全 文 ：Vol.25 No.1
Jun.2008
第 25卷 第 1期
2008年 6月
桉树科技
EUCALYPT SCIENCE ＆ TECHNOLOGY
收稿日期:2007-10-09
基金项目:国家“十一·五”支撑计划项目———“木材清洁高效制浆造纸技术研究”(2006BAD18B0501)
作者简介:陈乃明(1964-),男 ,高级工程师 ,北京林业大学农业推广专业(林科)在读硕土研究生 ,主要研究方向:林浆纸一体化方向技术研究
通讯作者:房桂干(1966-) , 男 , 研究员 , 博士生导师 , 主要研究方向:制浆造纸清洁生产工艺技术及废水处理技术研发
摘要:以尾巨桉与马占相思为原料 , 采用 P-RC APMP工艺对比研究两者的化学机械法制浆性能 。研究结果表
明 , 相同的过氧化氢用量 4.0%, 氢氧化钠用量 3.5%条件下 , 两种原料制得纸浆的白度相近均可达 75%以上;
马占相思原料制浆得率比尾巨桉约高 3%左右 , 物理强度性能远优于尾巨桉浆 , 相同的 250 ml加拿大游离度下 ,
尾巨桉纸页的抗张强度仅为 20.1 N ·m·g -1 , 而马占相思纸页的抗张强度可达到 26 N ·m ·g -1以上 。制得抗张
强度相近的纸浆 , 马占相思比尾巨桉所需的磨浆电耗约低 20%。
关键词:尾巨桉;马占相思;P-RC APMP
中图分类号:S781.4 文献标识码:A
Pulping Properties Evaluation on Eucalyptus urophylla ×E .grandis
and Acacia mangium Wood Chips by P-RC APMP Technology
CHEN Nai-ming 1 ,2 , DENG Yong-jun1 , FANG Gui-gan1 *,HAN Shan-ming 1 , JIAO Jian1
(1.Institute of Chemical Industry of Forest Product , CAF ;The Key Laboratory of Forest Chemical
Engineering , the State Administration of Forestry , Nanjing 210042 , J iangsu , China;2.Qinzhou
Research Institute of Forestry , Qinzhou 535000 , Guangxi , China)
Abstract: Pulping properties of E.urophylla×E.grandis and A.mangium wood chips were tested
by P-RC APMP technology.Specific refining energies were recorded and physical strength properties
and optical properties of pulps were evaluated.The results showed that higher brightness of P-RC
APMP pulps could be produced from E .urophylla ×E.grandis and A.mangium wood chips at the
level of H2O2 4.0% and NaOH 3.5%, which was so lower chemical consumptions , pulp brightness
was able to be up to 75%ISO;Pulp yields of A.mangium wood chips was 3.0 percent points
higher than that of E .urophylla ×E.grandis wood chips;at the freeness level of 250 mL CSF , the
pulps from A.mangium wood chips were stronger than that from E .urophylla ×E .grandis , for example ,
the tensile strength of P-RC APMP pulp from A.mangium was about 26 N.m· g -1 , which was about
30% higher than E.urophylla ×E .grandis pulps;it was common that further refining could improve
mechanical pulp strength , therefore , for the same strength target , E.urophylla ×E.grandis wood chips
would require more refining energy than A.mangium wood chips.
Key words: E.urophylla×E .grandis;A.mangium;P-RC APMP technology;specific refining energy
尾巨桉与马占相思木材 P-RC APMP工艺制浆性能比较
陈乃明1 ,2 , 邓拥军 1 , 房桂干 1 , 韩善明 1 , 焦 健 1
(1.中国林业科学研究院林产化学工业研究所 ,国家林业局林产化学工程重点开放性实验室 ,江苏 南京 210042;
2.广西壮族自治区钦州市林业科学研究所 ,广西 钦州 535000)
DOI :10.13987/j.cnki.askj.2008.01.001
2 桉树科技 第 25卷
我国森林资源短缺 , 造纸原料不足 , 木浆比重
严重偏低 ,造成我国纸品质量低 、企业规模小 、建设
分散 、技术装备水平低 、资源利用率不高及污染严
重等问题 [ 1] , 严重限制了我国造纸工业向规模大型
化 、产品高档化、技术装备现代化、生产清洁化的方
向发展 ,以及水资源的节约利用。要改变现状 ,必须
利用现代先进的制浆工艺技术 , 实现木材纤维原料
的清洁高效利用 , 并借鉴造纸工业发达国家的成功
经验 , 大力发展木浆造纸 , 走林纸一体化发展的道
路 , 打破林、浆、纸分离的传统管理模式 , 以市场需
求为导向 , 以造纸企业为主体 , 用资本纽带和经济
利益将制浆造纸企业与营造浆纸林基地有机结合
起来 ,建设造纸企业和原料林基地 , 形成以纸养林 、
以林促纸 、林纸结合的产业化新格局 , 实现社会效
益 、生态效益与经济效益的统一。
桉树作为世界上生长速度最快的树种之一 , 已
成为我国南方的速生丰产用材林最重要的树种之
一 , 是中国南方速生丰产林的战略性树种 , 其主要
特点是:生长迅速 , 5年生年均生长量达 35.15 m3·
hm
-2·a -1 ,一些无性系已达到 60 m3·hm -2·a -1;轮
伐期短 , 4.5-6 a即可采伐;萌发力强 , 伐后可萌芽
成林且长势更好;桉树正处于高速发展的时期 , 据
统计 , 至 2006年底 , 我国现有的桉树丰产林面积已
经达到 170万 hm2 , 且以每年 20万 hm2的速度在增
长 [2] ,其中以尾巨桉(E.urophylla ×E.grandis),巨尾
桉(E.grandis×E.urophylla), 尾叶桉(E.urophylla)
为主 , 主要分布在广西 、 广东 、 云南 、 海南 、 福
建 、 四川 、 湖南 、 江西等省(区)。相思树也是我国
南方地区广为种植的一种主要速生树种 , 具有生长
速度快、适应性强和材质好等优点。我国从 20世纪
70年代开始引种相思属树种 ,至今其人工栽培面积
已超过 15.33万 hm2 , 以马占相思(A.mangium)、厚
荚相思(A.crassicarpa)、大叶相思(A.auriculiformis)
等为主 , 其中马占相思种植超过 6.67万 hm2 , 主要
分布在广东 、海南、广西 、云南 、福建等地 [ 2] 。年平均
高生长 2-3 m ,胸径生长 2-3 cm;6.5年生林分平
均高 15.0 m ,平均胸径 14.2 cm ,蓄积量 181.1 m3·
hm -2。马占相思在同等立地条件下虽比尾巨桉生长
略慢 , 对光照量及土壤肥力要求较高 , 耐寒能力较
差 ,但马占相思根系发达 ,具根瘤 , 是良好的固氮树
种 ,有较强“生物自肥” 能力 ,萌芽力也较强 [ 3]。
P-RC APMP(preconditioning followed by refiner
chemical treatment , P-RC , Alkaline peroxide refiner
mechanical pulping process , APMP)制浆技术是由安
德里兹公司开发的并正在申请专利的工艺技术。该
工艺为:木片经过筛选和洗涤后 , 分两步进行预浸
处理。第一步用 DTPA除去金属杂质 ,第二步进行过
碱性过氧化氢处理。处理过的木片在较低的温度下
在反应仓中停留 60 min左右。大部分碱性过氧化氢
从一段磨的稀释孔和/ 或喷放管加入。一段磨出来
的浆料被收集到高浓反应塔中贮存 30-120 min ,进
行进一步漂白。安德里兹认为 PRC工艺有 2个重要
特征使其区别于原有的 APP/ APMP工艺:(1)木片
在预浸时只经过温和的化学处理 , 温度较低 (不大
于 80 ℃, 降低了前期木片漂白反应;(2)主要的漂
白反应在一段磨和反应塔中进行 , 浆漂白代替了木
片漂白。因此 , PRC工艺可以克服 APP/APMP漂白
效率低的缺点。本文采用上世纪九十年代发展起来
的清洁高效制浆技术即 P-RC APMP制浆技术。通
过选取尾巨桉和马占相思树 ———我国南方两种主
要的人工速生丰产林树种为原料 , 对比研究它们的
P-RC APMP制浆性能 , 以其研究结果对尾巨桉和
马占相思两种木材原料在造纸工业上的清洁高效
利用提供可靠的理论依据。
1 材料与方法
1.1 试材
尾巨桉 (尾巨桉 DH32-29 , 6年生)和马占相思
(马占相思 1号 , 9年生)两种试材分别取自广西某
国有林场和广东省广州市龙眼洞林场具有代表性
的植株各 4棵。材性分析试样按常规取样方法在实
验室将其锯成圆盘 , 将圆盘用人工剥皮后 , 手工劈
成规格约为:25 mm×20 mm×3 mm的木片 , 密封于
塑料袋中平衡水分备用。剩余试材人工剥皮后 , 分
别用工业削片机削成规格约为 25 mm×20 mm×3
mm的木片 , 密封于编织袋中平衡水分用于化机浆
制浆研究。
1.2 试验方法
1.2.1 纤维长度及化学成分分析
木片在 Willey磨中粉碎 ,取 40-60目的筛份按
国家有关标准方法分析其化学成分。将木片切成
火柴杆状后用过氧化氢和冰醋酸 (体积比 1:1)
在 60 ℃下处理将纤维分离后用纤维分析仪分析二
种原料的纤维长度。
第1期(总第72期) 陈乃明等:尾巨桉与马占相思木材 P-RC APMP工艺制浆性能比较 3
1.2.2 尾巨桉与马占相思采用的 P-RC APMP
制浆工艺流程处理
技术线路:木片※筛选※洗涤 、浸泡※预汽蒸
※一段螺旋挤压※一段化学浸渍※二段螺旋挤压
※二段化学浸渍※一段高浓磨浆※高浓停留※ 后
续磨浆※消潜※酸化洗涤※筛浆※浓缩※成浆。
流程:木片经筛选后 ,室温浸泡水洗 , 洗后木片
送入汽蒸仓常压预汽蒸 10-15 min , 汽蒸后木片进
行第一段螺旋挤压(压缩比 1:4), 挤压后物料进入
一段化学预处理 , 一段化学预处理后物料进入第二
段螺旋挤压(压缩比 1:4), 挤后物料进入第二段化
学预处理 , 然后进入第一段常压磨浆 , 磨后浆料在
高浓反应仓内停留(其间 , 监测温度 , pH值 ,在反应
终点测残余的过氧化氢和氢氧化钠)。反应后浆料
进行后续磨浆 , 采集不同游离度浆料 , 并对浆料进
行消潜、洗涤、筛选、净化 , 抄片 , 纸张性能检测 , 收
集废水进行分析测定。
1.2.3 P-RC APMP制浆工艺条件
本研究采用相同的制浆工艺条件来对比研究
尾巨桉和马占相思两种原料的 P-RC APMP制浆
性能。制浆工艺中预汽蒸温度 100 ℃,预汽蒸时间
20 min , 其他如表 1。
1.2.4 对磨浆过程有效能耗的测定 , 测定精度为
0.007 kwh。磨浆比能耗计算公式:
磨浆比能耗(kwh· t -1)=[磨浆总能耗(kwh)-
空转能耗(kwh)]/浆料绝干重(t)
1.2.5 浆料的游离度按照 TAPPI标准 T227OM-85
进行测定 , 使用仪器为英国 MESSMER公司制造的
加拿大游离度测定仪。
1.2.6 纸浆的消潜 ,使用英国Messmer公司生产的
标准疏解机 ,在3%浆浓 ,温度85-90℃中消潜10min。
1.2.7 抄片
将疏解好的浆料调好浆浓 ,根据 Tappi标准规
定对不同加拿大游离度浆料 ,采用英国Messmer纸
页成形器(带白水循环)进行手工抄片 ,抄取60 g·m-2
纸页 ,放入恒温恒湿检验室过夜 ,揭取纸页分切 ,并
按 Tappi标准检测纸页的物理性能及光学性能。
2 结果与讨论
2.1 纤维形态及化学组成分析
为了全面地了解两种速生阔叶材的材性特征 ,
本研究对尾巨桉和马占相思两种原料的纤维形态以
及化学组成进行了测试分析 , 测试结果分别列于表
2 、表 3。
纤维形态是木材作为纸浆材质量评价的最主
要指标之一。每种纤维形态类型 , 赋予不同成纸性
能 ,由此可推断该材种更合适的产品方向。例如 ,原
料的纤维平均长度长 , 可以赋予制得纸浆较高的撕
裂强度及抗张强度;细胞壁腔比高的纤维较坚硬 、
易弯曲性较小 , 易形成结合面积较低 、松厚大的纸
张 [ 4];就机械磨浆理论来讲 , 壁腔比较小的纤维 , 富
于弹性 ,在磨浆过程中不易磨碎 、纸浆强度较高。由
表 2比较两种速生阔叶材的纤维形态可见 , 马占相
思的纤维平均长度为 1066μm , 远比尾巨桉的纤维
平均长度(820μm)长;马占相思纤维细胞的壁腔比
为 0.48 ,比尾巨桉纤维细胞的壁腔比小 ,因此 ,马占
相思的纤维较尾巨桉更富有弹性 , 在磨浆过程中不
易磨碎 、有利于磨浆 , 可以制得强度性能更为优良
的纸浆。另外 ,表 2显示 ,马占相思比尾巨桉木材的
基本密度要小 ,更有利于制浆过程中药液的渗透。
木材原料的化学组成也是评价其纸浆材质量
好坏的重要依据之一 。一般认为 ,在生产化机浆的过
程中木片原料的抽出物含量高将增加化学品用量 ,
同时使纸浆得率降低 ,木素含量高则难于制浆;综纤
维素含量高 ,可制得较高得率的纸浆;半纤维素含量
除影响化学品用量和纸浆得率外 ,对纸浆某些性能
也有明显影响。表3显示 ,与马占相思木材相比 ,尾巨
4 桉树科技 第 25卷
桉具有较低的抽出物含量和较高的综纤维素含量 ,
制浆过程中可以减少化学品的用量 ,并利于获得较
高的制浆得率 ;另外由于具有较高的木质素含量 ,
则对制浆不利 ,同时 ,半纤维素含量较低则不利于
磨浆过程发展纸浆的强度。与之相反 ,马占相思的综
纤维素含量略低 ,抽出物含量较高 ,可能会影响制浆
得率 ,并增加药耗;但是 ,木素含量较低且半纤维素
含量较高 ,则利于制浆过程中发展纸浆的强度性能 。
2.2 P-RC APMP制浆性能
本研究对两种木材纤维原料 P-RC APMP制浆
过程中磨浆电耗 , 制浆得率 、纸浆的松厚度 、纸浆
的物理性能和光学性能以及制浆过程中产生废水的
污染特征几个方面进行了全面的分析 。两种原料
P-RCAPMP制浆性能列于表 4。
2.2.1 磨浆能耗
图 1显示的是相同 P-RC APMP制浆工艺条件
下 , 尾巨桉与马占相思的磨浆能耗变化情况和对比
关系。
由图 1可见 , 两种原料的磨浆电耗随游离度
的降低而逐渐增加。而比较两种原料 P-RC APMP
制浆过程中所需的磨浆电耗可见 , 制得相同 250
mL加拿大游离度的纸浆 , 马占相思需磨浆能耗为
1601 kwh· t , 而尾巨桉仅需 1523 kwh· t -1 , 因此 ,
制得相同加拿大游离度的纸浆 , 马占相思制浆所需
的磨浆电耗比尾巨桉略高;但是 , 这并不能说马占
相思原料 P-RC APMP制浆所需的能耗比尾巨桉
高。图 1显示 ,制取相同抗张强度的纸浆 ,马占相思
所需的磨浆电耗要比尾巨桉低 20%左右 , 说明马占
相思比尾巨桉更易于磨浆。
2.2.2 制浆得率
图2显示的是两种原料采用 P-RC APMP工艺
制浆的纸浆得率。图2表明 ,相同制浆条件下 ,马占
相思原料 P-RC APMP工艺制浆得率比尾巨桉高
约3%左右 ,这与尾巨桉原料较高的综纤维素含量
及较低的抽出物含量相矛盾 ,这可能主要是由于尾
巨桉原料的基本密度较大 ,且纤维的壁腔比较大 ,
导致木片化学浸渍不充分 ,使得磨浆过程中 ,纤维
过多被切断 ,造成纸浆中的细小组分较多 ,在纸浆
洗涤浓缩过程中 ,细小组分流失较大 ,而导致得率
下降。
2.2.3 松厚度的比较
一般来说 , 纸浆的松厚度与化学品用量关系直
接相关 , 对化学机械法纸浆而言 , 由于化学品用量
较少 (相对化学法制浆), 属于保留木质素制浆方
法 , 纸浆中纤维细壁上含有较多的木质素 ,因此 ,纸
浆纤维较为挺硬 , 形成的纸页较为松厚 , 表现出具
有较高的松厚度。对相同制浆条件下 , 不同原料制
得化机浆的松厚度则主要与原料的纤维形态有
关。如图 3所示 , 在相同的用药条件下 , 两种原料
P-RC APMP纸浆的松厚度随磨浆程度的提高而逐
渐减小。相比较而言 , 尾巨桉 P-RC APMP纸浆的
松厚度比马占相思浆的松厚度要高 , 这主要是因为
尾巨桉原料纤维的壁腔比较马占相思的大 , 纤维较
为挺硬 , 纤维不易压溃变形 , 因此表现出纸页具有
较高的松厚度;与之相反 , 马占相思原料纤维壁腔
比较小 , 纸浆纤维容易分丝帚化 , 成纸时纤维易于
压溃变形 , 使得纸页纤维之间易于结合紧密 , 纸浆
表现出具有较低的松厚度。
2.2.4 强度性能的比较
两种原料 P-RC APMP纸浆的抗张强度 、耐破
第1期(总第72期) 陈乃明等:尾巨桉与马占相思木材 P-RC APMP工艺制浆性能比较 5
强度及撕裂强度随磨浆程度的变化分别列于图 4。
图 4显示 , 相同的制浆工艺条件下 , 两种原料
采用 P-RC APMP工艺制浆 , 马占相思原料制得纸
浆的强度性能远远优于尾巨桉浆的强度性能。在加
拿大游离度为 250 mL时 , 马占相思浆抗张指数可
达到 26.0 N·m·g -1以上 , 耐破指数达 1.6 kPa·
m
2·g -1以上 , 撕裂指数达 3.6 mN·m2·g -1以上 ,
物理强度性能远优于尾巨桉浆。这主要与马占相思
原料的纤维形态有关 , 由于马占相思原料的基本密
度及纤维的壁腔比比尾巨桉小 , 化学浸渍过程中 ,
药液易于渗透 , 木片可以得到充分的软化和润胀 ,
在磨浆过程中纤维易于分丝帚化并可以减少纤维
的损伤和切断 ,从而保证了较好的纸浆强度。另外 ,
马占相思原料纤维的平均长度也较尾巨桉大 , 易于
6 桉树科技 第 25卷
制得强度较优良的纸浆。
2.2.5 纸浆白度的比较
由图 5可见 , 尾巨桉与马占相思均是 P-RC
APMP工艺适宜的制浆原料。过氧化氢用量 4.0%
时 , 两种原料 P-RC APMP工艺制得的纸浆白度可
达 75%ISO以上。相同用药条件下 , 两种原料制得
纸浆的白度相近。另据邓拥军等试验 [ 4] , 过氧化氢
用量增加时 (限 7.5%), 二种原料随着用药量的增
加 , 二者得率相对降低 , 白度相应提高 ,马占相思纸
张白度可达 82%ISO以上。
2.2.6 废水特征
表 5列举了相同的过氧化氢用量 4.0%, 氢氧
化钠用量 3.5%条件下 , 尾巨桉与马占相思两种原
料 P-RC APMP制浆综合废水的污染特征。
表 5显示 , 尾巨桉原料 P-RC APMP制浆产生
废 水 中 的 化 学 需 氧 量 COD(Chemical Oxygen
Demand)和生化需氧量 BOD(Biochemical Oxygen
Demand)含量与马占相思原料 P-RC APMP制浆产
生废水中的 COD 和 BOD 相近 , 而悬浮固体 SS
(Suspended Solid)及总固体 TS(Total Solid)含量远高
于马占相思废水 , 这可能是由于尾巨桉的基本密度
及纤维的壁腔比较马占相思大 , 木片化学浸渍不如
马占相思充分 , 使得螺旋挤压及磨浆过程中 , 纤维
过多的被切断 , 产生细小组分较多 , 从而表现出废
水中较高的固形物含量。
3 结论
(1)尾巨桉和马占相思均是适宜的 P-RC
APMP制浆原料。相同的过氧化氢用量 4.0%,氢氧
化钠用量 3.5%条件下 , 尾巨桉与马占相思两种原
料 P-RC APMP制浆得率分别可达到 87%和 90%,
纸浆白度相近 ,均可达 75%ISO以上;
(2)相同用量条件下 , 马占相思比尾巨桉易
于磨浆 , 制取相同抗张强度的纸浆 , 马占相思所需
的磨浆电耗比尾巨桉低 20%左右;
(3)相同的用药条件下 , 马占相思原料制得
纸浆的物理强度性能远远优于尾巨桉浆的强度性
能;
(4)相同的过氧化氢用量 4.0%, 氢氧化钠用
量 3.5%条件下 , 尾巨桉原料 P-RC APMP制浆产
生废水中的 COD和 BOD含量与马占相思原料 P-
RC APMP制浆产生废水中的 COD和 BOD相近 , 而
SS及 TS含量远高于马占相思废水。
参考文献
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