等组成的全无氯 (TCF)漂白方式，所得漂白浆的性能与传统漂白浆相近［6］。压力 H2O2漂白(PO)［7］是在氧脱木素［8］和 H2O2漂白［9］基础上发展起来的一种漂白技术，具有高效和环境友好的特点，适合于草浆的短流程无污染漂白［10-11］。在PO漂白过程中，H2O2解离产生有效漂白成分HOO-和·OH等自由基，HOO-进攻木素结构单元的发色基团，使漂白浆白度提高;·OH自由基可降解木素交联结构，有利于发色基团的脱除，能有效提高纸浆亮度，但过量的·OH自由基也会降低浆料的聚合度及其亮度稳定性［12］。有机酸制浆与传统制浆相比可获卡伯值较低的浆［13-14］，采用短流程TCF漂白程序可达到较高亮度。由于人们对文化用纸亮度有新的绿色要求，中偏高亮度纸浆的市场需求将增加。因此，研究有机酸法浆料短流程TCF漂白具有重要意义。

本实验选择短流程E(PO)、E(PO)P漂白程序对有机酸法玉米秸秆皮浆 (OABCSRP)进行漂白，以期在选择性高的碱处理 (E)和较低H2O2用量条件下经短流程TCF漂白达到目标亮度。

1 实验

1.1 浆料

OABCSRP浆用甲酸和乙酸混合酸由实验室自制，具有得率较高、卡伯值低、黏度高、灰分含量较低的特点，性能如表1所示。

表1OABCSRP浆主要性能

1.2 碱处理(E)

碱处理浆浓10.0%、温度 (70±0.5)℃、时间1.5 h、NaOH 用 量 1.5%、3.0%、4.5%、6.0%，于聚乙烯塑料自封袋中进行。将浆、碱液及所需水在自封袋中混合均匀后，恒温水浴加热，处理过程中每隔15 min搓揉1次，以保证浆与碱液均匀混合。以不加NaOH的试样为对照样。

1.3 (PO)P漂白

在最优的碱处理 (E)工艺条件下处理后，再进行 (PO)P两段漂白。

PO漂白浆浓10.0%、温度 (110±0.5)℃、时间 50 min、氧压 0.75 MPa、H2O2用量为 1.0%、2.0%、3.0%、4.0%，MgSO4用量 0.1%、Na2SiO3用量1.0%，于反应罐中进行。浆和漂液混合均匀后转移到反应罐中，充氧，放入回转蒸煮锅中，30 min升温到110℃时，保温50 min取出，冷却，终止反应，洗净浆料。同时以不加H2O2的试样为对照样。

P漂白浆浓10.0%、用碱量4.0%、H2O2用量固定为 1.5%、温度 (70 ± 0.5)℃、时间 1.5 h、MgSO4用量0.1%和 Na2SiO3用量1.0%，于聚乙烯塑料自封袋中进行，具体操作参照碱处理段。

1.4 浆料分析

卡伯值采用TAPPI T 236 om-06的规定测定;黏度采用TAPPI T 230 om-04的规定测定;亮度采用TAPPI T 452 om-02的规定测定;灰分采用TAPPI T 211 om-02的规定测定。

1.5 打浆

采用PFI磨打浆［15］，打浆转数分别为0、250、500、750、1000、1250、1500转。打浆度按 TAPPI T248 wd-97标准测定。

1.6 抄纸

手抄片在带有白水回用的ME255型标准成形器上进行抄造。淀粉用量0.7%，阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)用量 0.04%，以维持 CaCO3填料含量19% ～21%，控制纸张定量70～72 g/m2。

1.7 纸张性能分析

松厚度采用TAPPI T 500 cm-98的规定测定;抗张指数采用TAPPI T 495 om-96的规定测定;撕裂指数采用TAPPI T 414 om-98的规定测定。

2 结果与讨论

2.1 E段用碱量对浆性能的影响

碱处理能有效地脱除有机酸法浆中的乙酰基，从而提高浆的亲水性，并对浆进行改性［16］。碱处理过程中用碱量对OABCSRP浆性能的影响结果见表2。

表2 用碱量对OABCSRP浆性能的影响

从表2可知，用碱量由0提高到4.5%时得率平缓降低，用碱量4.5%时得率为95.3%，但用碱量从4.5%到6.0%时得率下降较快，表明用碱量较高时浆得率损失较大。用碱量从0增加到1.5%时卡伯值变化不大，而用碱量从1.5%增加到6.0%时卡伯值下降幅度较大，当用碱量为4.5%时，木素脱除率可达到33.3%。随着用碱量的增加，纸浆的黏度呈先升后降的趋势，当用碱量在4.5%左右黏度达到最大;但当用碱量超过4.5%时黏度下降，但此时黏度仍然高于原浆黏度 (100.0 mPa·s)。因此，当用碱量控制在合适范围内，碱处理具有高的脱木素选择性。

表3 PO段H2O2用量对漂白浆性质的影响

结合用碱量对浆得率及其脱木素选择性的影响，碱处理合理的用碱量约为4.0%。

2.2 E(PO)漂序中H2O2用量对漂白特性的影响

未漂浆经E段 (用碱量为4.0%)处理后，进行PO段H2O2用量优化实验，H2O2用量对E(PO)漂白浆性能的影响见表3、图1和图2。

从图1可以看出，E(PO)段的H2O2用量对浆得率的影响不大，还可看出浆的亮度随着H2O2用量增加而增加，H2O2用量在0～1.0%之间时，亮度增加较慢;H2O2用量为1.0% ～2.0%时，亮度增加较快，从66.4%增加到79.9%;当H2O2用量在2.0%～4.0%之间亮度增加不明显，当H2O2用量为4.0%时亮度为83.4%。从图2可见，E(PO)段浆的黏度随着H2O2用量增加而降低，在H2O2用量为2.0%时黏度很快下降到了43.2 mPa·s，此后增加H2O2用量黏度下降缓慢。结合H2O2用量对得率、亮度和黏度的影响，E(PO)漂序中H2O2较佳用量为2.0%。

经E段用碱量4.0%的处理后，接着PO段H2O2用量 2.0%的漂白，可得累计得率 88.7%、黏度43.2 mPa·s、亮度 79.9% 的漂白浆。可见，E(PO)漂白程序短、漂剂用量少，漂白浆得率、亮度和黏度较高，适合于中高档文化用纸用浆。

2.3 PO段H2O2用量对E(PO)P漂白浆特性的影响

对不同H2O2用量的E(PO)漂白浆再进行P段漂白，P段H2O2用量固定在1.5%，PO段H2O2用量对E(PO)P浆性能的影响见表3。

从表3可看出，当P段H2O2用量一定时，浆的得率随PO段中H2O2用量影响较小，H2O2用量在1.0% ～4.0%之间纸浆得率都在99.5%以上，其得率较对照样 (96.5%)高，说明碱度对得率影响较大。此外，H2O2用量对黏度影响较大，随着H2O2用量增加，黏度不断下降，在低H2O2用量时，这一趋势特别明显。与对照样相比，碱和H2O2都是影响黏度的重要因素，但后者的影响更大。当P段H2O2用量固定为1.5%时，PO段H2O2用量对E(PO)P终漂浆的亮度影响仍较大;另一方面，整体比较E(PO)和E(PO)P漂序可知，P段对E(PO)P最终亮度影响很大。

综上所述，经E段4.0%NaOH碱处理后，再相继进行PO段 (H2O2用量1.0%，兼顾得率、黏度和亮度)和P段 (H2O2用量1.5%)漂白，E(PO)P漂白 (H2O2总用量2.5%)能获得累计得率86.4%、黏度 59.6 mPa·s、亮度 82.7%的漂白浆。2.4 E(PO)漂白浆的打浆及纸张性能

OABCSRP浆经过E(PO)漂白，其漂白工艺条件为:E段 NaOH 量为 4.0%;PO 段浆浓 10.0%，H2O2用量2.0%，温度110℃，时间50 min，氧压0.75 MPa，MgSO4用量 0.1%，Na2SiO3用量 1.0%。所得到的E(PO)漂白浆性能为:得率88.3%，黏度35.8 mPa·s，亮度 80.1%，灰分 0.17%。

经E(PO)漂白的OABCSRP漂白浆在不同打浆转数打浆条件下的浆料性能如表4所示。

图3为打浆转数对漂白浆打浆度的影响。从图3可见，随着打浆转数的增加，打浆度呈线性增加，可用线性方程 (1)表示。其打浆特性与麦草浆的类似，即在低磨浆能耗下获得明显的打浆效果，这可能与OABCSRP浆经E(PO)短流程漂白后浆的纤维超微结构有关［17］。

式中，y为打浆度 (°SR);x为打浆转数 (转)。

图3 打浆转数对漂白浆打浆度的影响

打浆转数对漂白浆的抗张指数、伸长率、撕裂度和松厚度性能的影响见表4。为了给实际生产提供参考，纸张成形在白水回用和维持CaCO3填料含量在19%～21%的情况下进行。由表4可以看出，漂白浆随着打浆转数的增加，抗张指数从16.1 N·m/g增加到45.9 N·m/g，表明OABCSRP浆经E(PO)漂白后，再经打浆其抗张指数很容易提高;随着打浆转数由0增加到1000转时，漂白浆的撕裂指数从4.7 mN·m2/g增加到7.1 mN·m2/g;当打浆转数高于1000转时，撕裂指数有所降低，表明打浆度高于某一值后纸浆在打浆时纤维被切断，从而使撕裂强度下降;漂白浆的松厚度随着打浆转数的增加而降低，当打浆转数由0增加到1500转时，松厚度从1.70 cm3/g降低到1.26 cm3/g。

表4 打浆转数对E(PO)漂白浆性能的影响

3 结论

选择短流程E(PO)、E(PO)P对有机酸法玉米秸秆皮浆 (OABCSRP)进行漂白，研究碱处理 (E)、压力H2O2(PO)和H2O2(P)及组合漂白工艺对OABCSRP浆性能的影响。

3.1 碱处理对OABCSRP浆有较高的脱木素选择性，是后续H2O2漂白的重要基础。经4.0%NaOH的碱处理，可获得得率 95.4%、脱木素率23.5%、黏度115 mPa·s、亮度 44.2%的浆。

3.2 短流程E(PO)漂白浆可用于中高白度文化用纸。经4.0%NaOH碱处理和后续的PO漂白 (2.0%H2O2)，可获得得率 87.6%、黏度 53.5 mPa·s、亮度79.9%的OABCSRP漂白浆。E(PO)漂白浆较易打浆，成纸性能较好。

3.3 采用E(PO)P漂程，在H2O2总用量为2.5%时，漂白浆得率为86.4%，黏度为59.6 mPa·s，亮度为82.7%。

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