汉麻芯秆烧碱-蒽醌碱法制浆性能研究

摘要

利用烧碱-蒽醌碱法制浆工艺对育种田汉麻芯秆和纤维田汉麻芯秆进行蒸煮，研究用碱量对二者成浆性能的影响。结果表明，当蒸煮温度160 ℃、保温时间2.5 h时，随着用碱量的增加，2种浆料的粗浆得率和高锰酸钾值逐渐下降，纤维素含量和保水值逐渐提高；当用碱量为20%时，育种田汉麻芯秆浆和纤维田汉麻芯秆浆的粗浆得率分别为48.3%和56.8%，高锰酸钾值分别为11.0和13.9，纸浆得率和性能相对较优。将打浆度均为40 °SR的这2种汉麻芯秆浆（纤维长度约1~3 mm）分别与针叶木浆（打浆度40 °SR）按一定配比混合抄纸发现，配抄5%汉麻芯秆浆可改善纸张的强度性能，表明汉麻芯秆浆可作为生产箱纸板面层纸或牛皮纸等的替代原料。

关键词

汉麻芯秆; 碱法制浆; 汉麻芯秆浆; 强度性能

汉麻（Hemp）是一种丰富的可再生资源，用其制备的汉麻纤维是人类最早使用的一种生态纺织原料^［1-3］，且其在纺织领域的应用已比较成熟。汉麻种植简单、省工省时，我国各地均能种植，甚至在山坡地、盐碱地等也能种植，其不与粮、棉、油争地，且生长周期短、生物产量高，特别适合于轮作间作^［4-6］。

作为一种良好的纤维素原料，汉麻韧皮纤维具有优异的吸湿排汗性、抗菌性、柔软舒适性、抗紫外性、耐高温性及吸附性等性能^［7-9］。汉麻芯秆部和韧皮部纤维的物理结构和化学结构差异显著，因而它们的蒸煮方式和纤维用途也各不相同^［10-12］。目前，国外企业大多采用烧碱-蒽醌法对大麻皮进行蒸煮制浆，国外学者也对大麻皮进行了碱性亚硫酸盐法制浆研究，但汉麻在我国制浆造纸领域的应用并不成熟，还存在诸多问题^［13-15］。关于大麻生物预处理，国外学者已取得了较大的研究进展，且关于麻浆漂白的相关研究也较多。目前，我国关于汉麻韧皮部的制浆造纸研究较多，而关于汉麻芯秆部的制浆造纸研究相对较少。随着麻类作物产量提高，需要更多方式以合理利用麻纤维，以创造更高的经济价值^［16-17］。

我国种植的汉麻主要分为产籽用的育种田汉麻和纺织用的纤维田汉麻。本实验利用烧碱-蒽醌碱法制浆工艺对这2种汉麻芯秆进行蒸煮，研究用碱量对二者成浆性能的影响，并将汉麻芯秆浆与针叶木浆按一定配比混合抄纸，研究汉麻芯秆浆对纸张强度性能的影响，以期为汉麻作为制浆造纸纤维原料及其工业化应用提供一定的理论基础。

1 实 验

1.1　试剂和仪器

育种田汉麻芯秆（生长周期约10个月，粗壮，整体白净，产地：黑龙江省黑河市，山东某公司提供）、纤维田汉麻芯秆（生长周期约8个月，略细，产地：黑龙江省黑河市，山东某公司提供）、针叶木浆（智利产银星牌针叶木浆，打浆度40 °SR，中冶纸业银河有限公司提供）、氢氧化钠（天津市大茂化学试剂厂）、蒽醌（湖北科易佳化工有限公司）。

电热鼓风干燥箱（FXB101-2，上海树立仪器仪表有限公司）、电热回旋蒸煮锅（No.2605，日本KRK公司）、分析天平（FA1004，上海上平仪器有限公司）、水分快速测定仪（Precise普利赛斯XM60，广州博勒泰科技有限公司）、瓦利打浆机（No.2505，日本KRK公司）、光学显微镜（Leica DM750M，重庆莱奥仪器有限公司）、Zeta电位分析仪（FPA-TOUCH，上海林纸科学仪器有限公司）。

1.2　原料处理

将汉麻秆浸泡在水中12 h，并用重物按压，以确保充分浸泡，然后将其韧皮部和芯秆部分离，留取芯秆部并切断至2~3 cm，平衡水分，备用。

1.3　汉麻芯秆蒸煮制浆

采用15 L电热回旋蒸煮锅，采用烧碱-蒽醌碱法制浆工艺进行实验，装锅量为1.2 kg，液比为1∶4.5，蒸煮温度为160 ℃，升温时间1.5 h，保温时间2.5 h，用碱量分别为18%、20%、22%、24%和26%（相对于绝干原料质量），蒸煮完成后对浆料进行洗涤筛选，测量水分后备用^［18-20］。

1.4　汉麻芯秆浆的抄纸及成纸性能分析

利用瓦利打浆机将汉麻芯秆浆打浆至40 °SR，并与针叶木浆按一定配比进行抄纸，定量为60 g/m²。分别按照GB/T 453—1989、GB/T 455.1—1989、GB/T 454—1989及GB/T 2679.5—1995测定成纸的抗张强度、撕裂度、耐破度及耐折度。

1.5　性能表征

粗浆得率：洗好的浆料装入密封袋中平衡水分24 h，测定3次固含量取平均值，然后计算粗浆得率（X）：

X（%） = m2/m1×100%

（1）

式中，m₁表示蒸煮前原料的绝干质量，g；m₂表示蒸煮后粗浆的绝干质量，g。

分别参照GB/T 1546—1989及GB/T 29286—2012测定浆料的高锰酸钾值及保水值；利用光学显微镜观察纤维形貌并测量纤维长度；利用Zeta电位分析仪测定浆料的Zeta电位；采用硝酸-乙醇法测定浆料的纤维素含量。

2 结果与讨论

2.1　用碱量对浆料性能的影响

用碱量对2种汉麻芯秆成浆性能的影响如图1所示。从图1（a）可以看出，随着用碱量的增加，育种田汉麻芯秆和纤维田汉麻芯秆的粗浆得率呈降低趋势，当用碱量为18%时，育种田汉麻芯秆浆和纤维田汉麻芯秆浆的粗浆得率分别为50.0%和57.4%；当用碱量增至26%时，育种田汉麻芯秆浆和纤维田汉麻芯秆浆的粗浆得率降至41.6%和42.1%。这是因为用碱量的增加有利于汉麻芯秆解离成纤维，得到较好的成浆效果，但会造成部分纤维水解，导致成浆得率降低。从图1（b）可以看出，当用碱量为20%时，育种田汉麻芯秆浆和纤维田汉麻芯秆浆的高锰酸钾值分别为11.0和13.9，基本满足化学浆的硬度要求。综合考虑浆料得率及实际经济效益，2种汉麻芯秆的蒸煮最佳用碱量均为20%。同时实验还发现，汉麻芯秆蒸煮过程中，用碱量对纤维田汉麻芯秆成浆性能的影响比育种田汉麻芯秆更显著，这主要归因于这2种纤维原料的生长周期不同。

图1  用碱量对2种汉麻芯秆成浆性能的影响

Fig. 1  Effect of alkali dosage on the pulping performance of two types of hemp core stalks

在用碱量20%条件下，育种田汉麻芯秆和纤维田汉麻芯秆成浆纤维形态及形貌如图2所示。从图2可以看出，育种田汉麻芯秆浆的纤维长度比纤维田汉麻芯秆浆短，且更均匀。由所对应的光学显微镜照片可知，纤维田汉麻芯秆浆呈红色，育种田汉麻芯秆浆显灰色，二者成浆颜色差异显著。两种浆均存在长纤维，且长度为1~3 mm，互相缠绕，但纤维田汉麻芯秆浆长纤维更多一些。初步分析，部分长纤维来源于原料中残留的部分韧皮部纤维。

图2  育种田汉麻芯秆浆 （a） 及纤维田汉麻芯秆浆 （b） 的纤维形貌

Fig. 2  Fiber morphology of breeding hemp (a) and fiber-field hemp (b) core stalk pulp

注   左： 光学照片，右： 光学显微镜照片。

不同用碱量条件下2种汉麻芯秆浆的性能如图3所示。从图3（a）可以看出，随着用碱量的增加，育种田汉麻芯秆浆和纤维田汉麻芯秆浆的保水值均略有增大，且育种田汉麻芯秆浆的保水值略高于纤维田汉麻芯秆浆，这是由于育种田汉麻芯秆浆中的细小纤维较多导致。从图3（b）可以看出，2种浆料的Zeta电位随着用碱量的增加基本没有变化。由图3（c）可知，2种汉麻芯秆浆的纤维素含量随用碱量的增加呈上升趋势，但变化不大，因为用碱量的增加会导致纤维素部分水解，但木质素脱除量随用碱量增加而增加，因而纤维素总占比呈上升趋势。2种浆料的Zeta电位和纤维素含量基本相同，这表明两种汉麻芯秆的纤维组成相似。

图3  用碱量对2种汉麻芯秆浆性能的影响

Fig. 3  Effect of alkali dosage on the performance of two types of hemp core stalk pulps

2.2　打浆工艺对浆料纤维形貌的影响

利用瓦利打浆机将2种浆料打浆至40 °SR，其纤维形貌如图4所示。从图4可以看出，经轻微打浆处理后，2种浆料的纤维长度略有减短，但分丝帚化不明显，这主要是因为瓦利打浆的作用主要是切断纤维，对纤维分丝帚化作用不大。育种田汉麻芯秆浆纤维长度下降较纤维田汉麻芯秆浆明显，出现了大量的细小纤维和纤维碎片。这归因于育种田汉麻芯秆浆的纤维比纤维田汉麻芯秆浆短，更易被切断，这与图2中光学显微镜观察结果一致。

图4  （a） 育种田汉麻芯秆浆及（b）纤维田汉麻芯秆浆的纤维形貌

Fig. 4  Fiber morphology of breeding hemp (a) and fiber-field hemp (b) core stalk pulp

2.3　浆料配比对纸张强度性能的影响

将最佳蒸煮条件下所得的汉麻芯秆浆（打浆度为40 °SR）与针叶木浆（打浆度为40 °SR）按一定配比混合抄纸，定量为60 g/m²，成纸强度性能如图5所示。从图5（a）可以看出，随着2种汉麻芯秆浆配比的增加，成纸抗张指数呈先提高后降低的趋势，当育种田汉麻芯秆浆和纤维田汉麻芯秆浆配比均为5%，成纸抗张指数最大，相对于空白纸样，分别提高了3.5%和9.2%。这是由于汉麻芯秆浆纤维较针叶木浆纤维短小，比表面积大，在低配比下，可填充纸张内部孔隙，改善成纸匀度，增强纤维间的结合力。当汉麻芯秆浆配比过高时，由于汉麻芯秆浆纤维较短，纤维本身强度差，进而导致成纸抗张指数降低。从图5（b）可以看出，2种汉麻芯秆浆的添加对成纸撕裂指数影响不大，主要是因为成纸撕裂指数由纤维本身强度决定。从图5（c）和图5（d）可以看出，随着2种汉麻芯秆浆配比的增加，成纸耐破指数和耐折度均呈先提高后降低的趋势，且在配比约为5%时达到相对较高值。进一步分析可知，相对于育种田汉麻芯秆浆，纤维田汉麻芯秆浆对成纸抗张指数提高更明显，对耐破指数和耐折度提高相对较差。根据汉麻芯秆浆与针叶木浆混合配抄对成纸强度性能影响的实验结果可知，可将汉麻芯秆浆作为高档箱纸板的面层纸或牛皮纸等纸种的配浆使用。

图5  2种汉麻芯秆浆对纸张强度性能的影响

Fig. 5  Effects of two types of hemp core stalk pulps on the strength properties of paper

3 结 论

本实验以育种田汉麻芯秆和纤维田汉麻芯秆为制浆原料，采用烧碱-蒽醌碱法制浆工艺进行蒸煮，探讨了用碱量对浆料性能的影响。结果表明，当蒸煮温度160 ℃、保温时间2.5 h时，随着用碱量的增加，育种田汉麻芯秆浆和纤维田汉麻芯秆浆的粗浆得率和高锰酸钾值均呈下降趋势。当用碱量为20%时，育种田汉麻芯秆浆和纤维田汉麻芯秆浆的粗浆得率分别为48.3%和56.8%，高锰酸钾值分别为11.0和13.9，成浆性能最佳。2种汉麻芯秆浆的纤维长度分布范围较广，约1~3 mm。将这2种浆料打浆至打浆度为40 °SR后与针叶木浆（打浆度40 °SR）按一定配比混合抄纸，发现当配比约为5%时，2种浆料对成纸强度性能有一定的改善，配比过高时会导致成纸强度性能下降。实验结果表明，育种田汉麻芯秆浆和纤维田汉麻芯秆浆均可作为生产牛皮纸、箱纸板面层纸的替代原料。