桉木的化学组成及材性对KP法制浆特性的影响_谢益民

桉木的化学组成及材性 对 KP法制浆特性的影响 谢益民 伍 红 赖燕明 (华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室 ,广州 , 510641) 摘 要 以易蒸煮和难蒸煮两种桉木为原料,用蒸煮实验与化学分析和色谱分析相结合的方法 ,对抽出物含量、 木素结构、糖组成和基本密度等因素对硫酸盐法制浆特性 (纸浆得率和硬度 )的影响进行了研究。 结果表明 ,造成 不同桉木树种之间制浆特性差异的主要原因是木素中缩合型结构所占的比例、多酚类抽出物含量以及木材中中 性糖的含量;而基本密度只是在一定程度上影响着用碱量和得率 ,但不是影响制浆特性的决定因素。 关键词 桉木 木素结构 抽出物 硫酸盐法蒸煮 随着造纸工业的持续高速发展 ,造纸原料 (特别是木材原料 )的稳定供应已成为一个重要 的课题。 全世界造纸界对桉木原料的期望一直 非常高 ,然而 ,桉木中的一部分品种用于硫酸盐 法制浆时 ,不仅纸浆得率低 ,而且蒸煮时耗碱量 也较大 ,被认为是不适合用来制硫酸盐浆 ,称之 为难蒸煮材种。 相反 ,有一些桉木树种 ,特别是 人工造林的优良树种 ,在硫酸盐法蒸煮过程中 不仅得率高 ,而且耗碱量也低 ,被称为易蒸煮材 种 1, 2。研究桉木的制浆特性与其材性和木素结 构的相互关系 ,从而找出影响桉木硫酸盐法蒸 煮的关键因素 ,不仅可以为优化蒸煮工艺条件 提供理论依据 ,而且还能指导造纸用优良桉木 品种的定向培育。 本研究选择了一种很难蒸煮 的多枝桉 ( Eucalyptus viminalis)和一种很容易 蒸煮的蓝桉 ( Eucalyptus globulus)为实验材料 , 一方面通过硫酸盐法蒸煮实验了解它们制浆特 性 ,另一方面通过研究原料化学组分和木素结 构探讨影响制浆特性的主要因素。 1 材料及实验方法 1. 1 材料 采用澳大利亚东南部生产的多枝桉 (天然 林材 ,基本密度 691. 9 kg /m 3 )以及蓝桉 ( 18年 树龄的人工林 ,基本密度为 618. 4 kg /m 3 )作为 实验的原料。 1. 2 蒸煮实验 木片的蒸煮实验 ,采用 5 L实验室蒸煮器 , 蒸煮条件为硫化度 25 % ,活性碱 ( A. A. ) 11 % 28 % (以 Na2O计 ) ,液比 1 4, H因子 1029 。 木粉 ( 50 83目 )的硫酸盐法蒸煮采用容 积为 10 ml的压力反应器 ,蒸煮条件为: 硫化度 25 % ,活性碱 ( A. A) 12 % 52 % (以 Na2 O计 ) , 液比1 10, 放 入 170 的 恒 温 箱 中 蒸 煮 100min 。 1. 3 化学分析 木粉经 Wiley磨粉碎后用电动筛进行分 级 ,得到粒度 50 83目的木粉用于化学分析。 苯 - 醇混合液 ( 1 2)抽提和 1 % NaOH抽提以 及 Klason木素含量的测定均参照 Tappi标准 , 酸可溶木素含量采用紫外分光光度法 ,波长选 用 205nm,吸光系数用 110 l /g cm,综纤维素 含量的测定采用亚氯酸钠法 (即 Wise法 )。 1. 4 糖分析 经抽提后的木粉 300g( O. D. )加 72 %硫酸 3ml在 20 下水解 1h,加水将硫酸浓度稀释为 4 % ,放入压力釜中在 121 下处理 1h,经玻璃 砂芯漏斗过滤 ,并将滤液稀释后用 HPLC进行 收稿日期: 1998-02-09(修改稿 ) 本项目为广东省自然科学基金和广东省高教厅“千百十 工程”优秀人才培养基金资助项目 71998年 9月 China Pulp进样方法: Split法 色谱柱恒温槽温度: 180 250 ,以 3 / min的速度升温 检测器: FID, 270 载气: 氦气 2 结果与讨论 2. 1 木片的硫酸盐法蒸煮 2种桉木木片的蒸煮结果如图 1和图 2所 示。 将多枝桉木片在硫化度 25 %、活性碱 21 % 28 % 的条件下进行蒸煮。当卡伯值下降到 18 时 ,需要 24 %的活性碱 ,纸浆得率只有 39. 6 %。 作为对照物 ,将材龄为 18年的蓝桉在硫化度 25 %、活性碱 11 % 14 % 的条件下进行蒸煮 , 当卡伯值降至 18时所需要的活性碱为 12 % , 而纸浆得率达到 57. 7 % 。 由此可见 ,多枝桉不 太适合制硫酸盐浆 ,相反 18年材龄的蓝桉很容 易蒸煮 ,而且得率很高。 图 1 蒸煮多枝桉和蓝桉木片时 卡伯值与活性碱用量的关系 图 2 蒸煮多枝桉和蓝桉木片时 纸浆得率和卡伯值的关系 在硫酸盐法蒸煮中造成这 2种桉木在用碱 量和得率方面差别的原因 ,可能有以下几方面: 1)木素含量及化学构造方面的差别 2)多酚类物质含量方面的差别 3)蒸煮药液在木片中的渗透性方面的差别 4)碳水化合物的含量方面的差别 2. 2 未经处理的木粉的硫酸盐法蒸煮 8中国造纸 第 5期 桉木木片的基本密度影响着蒸煮药液对木 片的浸透性。在本研究中 ,采用将木片粉碎后再 进行蒸煮的方法 ,通过木粉蒸煮和木片蒸煮在 耗碱量、得率方面的差别可以掌握基本密度对 蒸煮过程的影响程度。 两种桉木木粉的硫酸盐法蒸煮实验结果如 图 3所示 ,在活性碱的用量方面 ,为了得到卡伯 值为 18的纸浆 ,多枝桉所需活性碱仍然达 36. 6 % ,而蓝桉则只需 28. 6 % 。 两者之差达 8 % 。 根据前面所述木片蒸煮的实验数据 ,卡伯 值 18时 ,多枝桉和蓝桉之间的活性碱用量的差 值为 12 % ,从这些结果来看 ,桉木树种之间的 基本密度的差别对用碱量有一定的影响 ,但是 不能看成主要因素。 图 3 蒸煮多枝桉和蓝桉木粉时 卡伯值与活性碱用量的关系 如图 4所示 ,卡伯值下降到 18时 ,多枝桉 木粉的得率为 44 % ,而蓝桉木粉的得率则为 53 % ,两者之间相差 9 %。而在前面所述的木片 的蒸煮实验中 ,多枝桉和蓝桉得率相差 20 % , 由此可见 ,用木粉进行蒸煮时 ,多枝桉和蓝桉之 间在纸浆得率上的差距有所缩小。 对于这个现 象 ,可以解释成两方面的原因: 首先 ,进行木片 蒸煮实验时 ,由于液比较小 (木片蒸煮液比为 1 4,木粉蒸煮液比为 1 10) ,所以 ,对于用碱 量较大的多枝桉来说剥皮反应尤其严重 ,所以 木片蒸煮时 2种桉木之间得率差别偏大;此外 , 多枝桉与蓝桉之间的基本密度方面的差别虽然 不能说是造成它们的纸浆得率间的差异的根本 原因 ,但也是一个不可忽略的因素。 图 4 蒸煮多枝桉和蓝桉木粉时 纸浆得率和卡伯值的关系 2. 3 有机溶剂及 1 % NaOH抽提后木粉的硫 酸盐法蒸煮 桉木的抽出物在硫酸盐法蒸煮过程中大部 分被溶出 ,一方面使得碱的消耗量增加 ,另一方 面使得纸浆得率下降 ,对桉木的制浆过程造成 不利的影响。 此外 ,在硫酸盐法蒸煮中鞣花酸 ( ellagic acid)不但在高温高压下与 Ca 2+ 、 Mg 2+ 等金属离子发生缩合 ,产生浓黄色的粘性很强 的物质 ,残渣留在纸浆上 ,使纸浆产生较深的色 调 ,而且还会使黑液粘度上升而影响碱回收炉 的正常运转 4。 为了调查桉木中抽出物的影响 程度 ,在本实验中预先用苯 - 醇混合液 ( 2 1)及 1 % NaOH水溶液对木粉进行抽提后再进行蒸 煮。 如图 5所示 ,若要获得卡伯值为 18的纸 浆 ,蒸煮经抽提后的多枝桉木粉需要 30. 7 % 的 91998年 9月 China Pulp 48( 2): 18 27 2 张周宏 .柳桉制浆造纸实践.广西造纸 , 1994 : 28 31 3 Tappi Stand T2m- 60, T APPI TEST M ET HOD , Tappi Press, 1960 4 大江礼三郎 ,水野忠男 ,羽藤信弘 .材抽出成分 黑液粘度影响 . 1972 : 26( 12): 20 29 5 Bland D.E. ,Menshun M.Determination of total lig nin and polyphenol in eucalypt woods.Appita, 1971; 25( 2): 110 115 6 Sarkanen K. V. and Ludwig C. H . Lignins : Occurrence, Fo rmation, Structure and Reaction. New York : Wiley-In- terscience, 1971 : 65 73 Effect of Chemical Composition and Wood Property on Kraft Pulping of Eucalyptus Xie Yimin Wu Hong Lai Yanming (State Key Lab.of Pulp and Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou, 510641) ABSTRACT In order to investigate the effect of chemical composition(Extractives content,lignin structure,sugar component)and basic density of eucalyptus woods on their characteristics in kraft pulping, two special eucalyptus species were used as raw material, and cooking experiment, chemical and chromatography analyses were carried out in this research. The results showed that the main factors affecting pulping characteristics and pulp yield were the ratio of condensed structure in lignin,extractives content and neutr