响应面分析法优化桑枝SCMP制浆工艺

赵桂玲 文 凤 赵 晨 李 宁 柳俊万 许传林 骆莲新

(广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁，530004)

广西每年生产300多万t桑枝，但只有一部分桑枝用作燃料和栽培食用菌，大部分桑枝作为农业废弃物，经济利用价值低，对环境也造成污染，因此，桑枝利用率不高［1-2］。桑枝具有优良的纤维，且综纤维含量较高［3］。国内对桑枝采用化学法制浆的研究比较多，桑枝化学法制浆有硫酸盐法、AP-AQ法和烧碱蒽醌法等［4-6］，但高得率制浆的研究比较少。响应面分析法 (response surface methodology，简称RSM)可以研究多个变量与一个或大于一个因变量之间的回归关系，通过回归方法分析获得自变量与因变量之间的回归关系，从而获得最佳的工艺条件［7］。

本课题研究桑枝磺化化机浆 (SCMP浆)制浆造纸工艺，采用单因素实验，测定桑枝SCMP浆的纸张性能，并采用响应面分析法优化实验，获得制备桑枝SCMP浆的最佳工艺条件。

1 实验

1.1 实验原料

桑枝来源于广西南宁蚕桑基地，桑枝切成长度为20～30 mm，自然风干备用。

1.2 实验仪器

ZQSI-15电热蒸煮锅，咸阳通达轻工设备有限公司;ZSP300高浓磨浆机，吉林造纸有限公司造纸机械厂;YQ-Z-48A白度仪，杭州轻通仪器开发公司;DC-NPY5600耐破度测定仪，四川长江造纸仪器有限责任公司;L＆W抗张强度及断裂韧性测定仪，Lorentzen＆Wettre公司;83-20-00撕裂度仪，荷兰Buchel公司。

1.3 实验方法

1.3.1 磺化条件

用清水浸泡桑枝，滤掉清水后放置电热蒸煮锅内，加入NaOH溶液和Na2SO3溶液，液比为1∶5，升温到130℃后保温120 min，取出桑枝，滤掉废液后放进清水中浸泡，采用高浓磨浆机磨浆。磨浆工艺为三段磨浆，磨浆浓度15%，磨盘间距分别为0.3 mm、0.15 mm、0.15 mm。

1.3.2 打浆

采用PFI磨打浆，肖伯氏打浆度仪测定浆料打浆度。

1.3.3 抄造手抄片

采用Tappi抄片器抄造定量为70 g/m2的手抄片。

1.3.4 性能测定

在457 nm波长的蓝光下测定纸浆的白度［8］;耐破指数按照国家标准GB/T 454—1989计算;撕裂指数按照国家标准GB/T 455.1—1989计算;抗张指数按照国家标准GB/T 453—1989计算。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验研究

2.1.1 Na2SO3用量对SCMP浆性能的影响

表1为桑枝SCMP制浆时Na2SO3用量对纸浆性能的影响。

表1 Na2SO3用量对SCMP浆性能的影响

从表1可知，随Na2SO3用量的增加，纸浆白度增加，当 Na2SO3用量为21%时，纸浆白度达到50.2%;而纸浆的耐破指数和撕裂指数则出现先增加后减小的趋势。Na2SO3用量增加使木素引入更多磺酸基，当其用量增加到一定量后，有部分木素磺酸盐溶出，因此纸浆白度不断增加。同时，纸浆中总酸基含量增加，纸浆中纤维间结合力也增大，从而提高纸浆的耐破指数。当Na2SO3用量增加到15%时，纸浆的耐破指数最大，继续增加用量，纸浆中羧酸基含量下降引起纤维间结合力减小，耐破指数也下降。Na2SO3用量从9%增加到15%时，桑枝磺化度增加，有利于磨浆时纤维分离，长纤维含量增加，从而提高纸浆的撕裂指数，纸浆的撕裂指数从3.88 mN·m2/g增加到5.27 mN·m2/g，Na2SO3用量超过15%时，纸浆的撕裂指数开始下降。随Na2SO3用量的增加，纸浆的抗张指数不断增加。

2.1.2 NaOH用量对SCMP浆性能的影响

表2为桑枝SCMP制浆时NaOH用量对纸浆性能的影响。

表2 NaOH用量对SCMP浆性能的影响

NaOH会使纤维变黄，NaOH用量增加会加剧纤维变黄程度。如表2所示，纸浆白度随NaOH用量的增加不断下降。NaOH具有润胀纤维的作用，有利于磨浆时纤维细纤维化，增强纤维间结合力，使得纸浆的耐破指数增加。NaOH用量增加到4%时，纸浆的耐破指数出现了峰值，为4.99 kPa·m2/g。NaOH用量高于4%时，纸浆的耐破指数呈现下降趋势。由于NaOH用量过高时浆料中总酸基含量 (磺酸基和羧酸基)减少，纤维间结合力也减弱，纸浆的抗张指数和撕裂指数随NaOH用量增加出现先增加后减小的趋势。在NaOH用量较低时，NaOH使纤维润胀，磨浆时使纤维完整分离，并使纤维细纤维化，增强了纤维自身强度，因此，纸浆的抗张指数和撕裂指数出现增大现象。NaOH用量大于6%时，纸浆的抗张指数和撕裂指数出现下降，NaOH用量较高，溶液中钠离子增加，会减小离子密度太大所形成的水合离子的半径，引起纤维润胀程度的下降［9］。

2.1.3 最高温度对SCMP浆性能的影响

表3为桑枝SCMP制浆时最高温度对纸浆性能的影响。

表3 最高温度对桑枝SCMP浆性能的影响

由表3可知，最高温度为115℃时，纸浆白度达到最高，为48.2%;继续升温，纸浆白度开始下降。温度增加有利于化学药液与桑枝的反应，增加磺化速率，利于桑枝木素引入磺酸基基团，降低木素的软化温度，增强木素与水的亲和力，从而利于纤维分离，增加细纤维化程度，因此，纸浆的耐破指数呈增加趋势。最高温度达130℃时，纸浆的耐破指数出现下降趋势，尽管提高反应温度可以加快磺化反应速率，但对纸浆的耐破指数不利。而纸浆的抗张指数随最高温度上升而增加。表3中最高温度不断上升，纸浆的撕裂指数不断增加，最高温度上升到145℃时，纸浆的撕裂指数达到最大值为6.72 mN·m2/g;最高温度超过145℃时，纸浆的撕裂指数出现下降趋势。最高温度上升，有利于纤维软化，提高浆料中长纤维比例，因此纸浆的撕裂指数增加。

2.1.4 保温时间对SCMP浆性能的影响

表4为桑枝SCMP制浆时保温时间对纸浆性能的影响。

表4 保温时间对桑枝SCMP浆性能的影响

保温时间在60～120 min时，纸浆的浆白度、耐破指数和抗张指数不断增加，但保温时间大于120 min时，纸浆白度、耐破指数和抗张指数下降，见表4。适当延长保温时间，桑枝中半纤维在碱性条件下会部分溶出，有利于提高纸浆耐破指数。延长保温时间超过120 min后，桑枝可能软化过度，可能会增加表面被木素包覆的纤维比例，引起浆料白度下降，同时阻碍纤维分离，造成磨浆困难［10］。降低浆料中纤维细纤维化程度，可引起纸浆耐破指数下降。由实验结果可知，保温时间60 min延长到80 min，纸浆撕裂指数增加到最大值，最大值为6.30 mN·m2/g，当保温时间延长大于80 min时，纸浆撕裂指数开始下降现象。适当延长保温时间，提高桑枝磺化度和长纤维含量，增强纸浆撕裂指数。桑枝中韧皮部长纤维含量比较高，超时延长保温时间，桑枝韧皮部纤维会部分碱性水解，降低浆料中长纤维比例，从而降低纸浆撕裂指数。

2.2 采用响应面分析法优化桑枝SCMP制浆工艺

2.2.1 实验设计

采用响应面分析实验软件Design-Expert 8.0.1中Box-Behnken，实验设计了NaOH用量 (X1)、Na2SO3用量 (X2)和最高温度 (X3)3因素3水平共17个实验点进行响应面分析，其中5个实验中心点，研究了不同条件下制浆对SCMP浆白度的影响。Box-Behnken实验因素、水平及实验结果见表5和表6。

表5 Box-Behnken实验因素及水平

表6 Box-Behnken实验设计与结果

2.2.2 响应面分析法实验结果与分析

根据SAS设计软件中Box-Behnken实验设计得到以白度为目标的回归方程:

式中，Y1为白度，X1为 NaOH用量，X2为Na2SO3用量，X3为最高温度;方程中各项系数绝对值大小直接反映各个因素对目标值的影响程度，系数的正负反映了影响的方向。从式 (1)可知，最高温度线性项对白度影响比较显著。

2.2.3 回归方程方法分析

表7为白度回归方程方法分析表。表7中 F值为423.60，表示这个模型是显著的，发生数据偏差或丢失的可能性只有0.01%，方程可靠性高。同时大于F值的几率小于0.05，所以模型的显著性明显。相关系数R2=0.9982，说明其拟合程度高;R2Adj－R2Pred= 0.9958 －0.9707=0.0251＜0.2，表明模型可信度高。精密度表示实验结果的重现性，一般要求大于4。表7中精密度为71.513，远远大于4，表明实验结果重现性好。从表7中差异显著 (P值)可以看出NaOH用量、Na2SO3用量和最高温度对白度的影响都是极其显著的，NaOH用量与Na2SO3用量间交互作用和NaOH用量与最高温度间交互作用都是相对显著的。

2.2.4 各因素相互影响响应面分析

采用Design-Expert 8.0.1中Box-Behnken分析得到回归方程方法分析的等高线图和三维响应曲面图，如图1～图3所示。等高线图的形状为椭圆形，表示该两因素间交互作用显著;等高线图的形状为圆形，则表示该两因素间交互作用不显著。三维响应曲面图可以直观地反应因素对目标值的影响。

当最高温度为 130℃时，NaOH用量与Na2SO3用量交互作用对SCMP浆白度影响如图1所示。从图1可知，Na2SO3用量比NaOH用量对白度影响效果更加显著。

表7 白度回归方程方法分析表

图1 NaOH用量与Na2SO3用量交互作用对SCMP浆白度的影响

图2 NaOH用量与最高温度交互作用对SCMP浆白度的影响

当Na2SO3用量15%时，NaOH用量与最高温度交互作用对SCMP浆白度影响见图2。从图2可知，纸浆白度随着最高温度上升而下降，当最高温度为115℃、NaOH用量3%时，纸浆白度达到最高值。

当NaOH用量4%时，Na2SO3用量与最高温度交互作用对SCMP浆白度影响见图3。从图3可知，纸浆白度随着Na2SO3用量的增加而增加，Na2SO3用量为18%、最高温度115℃时，纸浆白度达到最大值。

图3 Na2SO3用量与最高温度交互作用对SCMP浆白度的影响

2.2.5 响应面分析法得到桑枝SCMP制浆最佳工艺

综上可知，通过响应面分析法获得的制备桑枝SCMP浆的最佳工艺为:NaOH用量3%，Na2SO3用量18%，最高温度为115℃，根据式 (1)预计此条件下SCMP浆白度为49.4%。为验证该方法可靠性，在此条件下制备SCMP浆，实验测得SCMP浆白度为49.4%，耐破指数为4.51 kPa·m2/g，抗张指数为31.8 N·m/g，撕裂指数为5.35 mN·m2/g。实验结果与期望值相等，表明该法可靠。

3 结论

采用桑枝为原料制备磺化化机浆 (SCMP浆)，考察磺化条件对SCMP浆性能的影响，并通过响应面分析法获得制备桑枝SCMP浆的最佳工艺为:NaOH用量3%，Na2SO3用量为18%，最高温度115℃。在此条件下获得的SCMP浆白度为49.4%，耐破指数为5.35 mN·m2/g，抗张指数为31.8 N·m/g，撕裂指数为 5.35 mN·m2/g。

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