（制浆造纸工程专业论文）芭蕉、香蕉茎叶制浆造纸性能研究.pdf

芭蕉、香蕉茎叶制浆造纸性能研究 摘要 长久以来，木材资源的匮乏一直是制约我国制浆造纸工业发展的“瓶 颈”，为了解决这一问题，我国造纸工业正努力寻找新的纤维原料。芭蕉、 香蕉为芭蕉科( m u s a c e a e ) 芭蕉属( m u s a ) 的单子叶植物，芭蕉、香蕉生 产的同时也产生了7 5 左右的茎叶副产物。废弃的芭蕉、香蕉茎叶不仅污 染环境，还会造成资源的重大浪费。目前，我国芭蕉、香蕉茎叶主要停留 在饲料化和纤维粗加工的利用上，芭蕉、香蕉纤维尚未得到大规模开发应 用，有关芭蕉、香蕉茎叶有效成分的研究和应用尚未见详细报道。大力发 展芭蕉、香蕉茎叶制浆对缓解我国造纸工业原料结构不合理的矛盾具有重 要的意义。 本文以芭蕉、香蕉茎叶为原料，研究其制浆造纸性能，并采用不同漂 白工艺研究其漂白性能，同时对c 1 0 2 漂白机理进行了探索。研究主要结果 如下： 芭蕉、香蕉茎叶含有良好的造纸纤维，纤维比较长，长宽比比较大， 具有良好的韧性。芭蕉、香蕉茎芯层的纤维素含量较少，杂细胞较多，制 浆造纸价值不大。通过对芭蕉、香蕉茎表皮烧碱法和硫酸盐法蒸煮工艺参 数的优化研究，确定最佳的硫酸盐法蒸煮工艺条件为：用碱量( 以n a 2 0 计) 1 6 ，硫化度( 以n a 2 0 计) 2 0 ，升温时间1 2 0 m i n ，保温时间6 0m i n ，最 高温度1 6 5 ，液比1 ：4 。 通过对芭蕉、香蕉表皮硫酸盐浆的d o e p d 1 漂白工艺条件的优化，确 定将芭蕉、香蕉茎表皮硫酸盐浆白度漂至8 0 i s o 的最佳工艺条件为：总 有效氯用量分别为2 7 5 禾1 13 5 0 ，n a o h 用量2 5 0 ，h 2 0 2 用量1 0 0 ， 浆浓1 0 。漂白时发现h 2 0 2 的加入和d 1 段c 1 0 2 用量的控制对迅速提高漂 浆白度有重要意义。 芭蕉、香蕉茎表皮硫酸盐浆均比阔叶木浆更容易打浆，经过d o e p d - 漂序漂白后，纸浆保持了较好的强度。相对于阔叶木漂白浆，当芭蕉、香 蕉茎表皮硫酸盐浆占配抄浆的3 0 时，纸张已经表现出较好的物理性能。 通过x _ 射线衍射分析表明，c 1 0 2 漂白处理前后纤维素结晶度变化不 大，基本没有破坏纤维素的结晶结构。通过扫描电镜分析，未漂浆和漂白 浆的表面比较光滑，c 1 0 2 漂白对碳水化合物的降解很少。通过红外光谱图 分析表明，c 1 0 2 漂白具有很好的脱木素选择性，避免引起纤维素和半纤维 素的严重降解。 关键词：芭蕉香蕉硫酸盐浆c 1 0 2 漂白 扫描电镜结晶度红外光谱 n s t u d yo nt h ep r o p e i u i e so fp u l p i n ga n d p a p e r m a k i n go ft h es t e m sa n di ，ea so f j a p a n e s eb a n a n aa n db a n a n a t os o l v et h ep r o b l e mo ft h e p u l pw o o ds h o r t a g e ，t h ep u l pa n dp a p e r i n d u s t r yi no u rc o u n t r yi sm a k i n gg r e a te f f o r t so nl o o k i n gf o rn e wf i b e r r a w m e r t a r i a l j a p a n e s eb a n a n aa n db a n a n aa r et h em o n o c o t y l e d o nw h i c hb e l o n g st o m u s a c e a ef r o mm u s a ，t h es t e m sa n dl e a v e so fj a p a n e s eb a n a n aa n db a n a n a c r o p sw e r ea b o u t7 5p e r c e n t t h ed i s c a r d i n gs t e m sa n dl e a v e sw i l ld e t e r i o r a t e t h ee n v i r o n m e n ta n dc r e a t et h er e s o u r c e sw a s t es e r i o u s l y a tp r e s e n t ，t h e u t i l i z a t i o no fj a p a n e s eb a n a n aa n db a n a n ao u t g r o w t h si no u rc o u n t r yr e s tm a i n l y o np r o d u c i n ga n i m a lf e e da n df i b r o s i s ，t h ef i b r eh a sn o tb e e nd e v e l o p e d c o m p l e t e l y , a n dt h eu t i l i z a t i o no fa c t i v ei n g r e d i e n t si nj a p a n e s eb a n a n aa n d b a n a n ah a v e n tc o v e r i n gy e t v i g o r o u s l yd e v e l o pt h es t e m sa n dl e a v e so f j a p a n e s eb a n a n aa n db a n a n ap u l p ，t oa l l e v i a t ec h i n a sp a p e ri n d u s t r yi r r a t i o n a l s t r u c t u r eo ft h em a t e r i a lc o n t r a d i c t i o n si so fg r e a ts i g n i f i c a n c e i i i t h er e s e a r c hu s et h es t e m sa n dl e a v e so fj a p a n e s eb a n a n aa n db a n a n aa s r a wm e r t a r i a l ，s t u d yt h ep u l p a b i l i t ya n db l e a c h i n ga b i l i t yb yd i f f e r e n tb l e a c h i n g p r o c e s s ，a tt h es a m et i m es t u d yt h ec h l o r i n ed i o x i d eb l e a c h i n gm e c h a n i s m c o n c l u s i o n sw e r ea sf o l l o w s ： t h es t e m sa n dl e a v e so fj a p a n e s eb a n a n aa n db a n a n aa r eh a v eag o o dp a p e r f i b e r sw h i c hi s l o n ga n dt h ea s p e c tr a t i o i s b i g ，a l s ot h ef i b e rh a v eag o o d t o u g h n e s sa tt h es a m e t i m e t h ec o r el a y e ro fj a p a n e s eb a n a n aa n db a n a n as t e m s h a sf e w e rc e l l u l o s ea n dm o r em i s c e l l a n e o u sc e l l s ，w h i c hh a sal i t t l ev a l u ei n p u l pa n dp a p e ri n d u s t r y a f t e ri n v e s t i g a t i n gt h ei n f l u e n c eo fs o d ac o o k i n ga n d k r a f tc o o k i n gp a r a m e t e r s ，t h eo p t i m a lt e c h n i c a lc o n d i t i o n so fk r a f tc o o k i n ga r e t h a td o s a g eo fa l k a l i ( b a s e do nn a 2 0 ) 1 6 ，s u l f i d i t y ( b a s e do nn a 2 0 ) 2 0 ， u p t i m e1 2 0 m i n ，h o l do n6 0 m i n ，t h em a xt e m p e r a t u r ei s1 6 5 ，l i q u o rr a t i oi s 1 ：4 a f t e ri n v e s t i g a t i n gt h ei n f l u e n c eo ft h el 【r a f t p u l pd o e p d 1b l e a c h i n g p a r a m e t e r s ，a n dt h eo p t i m u mc o n d i t i o n so fm a k et h ek r a f tp u l p sb r i g h t n e s st o 8 0 i s oa r et h a td o s a g eo fc h l o r i n ed i o x i d e2 7 5 a n d3 5 0 ，n a o hc h a r g e 2 5 0 ，h 2 0 2c h a r g e1 0 0 ，p u l pc o n c e n t r a t i o n1 0 a n dw ea l s of i n dt h a ti ti s v e r yi m p o r t a n t t oi m p r o v et h ek r a f tp u l pb r i g h t n e s s r a p i d l yb yc o n t r o l t h e d o s a g eo fh 2 0 2 a n dc h l o r i n ed i o x i d ei nd 1 p r o c e s s t h eo u t e rb a r ko fj a p a n e s eb a n a n aa n db a n a n as t e m sk r a f tp u l pw e r ev e r y e a s yt ob e a t t h a nh a r d w o o dp u l p ，a n dt h ep u l ph a v ek e p tag o o dp h y s i c a l p r o p e r t i e sa f t e rd o 。e p 。d l b l e a c h i n g t h es o f t w o o dp u l p sp h y s i c a lp r o p e r t i e sh a s i v ag r e a ti m p r o v e m e n tw h e nt h ek r a f tp u l pi s3 0 p e r c e n t t h e x - r a y d i f f r a c t i o n s p e c t r u ma n a l y s i s s h o w e dt h a tt h ed e g r e eo f c r y s t a l l i n i t yi nt h eu n b l e a c h e dp u l pa n dc h l o r i n ed i o x i d eb l e a c h i n gp u l pd i d n t h a v ec h a n g e dg r e a t l y , a n dt h ec r y s t a ls t r u c t u r eo ff i b e rd i d n tb r o k e n t h es e m a n a l y s i ss h o w e dt h a tt h es u r f a c eo ft h eu n b l e a c h e dp u l pa n db l e a c h i n gp u l pw a s s m o o t h ，a n dt h ef i b e rc a r b o h y d r a t ed e g r a d a t i o nw a sal i t t l ew i t hc h l o r i n ed i o x i d e b l e a c h i n g t h ei rs p e c t r u ma n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ec h l o r i n ed i o x i d eb l e a c h i n g h a sg o o dd e l i g n i f ys e l e c t i v i t y , a n da v o i d e dt h ec e l l u l o s ea n dt h eh e m i c e l l u l o s e d e g r a d a t i o ns e v e r i t y k e y w o r d s ：j a p a n e s eb a n a n a ；b a n a n a ；l 【r a f tp u l p ；c h l o r i n ed i o x i d eb l e a c h ； s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ；c r y s t a l l i n i t y ；i rs p e c t r a v 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 聱种 学位论文使用授权说明 川年6 月1 日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 曰即时发布口解密后发布 ( 保密论文需要注明，并在解密后遵守此规定) 糍。杈寻翮签种少彳年钟日 广西大掌硕士掌位论文 芭蕉、香蕉茎叶制浆造纸性能研究 1 1 本课题研究的背景和意义 第一章绪论 造纸工业是一个与国民经济和社会文明建设息息相关的重要产业部门。当今世界各 国已将纸及纸板的生产和消费水平，作为衡量一个国家现代化水平和文明程度的重要标 志之一l 。世界上经济发达国家一般都拥有发达的造纸工业，美国和日本把造纸工业列 为国内十大制造业之一。造纸工业具有资金技术密集和规模效益显著的特点，其产业关 联度大，较大的市场容量和发展潜力已成为拉动林业、农业、机械制造、化工、自动控 制、交通、环保、印刷、包装等产业发展的重要力量，形成我国国民经济发展的新的增 长剧2 1 。在经济发达国家纸及纸板消费量增长速度与其国内生产总值增长速度同步，造 纸工业在现代经济中所发挥的作用己越来越多地引起世人瞩目。 然而，当前随着金融风暴对实体经济的影响进一步深入，纸业市场也受到较大影响， 展现出一片寒意。国际浆价在持续两年的攀升走势后，自去年下半年起开始下滑，市场 需求大幅衰退，致使国际浆价开始一路向下探底。在美国市场，从去年7 、8 月的每吨 8 8 0 8 9 0 美元走跌算起，半年多来，浆价跌幅已达2 1 0 美元，转变发生如此之快是前所 未有的。据国外媒体报道，去年下半年，全球商品浆的库存量持续上升，到去年1 1 月， 商品浆库存量己创下5 0 天的历史新高，造纸行业面临着突如其来的严峻考验【3 j 。 我国是制浆造纸工业大国，纸和纸板的产量位居世界第二，但入均拥有量却很落后， 随着人们物质文化水平和环保要求的提高，国内外市场对中高档纸的需求不断增长【4 】。 但是由于天然林保护工程的实施和生态环境的建设，使造纸企业的纤维原料供应明显不 足。因此，在目前形势下，寻求质量好、生长快、价格低的纤维原料资源，研究它们的 高效利用技术，采用合理的制浆方法，做到与环境友好和降低能耗，已成为制浆造纸企 业能否实现可持续发展的关键问题1 5 】o 2 0 0 7 年全国纸和纸板生产企业约有3 5 0 0 家，全国纸和纸板生产量7 3 5 0 万吨，消费 量7 2 9 0 万吨，人均年消费量为5 5 千克，生产和消费均呈持续增长态势【6 】。我国是世界 广西大掌硕士学位论文芭蕉、香蕉茎叶制浆造纸性能研究 上非木材纤维原料制浆造纸生产大国，非木浆生产量居世界第一位。统计资料表明，我 国2 0 0 6 年全国纸浆消耗总量为5 9 9 2 万吨，其中木浆为1 3 2 2 万吨，占2 2 0 6 ；废纸浆 3 3 8 0 万吨，占5 6 4 1 ；非木浆1 2 9 0 万吨，占2 1 5 3 1 6 1 。当前我国制浆造纸利用的非木 材纤维原料，主要是麦草、芦苇、竹子和蔗渣，其中麦草比例最大。木材是造纸工业的 主要原料。我国是一个少林的国家，人均森林覆盖面积与发达国家相比差距甚大。我国 造纸用材只占总造纸用纤维原料的8 7 8 ，加上进口木浆也只有2 2 0 6 ( 2 0 0 7 年计) ， 而非木材原料占2 1 以上【7 1 。由于木材原料比重过小，对我国造纸工业的规模、纸种和 生产效益的发展及环境保护都极为不利。原轻工部曾规划到2 0 2 0 年造纸工业木浆比重 增加到2 0 , - - , 2 5 8 1 。即使此目标实现了，到那时非木材纤维原料制浆比重，考虑到纸、 浆产量增长因素，若按绝对生产量计算，还是十分巨大的。因此，我们用好数量庞大、 价格低廉的非木材纤维原料资源对我国造纸工业的发展具有极其重要的作 9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 】。 在造纸纤维原料消耗总量中，木材量较少，芦苇、竹子、蔗渣原料长期处于停滞不 前的状态；国内废纸资源总量大，但质量不高，回收率低；麦草资源丰富，所占比重较 大【1 4 】。特别在我国北方地区，麦草作为重要非木材纤维原料广泛用于造纸工业中，为缓 解我国造纸原料短缺的严竣形势发挥了巨大作用。在此值得注意的是，在我国的南部， 还存在另外非常重要的非木材纤维资源芭蕉、香蕉树。 芭蕉、香蕉属芭蕉科( m u s a c e a e ) 芭蕉属( m u s al ) ，单子叶草本植物，具有速生 和生产量高等特点，是最大的热带和亚热带水果，主要分布于南北纬3 0 0 之间的热带、 亚热带地区，少数分布在北纬3 0 。以外【1 5 ，1 6 , 1 7 , 】。据联合国粮农组织( f a o ) 统计，全球 大约有1 3 6 个国家和地区生产香蕉，其中主产区为中南美洲和亚洲【1 8 , 1 9 , 2 0 。世界香蕉收 获面积从1 9 8 6 年的3 0 6 万公顷上升到2 0 0 6 年的4 1 8 万公顷，年均增长率为1 5 8 ，总 体呈现逐年平稳上升趋势。香蕉产量在各类水果产量中保持着第二或第三的排名，仅次 于葡萄和柑桔。2 0 0 6 年世界香蕉收获面积前1 0 位的国家是巴西、菲律宾、印度、印度 尼西亚、中国、布隆迪、厄瓜多尔、泰国、乌干达、越南。2 0 0 6 年香蕉收获面积最大的 国家是巴西，为5 0 万公顷，占世界香蕉收获面积的1 1 9 6 ；其次是菲律宾，为4 2 8 8 万公顷，占世界香蕉收获面积的1 0 2 6 2 0 , 2 1 】。 世界香蕉总产量从1 9 8 6 年的4 2 5 4 万吨上升到2 0 0 6 年的7 0 7 6 万吨，年均增长率为 2 5 8 ，总体呈现较快增长趋势，产量年均增长率高于收获面积年均增长率；前2 0 位主 产国香蕉产量占世界香蕉总产量从1 9 8 6 年的7 9 8 4 上升到2 0 0 6 年的8 6 4 7 。前3 名 主产国印度、巴西和中国的总产量约占世界总产量的3 6 5 3 。2 0 0 6 年世界香蕉产量最 2 广西大掌硕士学位论文 芭蕉、香蕉茎叶制浆造纸性能研究 高的国家是印度，为1 1 7 1 0 3 万吨，占世界香蕉总产量的1 6 5 5 ；其次是巴西为7 0 8 8 0 万吨，占1 0 【2 0 捌。 中国是世界香蕉主产国之一，有着2 0 0 0 多年香蕉栽培的历史，中国香蕉主要分布 于广东、广西、海南、福建、云南、台湾等热带和亚热带地区，因其产量高而成为我国 第四大水果。据报道，2 0 0 6 年香蕉种植面积达2 7 9 5 万公顷，总产量为7 0 5 3 0 万吨，占 世界的9 9 7 ，仅次于巴西，产量居世界第三【2 1 】。但从我国的造纸纤维原料消耗结构来 看，到目前为止，芭蕉、香蕉树基本上还没有涉及到制浆造纸领域，而长期以来，芭蕉、 香蕉茎叶一直被当作废弃物，或作柴烧，或当垃圾随处乱扔，不但浪费了资源，而且也 对环境造成了污染。据初步调查，仅两广地区每年就有数十万吨蕉梢未能得到综合利用， 这就对我国有限的造纸纤维原料资源造成了严重的浪费【2 3 珥2 5 】。 本课题是对天然资源芭蕉、香蕉茎叶纤维的开发利用，是一种变废为宝、节约 资源的过程，在一些资源面临枯竭的今天有着重要意义，符合可持续发展战略的要求1 2 6 j ； 有助于减少或避免被抛弃的茎叶等副产品对环境的污染，符合时下的环保理念；有助于 缓解当前造纸领域纤维原料短缺的严竣形势。此外，对芭蕉、香蕉纤维的开发还具有一 定的经济和社会效益，芭蕉、香蕉资源大都分布在农村，在开发新型造纸原料的同时， 在一定程度会增加农民的经济收入，促进地区经济的发展。 1 2 芭蕉、香蕉茎叶的应用现状 1 2 1 芭蕉、香蕉茎叶在非造纸领域的应用现状 芭蕉、香蕉茎叶含有较高的可溶性碳水化合物及多种维生素，且叶中粗蛋白含量较 高。目前，在非造纸领域主要被用来制作新型饲料、栽培食用菌和用作纤维纺纱等【2 7 ，冽。 1 2 1 1 制作新型饲料 h a ny 和a f l gc l e sm 2 9 】等研究了香蕉青饲料和青贮饲料对牛和猪生长的影响。据 国外资料报道【劐，反刍动物能较好地消化芭蕉、香蕉茎叶，叶的消化率为6 5 ，茎的消 化率为7 5 ，以芭蕉、香蕉茎为主要原料生产菌体蛋白饲料添加剂，经过饲喂鸡和猪试 验证明，鸡和猪的免疫力增强，发育提早，生长速度加快【3 1 , 3 2 】。 1 2 1 2 栽培食用菌 芭蕉、香蕉茎叶经发酵后可用作食用菌栽培，有利于解决当前依赖木屑和蔗渣栽培 食用菌的问题【3 3 1 。把经过粉碎、晒干的芭蕉、香蕉茎叶与木屑、麦皮【3 4 1 、稻草和牛粪【3 5 】 3 芭蕉、香蕉茎叶制浆造纸性能研究 等按照定的比例混合，再经进行灭菌处理后便可接种栽培食用菌。 1 2 1 3 制备叶绿素铜钠盐 叶绿素铜钠是一种价值很高、出口前景广阔的天然食用色素1 3 6 】。有科研机构通过正 交试验研究出了从香蕉叶中制取叶绿素铜钠的最佳生产工艺【3 刀，获得率比较高，且产品 达到国家标准。 1 2 1 4 医用 传统中医认为，香蕉假茎含丰富的c a 、f e 等元素，具有防治高血压和脑溢血等疾 病的作用【3 8 , 3 9 。c a 元素在维持神经肌肉的兴奋、神经冲动的传导和心脏的正常搏动方 面有积极的作用，有利于预防高血压和心脏病，f e 元素则是合成血红素蛋白质的主要 物质。 1 2 1 5 用作纤维纺纱 香蕉纤维蕴藏于香蕉树的韧皮内，属韧皮纤维类，在纺织工业领域内有着极大的使 用潜力。香蕉纤维的结晶度、取向度低，因而其纤维强度低、双折射率低、吸湿放湿快、 易于染色。但由于香蕉纤维的单纤维太短，不能直接用于纺纱，只能用工艺纤维纺纱。 日本日清纺织公司与名古屋市立大学的研究所展开合作，成功实现了香蕉纤维的产 品化【4 1 1 。其香蕉纤维的加工工艺为：( 1 ) 剥下香蕉茎上的皮，取出柔软的纤维内皮；( 2 ) 经过脱水，干燥处理；( 3 ) 精练、解纤；( 4 ) 纺纱、织造。日清公司还开发出了香蕉纤 维棉纤维3 0 7 0 的混纺纱，但混纺纱较粗，香蕉纤维的混纺率也不高，因此今后的目标 是开发高支纱以及1 0 0 的香蕉纤维。 1 2 2 芭蕉、香蕉茎叶在造纸领域的应用现状 用香蕉茎叶生产无浆纸在国外已应用于生产实际。据长纤维技术( u 可) 的发明人 阿泽尔先生说，用u 可生产的纸和纸板比木材造的纸结实得多，因为它采用这种植物的 天然纤维。这种原料来自热带作物残留的废物，这种材料比木屑便宜得多，而且对环境 是清洁的。该技术所用的能源少得多，还不用水，使生产成本大幅降低。阿泽尔先生的 公司澳大利亚纸莎草纸公司正与北昆士兰香蕉种植者协会合作建立一个工厂来把香蕉 废物转变成商用纸和纸板。该工厂在1 9 9 9 年年中运营，1 9 9 9 年底第一批商业产品上市。 阿泽尔先生强调，它不是一种新产品，但它能与所有的纸产品竞争，从透明纸到结实的 纸板箱。该工厂最初每年将用澳大利亚1 5 的香蕉种植园的剩余茎梗生产相当于5 6 0 0 4 广西大学硕士掌位论文芭蕉、香蕉茎叶制浆遣纸性能研究 万张a 4 的纸。以后还将增加更多的生产线。阿泽尔先生视这种生产方法的组合性为它 胜过使用大量植物的传统造纸方法的另一优势1 4 2 j 。 印度利用香蕉秆纤维生产特种纸板，印度制浆和造纸技术研究所科技人员利用香蕉 秆纤维与废纸生产特种纸板【4 3 1 。方法是：在纤维分离机中通过机械解离香蕉秆纤维，采 用酶预处理过氧化氢漂白纸浆，漂白浆在v a l l e y 磨中磨到打浆度4 5 。s r ；废纸浆料也磨 到相同打浆度。在磨浆过程中添加石蜡乳、天然橡胶和阳离子淀粉。通过在不同配比下 混合香蕉秆纤维与废纸浆料，配比分别为2 0 ：8 0 、4 0 ：6 0 、5 0 ：5 0 时抄纸，用手抄纸页制 多层纸板，纸板厚度为2 - - 5 m m ，用水力加压机加压板坯，然后在温度为1 0 0 的热空气 循环炉中干燥。该法在制浆和生产过程中不使用有害化学品，是环境友好的加工方法。 这种特种纸板适用于包装工业。 日本一位大学教授研制出用香蕉废弃物制造强度较高的纸【删。该教授研究出的加工 方法是，剥下香蕉茎上的皮，用制蔗糖用的压榨机使其脱水。然后把脱水后的茎在水中 发酵，或者在碱水中浸泡发酵。把一般生产棉、麻等纤维用的“开松机 进行改造，在 上面装上几个可以旋转的刀。经过这样改造的开松机，可以制得1 0 0 的香蕉纤维。这 样制成的香蕉布手感如麻，可以用于制作出口咖啡的包装袋。 哥斯达黎加用香蕉茎秆制造出一种类似纸的材料，称为“生态纸 。它可以掺入其 他有机废料，如蔗渣、果树叶和菠萝叶等。生态纸有点像草纸，用途广泛，如用于绘图、 印刷、灯罩、雕刻、艺术书刊和书的封面【4 5 1 。此外，国外也曾有人研究从香蕉土壤中分 离出产纤维素酶的菌株【4 6 ，钥，以香蕉茎叶粉为培养基底物生产纤维素酶。 国内关于芭蕉、香蕉树在制浆造纸领域的研究到目前为止还很少。湖北工学院的刘 智、聂青曾就芭蕉、香蕉叶梢制浆作过初探性研究，指出香蕉叶梢含有良好的造纸纤维， 但也含有大量杂细胞和富含半纤维素【1 5 】。杂细胞( 3 z 要是薄壁细胞和少量的表皮细胞) 是制约其生产高档纸的重要因，它虽然有纤维的某些特性，但由于它很短又缺乏交织力， 对纸张强度和抄造时的滤水性十分不利，在制浆过程中应尽可能多地除去。 1 3 芭蕉、香蕉茎叶的制浆造纸性能 1 3 1 芭蕉、香蕉茎叶的制浆 评价一种纤维原料在造纸工业生产过程中，技术和经济上是否可行，除了了解原料 的纤维形态、化学成分之外，还必须通过实验了解它的制浆性能，了解纸浆得率、卡伯 5 广西大掌硕士掌位论文芭蕉、香蕉茎叶制鬈造纸性能研究 值、药品用量等。随着制浆造纸工艺技术的不断发展，很多制浆方法应用在造纸领域， 包括化学方法( 分别有烧碱法、烧碱一葸醌助剂法、硫酸盐法、碱性亚硫酸盐法、酸性 亚硫酸钠、亚硫酸氢钠法、亚硫酸氢镁法等) 、机械方法( s g w 、r m p 和t m p 等) 、化 学机械相结合的方法( c m p 、s c m p 、c r m p 、c t m p 和a p m p 等) 和生物法制浆【镐4 9 删。 这些方法对芭蕉树和香蕉树的制浆造纸性能研究很有参考价值。 1 3 1 1 硫酸盐法 1 8 7 9 年，德国人c f d a h l 发明了烧碱和硫化钠为蒸煮药剂，并在碱回收中以芒硝 作为药品补充的硫酸盐法制浆技术。此法原料适应性强，可应用于针叶材、阔叶材及各 种非木材纤维原料【5 1 5 2 1 。硫酸盐浆强度大、成浆色深，初期仅用于抄造牛皮纸和纸袋纸。 进入2 0 世纪以后，由于碱回收技术不断成熟，并发明了多段漂白法和高浓漂白设备， 使硫酸盐浆的漂白问题得到解决。硫酸盐法已成为最主要的化学制浆方法，由于它的纸 浆强度高，药品回收技术成熟，对原料的适应性强，能源的利用率高等优点，至今还没 有找到一种能与硫酸盐法相媲美的新制浆方法【5 3 1 。 硫酸盐蒸煮技术的发展是围绕降低环境污染，提高纸浆得率，降低生产成本而进行 的。其中提高纸浆得率本身也减少了排放量，且降低后序工段漂白的消耗，降低了污染 负荷【5 4 】。当前，全世界7 0 以上的纸浆生产仍然用硫酸盐法，该法利用纤维原料广泛、 成浆质量好、强度高、易回收化学药品和节省能量，但是该法有不足之处，纸浆得率一 般低于5 0 ，生产过程中散发出有机硫化物，臭味是一个严重问题，且碱回收系统较复 杂，使硫酸盐浆厂的投资建设费用很高。 n 。c o r d e i r o 及其同事们对产自马德拉岛的香蕉树进行了烧碱蒽醌法蒸煮与硫酸盐法 蒸煮试验的对比研列5 5 1 。研究认为，在不考虑灰分较高的情况下，制浆能够得到一个可 以接受的卡伯值。同时，在较为缓和的条件下，提取纤维素和半纤维素较为相似，但在 剧烈的条件下提取纤维素较为优先。 1 3 1 2 碱性亚硫酸盐法 上世纪7 0 年代末出现了一种新的制浆方法，即亚硫酸盐葸醌法( s a q ) s o 】。根据 药液的p h 值不同可以分为碱性亚硫酸盐蒽醌法( a s - a q ) 和中性亚硫酸盐葸醌法 ( n s - a q ) 。碱性亚硫酸盐法具有成浆强度高、得率高的特点，能够弥补制浆原料成浆 质量较差、得率较低的缺剧5 6 j 。刘智等人在对芭蕉、香蕉叶梢进行制浆研究初探时认为， 鉴于原料结构疏松，木素含量少，杂细胞含量较多，抽出物较多的特点，便采用较为缓 和的碱性亚硫酸盐法制浆，并采用烧碱助剂法以及增加其他助剂与之对比。研究认为较 6 广西大掌硕士掌位论文芭蕉、香蕉茎叶制浆造纸性能研究 高的温度和较长时间的蒸煮对叶梢的制浆不利，原因可能是由杂细胞的成分是较容易水 解的纤维素和半纤维素【1 5 】。 1 3 1 3 烧碱助剂法 烧碱法蒸煮药液的组成主要是氢氧化钠，还有微量的助剂葸醌( a q ) 、乙二铵四乙 酸( e d t a ) 。氢氧化钠是该法中主要的蒸煮活性化学药剂，a q 在蒸煮过程中通过对碳 水化合物的氧化还原作用，即保护了碳水化合物，提高了得率，又促进了脱木素反应。 加入螯合剂e d t a 主要是针对灰分中的钙离子、硅离子等，它们在高p h 值的条件下会 与原料中的游离酸形成不皂化物影响药液效用。蒸煮过程主要是脱木素过程，同时，也 不可避免的使部分纤维素和半纤维素受到一定程度的降解【5 4 1 。 蒸煮过程中脱木素的反应历程可分为三个阶段：第一阶段即初始脱木素阶段；第二 阶段即大量脱木素阶段，木素溶出量相当于原料木素含量的6 0 - - - 6 8 ；最后阶段即残 余木素脱除阶段。如果再继续蒸煮就会造成碳水化合物的大量降解，在蒸煮过程中碳水 化合物降解的化学反应有两种：一种是剥皮反应，在升温到1 0 0 时就开始了；另一种 是碱性水解，一般要在升温到1 6 0 才发生，温度越高，这两种反应就愈剧烈【57 1 。 在碱法制浆过程中，碳水化合物分子上的隐性醛基在碱性条件下变成酮基，导致碳 水化合物的剥皮反应。剥皮反应在1 0 0 左右就能发生，严重的剥皮反应将造成纸浆得 率和强度的下降。葸醌在有葡萄糖基存在时，被纤维素的还原性末端基氧化成暗红色的 蒽氢醌，溶于热碱中。同时，纤维素的还原性末端基变成了偏变糖酸基，从而阻止其剥 皮反应的进行，减少纤维纤维素的降解，提高了纸浆的得率和强度，降低了单位浆量的 纤维原料消耗量【5 8 】。 1 3 2 无元素氯和全无氯漂白 近年来，随着人们环保意识的曰益增强和环保法规的日趋完善，制浆造纸行业正朝 着消除污染或无污染的方向发展。目前，着重是降低化学制浆漂白废水毒性较大的有机 氯化物( a o x ) 的含量。自c 1 0 2 实现工业化以来，己通过采用多段漂白制得了高白度、 高强度的纸浆，继而又发展了氧漂和氧加强碱抽提( e o ) 等漂白新技术1 6 0 ，这些新的漂 白技术缓解了由于含氯漂剂带来的环境污染问题。总之，漂白的最终目的是实现全无氯 漂白( t c f ) 和无元素氯漂白( e c f ) ，这些新技术已在欧洲和北美等国家的工厂工业化， 其中e c f 漂白浆占到整个纸浆产量的一半以上。 7 广西大掌硕士掌位论文 芭蕉、香蕉茎叶制浆造纸性能研究 c 1 0 2 漂白时也会产生有机氯化物，但到目前为止尚未发现有毒物质的存在【6 1 1 。覃 程荣等进行了硫酸盐法蔗渣浆低c 1 0 2 用量的d q p 漂白研究，并与常规c e h 漂白结果 作了比较，研究结果表明，蔗渣浆经d q p 流程漂白，在优化条件下可达到8 3 i s o 以 上的白度【6 2 】。广西凤凰纸业采用d o p d d 漂序对针叶木k p 浆进行漂白，白度高达8 8 ， 而且漂后浆具有良好的物理性能。在我国也有的制浆厂用二氧化氯、氧等进行漂白，从 而减少了污染。 1 3 2 1 二氧化氯漂白 用a 0 2 取代a 2 进行漂白被称为无元素氯漂白( e c f ) 【吲。a 0 2 是一种具有很强 氧化能力的高效漂白剂，能够选择性的氧化木素和色素，使苯环开裂并进一步氧化降解 成各类羧酸产物，因此形成的有机氯代物很少，对纤维没有或很少有损伤。漂白后的纸 浆具有白度高，返黄少等优点。 在a 0 2 漂白反应体系中存在0 0 2 、h c l 0 2 、c 1 0 2 - 、c 1 0 3 一、h o c l 等多种反应中间 介体。反应体系的p h 值影响各种成分的浓度，其中c 1 0 3 一与木素不起反应，0 0 3 一的形 成导致c 1 0 2 漂白能力的损失。由于c 1 0 3 一的形成随p h 值的增加而增加，主要来自于反 应：2c 1 0 2 + 2 0 盯一c 1 0 3 一+ c 1 0 2 + h 2 0 。因此控制反应中的p h 值是非常重要的， a 0 2 漂白必须在酸性条件下进行【“，6 5 1 。 c 1 0 2 漂白与氧漂、氯化和次氯酸盐漂白相比对碳水化合物的降解要小很多，c 1 0 2 漂 白对碳水化合物的降解主要表现为酸性降解和氧化降解。酸性降解使漂自浆的粘度下 降，c 1 0 2 对碳水化合物的氧化主要是纸浆氧化【6 6 1 。 1 3 2 2 过氧化氢漂白 过氧化氢是一种弱的氧化剂，目前很多工厂采用强化过氧化氢漂白，有效的提高了 漂后浆的白度。h 2 0 2 与木素的反应主要是与木素侧链上的羰基和双键反应，使其氧化、 改变结构或将侧链碎解，最后形成一系列的二元羧酸和芳香酸。通常情况下，h 2 0 2 漂 白作为最终漂段【6 7 1 。h ：0 2 在酸性条件下非常稳定，但在碱性和有过渡金属离子存在的 情况下，易于分解【6 ，方程式如下： h 2 0 2 + o h 一昌h o o + h 2 0 ( 1 - 1 ) 4 分解出来的过氧氢氧根离子( h o o 。) 能与木素中的发色基团反应，生成无色基团， 同时可使部分木素溶出，达到漂白效果，但它能使碳水化合物的还原性末端基氧化为羧 基。h 2 0 2 分解产生的h o 和h o o 具有较强的降解作用，因此，要减少h 2 0 2 的无效分 8 广西大掌硕士学位论文芭蕉、香蕉茎叶制浆造纸性能研究 解。p h 值为1 0 5 1 1 5 是典型的过氧化氢应用范围，p h 值为1 0 5 时，1 0 5 的h 2 0 2 具 有活性形式；p h 值1 1 5 为时，5 0 的h 2 0 2 具有活性形式。 氢氧根还是一个非常强和非选择性的氧化剂【吲。虽然它优先与酚型化合物反应，但 也会有一些不希望的反应出现，例如多糖链的分裂( 纤维素破坏) 。如果氢氧根的浓度 不加以控制，碳水化合物将被破坏。控制过渡金属的量，特别是在纸浆中的镁、铜、铁 和选择一个合适的p h 值来减少过氧化氢分解，酸和螯合预处理段可用来减少金属的有 害作用。 1 3 2 3 氧碱漂白( o e ) 为达到与含氯漂剂一样的漂白效果，漂前蒸煮可以进行深度脱木素和氧碱脱木素。 氧脱木素是利用分子氧的强氧化剂作用对纸浆中的木素进行氧化降解而溶出的过程，同 时，添加少量的m g 盐以可以减少其对碳水化合物的降解，也可以采用h n 0 3 n a n 0 3 混合液、酸性h 2 0 2 液和k m n 0 4 h 2 s 0 4 等进行氧脱木素前的木素活化处理来减少碳水 化合物的降解【6 9 7 0 】。研究表明，在氧漂过程中加入h 2 0 2 可产生协同效应，更多的降低 卡伯值，进一步提高纸浆白度，而纸浆粘度损失不大。氧脱木素技术已经成为生产高白 度漂白化学浆的必要工序，为了提高氧脱木素率和改善脱木素的选择性，有的浆厂已经 使用两段氧脱木素，它比单段氧脱木素具有较好的选择性，在保证纸浆强度损失较小的 情况下，进一步提高木素的脱除率，最高可达7 0 以上，而且漂白浆的强度高，化学药 品的消耗少，漂白废水的c o d 负荷低【7 1 】。 1 4 论文研究的目的和主要内容 1 4 1 论文研究的目的 本论文拟采用烧碱法和硫酸盐法综合研究芭蕉、香蕉茎叶的制浆性能，优选出最佳 工艺条件；对最佳工艺条件下获得的浆进行无元素氯漂白，探讨其可漂性；研究芭蕉、 香蕉茎叶纸浆与其他纸浆配抄的性能，拓展其应用范围；并通过对原料的化学成分分析 以及对制浆过程中纤维特性和纤维形态变化的研究，初步了解芭蕉、香蕉茎叶制浆和漂 白方法的相关机理。本研究将为芭蕉、香蕉茎叶化学法制浆和实现高白度、高强度的化 学浆提供理论依据，为芭蕉、香蕉茎叶的资源化利用开辟一条有益的途径。 9 广西大掌硕士掌位论文芭蕉、香蕉茎叶锏浆造纸性能研究 1 4 2 论文研究的主要内容 ( 1 ) 系统分析芭蕉、香蕉茎叶的化学成分，观察其生物结构，从原料的化学成分和生 物结构特点研究其制浆造纸性能； ( 2 ) 综合研究芭蕉、香蕉茎叶的烧碱法和硫酸盐法制浆性能，优选出最佳工艺条件； ( 3 ) 优化芭蕉、香蕉茎叶纸浆的a 0 2 漂白工艺； ( 4 ) 研究芭蕉、香蕉茎叶纸浆与其他纸浆配抄的性能； ( 5 ) 通过红外光谱、x - 射线衍射等分析方法，探讨纸浆c 1 0 2 漂白机理。 1 0 广西大掌硕士掌位论文 芭蕉、香蕉茎叶制浆造纸性能研究 第二章芭蕉、香蕉茎叶的化学成分和生物结构研究 不同的植物纤维原料造纸，在制浆造纸过程中，所得的浆和纸的品种存在异同点， 这些异同点都与所用各种原料自身的化学组成及生物结构有密切关系，只有深入了解芭 蕉、香蕉茎叶的化学组成和生物结构，才能对其制浆过程中表现的特性有更清晰的认识。 2 1 实验原料、设备及方法 2 1 1 实验原料 选自广西南宁市那龙地区1 年生的芭蕉、香蕉树。将新砍的芭蕉、香蕉树进行表皮 清洁处理、剥皮、去芯、压榨脱水、晾晒，然后将晒干的芭蕉、香蕉树分成芭蕉树茎、 芭蕉叶、芭蕉叶梗、香蕉树茎、香蕉叶、香蕉叶梗六个部分，切成4 6 c l l l 长片，置入 粉碎机中磨成细末、过筛，截取能通过0 3 8 m m 筛孔( 4 0 目) 而不能通过0 2 5 m m 筛孔 ( 6 0 目) 的细末，贮存与密封良好的聚乙烯袋中，备分析使用。 2 1 2 实验设备 f z l 0 2 型微型植物试样粉碎机；扫描电子显微镜：日本日立s - 3 4 0 0 型。 2 1 3 实验方法 原料的水分含量、灰分含量、热水抽出物含量、1 n a o h 抽出物含量、苯醇抽出物 含量、纤维素含量、酸不溶木素( 克拉森木素) 含量和聚戊糖含量的测定均参见制浆 造纸分析与检测【7 2 1 。 2 。2 结果与讨论 2 2 1 芭蕉、香蕉茎叶的化学成分分析 众所周知，采用植物纤维原料造纸，纤维平均长度大，均一性好，纤维素含量多可 芭蕉、香蕉茎叶制浆造，纸性能研究 以生产得率高、强度高的纸浆。就芭蕉、香蕉茎叶造纸的性能而言，其造纸性能主要受 纤维素、木素、聚戊糖、灰分、纤维形态几个指标的影响。一般情况下，纤维素含量越 高，则制浆得率越高，经济效益越好；木素含量越低，则制浆漂白越容易，消耗化学药 品越少；聚戊糖含量越高，则打浆越容易，纤维结合强度也越大；灰分含量越高