鄺仕均

(中國(guó)制漿造紙研究院，北京，100061)

桉樹(shù)木材性質(zhì)對(duì)其硫酸鹽法制漿性能的影響

鄺仕均

(中國(guó)制漿造紙研究院，北京，100061)

討論了桉木的木材密度、木素含量、木素的紫丁香基和愈創(chuàng)木基比值 (S/G)、抽提物含量、聚木糖和糖醛酸含量等重要木材性質(zhì)對(duì)其硫酸鹽法制漿行為的影響。

桉木;硫酸鹽法制漿

當(dāng)今桉木漿已成為世界范圍十分重要的造紙纖維原料。據(jù)估計(jì)，到2015年全球商品漿產(chǎn)量將達(dá)到7500萬(wàn)t，其中3500萬(wàn)t是闊葉木漿，而桉木漿占闊葉木漿的一半，桉木漿是產(chǎn)量最大的單一原料商品漿。人們之所以青睞于桉木漿，一是由于在某些地區(qū)桉木木材生產(chǎn)率高，紙漿得率高而生產(chǎn)出的桉木漿成本低;二是經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用，人們已能充分掌握桉木纖維的優(yōu)良品質(zhì)，生產(chǎn)出成本、質(zhì)量俱佳的產(chǎn)品。即使是傳統(tǒng)應(yīng)用漂白針葉木漿生產(chǎn)的紙漿品種，也越來(lái)越多地以部分甚至全部桉木漿為原料。桉木漿用在生活用紙、印刷書(shū)寫(xiě)紙等紙張品種的生產(chǎn)已十分普遍。

桉木漿的質(zhì)量和桉木木材質(zhì)量有密切關(guān)系。桉木纖維因樹(shù)種、樹(shù)齡的不同而會(huì)有很大差異，通過(guò)選擇不同樹(shù)種、樹(shù)齡的原料，結(jié)合不同的制漿工藝可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的適用于大多數(shù)紙張產(chǎn)品的桉木漿。桉木木材的性質(zhì)，包括木材密度、纖維形態(tài) (粗度、纖維長(zhǎng)度分布等)、木素含量、抽出物和聚木糖含量、糖醛酸含量、木素的紫丁香基和愈創(chuàng)木基比值 (S/G)等，對(duì)桉木硫酸鹽法制漿性能有很重要的影響。當(dāng)然，諸如微纖維角度、纖維素結(jié)晶度、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、纖維素和聚木糖分子質(zhì)量分布、非過(guò)程元素等對(duì)紙漿生產(chǎn)也很重要，但作為生產(chǎn)廠，這些因素一般都不作為日常生產(chǎn)的控制參數(shù)。本文簡(jiǎn)要討論影響桉木硫酸鹽法制漿性能的一些重要木材性質(zhì)。

1 桉木木材性質(zhì)對(duì)硫酸鹽法制漿性能的影響

1.1 木材密度

漂白硫酸鹽漿生產(chǎn)的工藝已很成熟，工廠重點(diǎn)關(guān)注的是提高生產(chǎn)效率和降低成本。當(dāng)考慮生產(chǎn)低成本商品漿時(shí)，往往用制漿得率來(lái)評(píng)價(jià)木材原料的優(yōu)劣。但是制漿得率不只與木材性質(zhì)有關(guān)，同時(shí)還受所采用的制漿工藝、所要求的卡伯值等因素的影響。

木材密度是硫酸鹽法制漿最重要的木材性質(zhì)，影響紙漿纖維粗度及其分布，從而影響紙漿的用途。木材密度直接決定生產(chǎn)噸漿所需的木材體積，也就是常說(shuō)的單位木材體積消耗 (SWC)。木材成本是紙漿生產(chǎn)成本的重要組成部分，即使是成本較低的木漿生產(chǎn)廠，其木材費(fèi)用也至少占生產(chǎn)成本的40%。因此，SWC對(duì)于生產(chǎn)成本是十分重要的。

不同桉樹(shù)樹(shù)種的木材密度對(duì)SWC有明顯的影響。根據(jù)木材密度和制漿得率可以計(jì)算出SWC，高密度的木材和高制漿得率時(shí)SWC最少。木材的密度和制漿得率并無(wú)明顯的關(guān)系，因?yàn)橹茲{得率除受木材密度的影響外，還受制于木材諸多其他性質(zhì)。

一般來(lái)說(shuō)，桉木木材密度350～650 kg/m3，制漿得率48%～56%。因此通過(guò)控制木材密度比控制制漿得率更易于降低 SWC。例如，巨桉木材密度為389 kg/m3，制漿得率為55.9%，其SWC為4.62 m3/t絕干漿。而尾葉桉木材密度為544 kg/m3，制漿得率雖然相對(duì)比較低，為51.7%，但是SWC卻比巨桉要低得多，僅為3.56 m3/t絕干漿。由此可見(jiàn)，高密度木材因?yàn)樯a(chǎn)每噸漿所用木材體積較小，制漿生產(chǎn)成本較低。使用像尾葉桉這類(lèi)密度較高的木材還可以增加產(chǎn)量，因?yàn)檎糁箦伳静难b鍋量可以明顯增加。

上述的例子是密度低的木材制漿得率高，而密度高的木材制漿得率低，但情況并非總是如此。有人對(duì)10種熱帶地區(qū)生長(zhǎng)的桉木進(jìn)行制漿實(shí)驗(yàn)，并未發(fā)現(xiàn)木材密度和制漿得率有相關(guān)關(guān)系。但有人發(fā)現(xiàn)，南部智利的藍(lán)桉的制漿得率和木材密度正相關(guān)，還發(fā)現(xiàn)，木材密度和樹(shù)齡成線(xiàn)性正相關(guān)。巴西林業(yè)部門(mén)正進(jìn)行培育既有高木材密度同時(shí)也有高制漿得率的樹(shù)種。

對(duì)于生長(zhǎng)在巴西的桉木，木材密度和制漿得率之所以缺乏正相關(guān)，原因之一可能是這些木材過(guò)早形成的心材，心材因?yàn)楹写罅康亩喾宇?lèi)抽出物而不利于制漿得率提高。隨著樹(shù)齡增長(zhǎng)，其木材密度增大，有利于制漿得率提高;但同時(shí)它的抽出物含量也增加，蒸煮到一定卡伯值時(shí)活性堿用量增加，從而使得率下降。表1是烏拉圭北部3種桉木樹(shù)齡對(duì)木材密度、抽出物含量和制漿得率的影響。

表1 桉木樹(shù)齡對(duì)木材密度、抽出物含量和制漿得率(卡伯值在17.0～21.5)的影響

有些研究人員研究了藍(lán)桉木材密度對(duì)其制漿性能的影響，表2是蒸煮條件和所得結(jié)果。

從表2可見(jiàn)，具有最高木材密度的樣品要求比較緩和的蒸煮條件，其制漿得率比木材密度最低的樣品高出近10個(gè)百分點(diǎn)。高木材密度樣品的高制漿得率主要?dú)w因于木素含量低 (見(jiàn)表3)和多糖組分中纖維素相對(duì)含量較高。

表2 不同木材密度的藍(lán)桉硫酸鹽法制漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 不同木材密度藍(lán)桉木素含量%

上述3種漿漂白性能沒(méi)有區(qū)別，3種漿漂白損失均在3%左右;低密度木材制漿漂前和漂后黏度都最低。

表4是幾種桉木所生產(chǎn)紙漿的纖維形態(tài)。同為藍(lán)桉，由表4可見(jiàn)，木材密度最高的樣品所生產(chǎn)的漿纖維平均長(zhǎng)度為0.85 mm，比中等密度和低密度的樣品(分別為 0.81和 0.71 mm)都要長(zhǎng)，纖維寬度(19.3 μm)和粗度 (0.072 mg/m)都最高，但每克漿的纖維根數(shù)最少。這里，纖維長(zhǎng)度和粗度與木材密度成線(xiàn)性關(guān)系。

表4 不同木材密度藍(lán)桉未漂硫酸鹽漿纖維形態(tài)

低木材密度桉木漿纖維不打漿也很柔軟，高木材密度桉木漿纖維即使使用PFI磨打漿4500轉(zhuǎn)仍然很僵硬。低木材密度藍(lán)桉漿由于纖維細(xì)胞壁很薄，纖維具有較高的比表面積，因而有較高的濾水阻力。

在相同PFI磨打漿轉(zhuǎn)數(shù)下，低木材密度桉木漿成紙有較高緊度，也有較高的抗張強(qiáng)度和耐破度。但是經(jīng)過(guò)適當(dāng)打漿的高木材密度桉木漿可以生產(chǎn)強(qiáng)度高的紙張，這是因?yàn)樵谙嗤募垙埦o度下，高木材密度和中等木材密度桉木漿纖維所產(chǎn)生的纖維之間的結(jié)合力更高。

雖然木材密度高的桉木有利于制漿，但這些紙漿的缺點(diǎn)是纖維光散射能力差，打漿能耗高。

1.2 抽出物含量

速生桉樹(shù)由于砍伐樹(shù)齡短，抽出物含量低，對(duì)制漿得率的負(fù)面影響不明顯，木材總抽出物含量和制漿得率之間存在一定的相關(guān)性。最明顯的是乙醇-甲苯抽出物組分;二氯甲烷 (DCM)抽出物因含有少量親油性組分就不那么顯著，但這些組分會(huì)生成引起麻煩的樹(shù)脂。親油性抽出物主要含有飽和與未飽和脂肪酸和甾醇酯類(lèi)物質(zhì)，它們會(huì)引起桉木硫酸鹽漿廠的樹(shù)脂障礙，大多數(shù)漿廠用滑石粉和其他樹(shù)脂控制方法來(lái)應(yīng)對(duì)樹(shù)脂障礙所引起的麻煩。

1.3 木素含量及木素結(jié)構(gòu)

從物料平衡角度考慮，木素含量和硫酸鹽法制漿得率應(yīng)該是負(fù)相關(guān)的，但實(shí)際情況并非總是如此。研究人員對(duì)25個(gè)三年生的桉木樣品進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)只有一個(gè)樣品在卡伯值17～18時(shí)存在負(fù)相關(guān)。對(duì)這些出乎意料的結(jié)果的解釋是，幼齡材主要是低密度木材，低木材密度同樣會(huì)影響制漿得率。另一個(gè)研究報(bào)告采用10種不同桉木樹(shù)種，在它們的砍伐樹(shù)齡也發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的不良相關(guān)性。很明顯，制漿得率除和木素含量有關(guān)外，還受很多因素影響。

此外，木素結(jié)構(gòu)對(duì)脫木素速率和制漿得率也起著重要作用。木素結(jié)構(gòu)如S/G，C-4縮合結(jié)構(gòu)的含量等都直接影響木素在制漿過(guò)程的行為。因此，僅木素含量并不足以決定制漿得率的高低，制漿得率必須從木素含量、S/G、抽出物含量和木材密度來(lái)考慮。

一般來(lái)說(shuō)，木素S/G越高的木材越易制漿，因?yàn)樽隙∠慊舅卦诹蛩猁}法制漿中更容易發(fā)生反應(yīng)。大量研究表明，S/G和蒸煮有效堿用量成負(fù)相關(guān)，而和制漿得率成正相關(guān)。由于生長(zhǎng)在巴西的桉樹(shù)無(wú)性系木素的S/G變化范圍很小 (2～3)，因此很難發(fā)現(xiàn)它們的S/G和制漿得率有很好的相關(guān)性。但是Minas Gerais等人從巴西4個(gè)不同地區(qū)種植的6種尾巨桉無(wú)性系所采集的24個(gè)三年生木材樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，它們的S/G和制漿得率之間有很好的正相關(guān)。根據(jù)這些研究結(jié)果，人們正在致力通過(guò)樹(shù)木改良計(jì)劃和基因工程來(lái)提高桉木木素的S/G。

對(duì)100株三年生尾巨桉研究表明，木素含量和木素S/G成負(fù)相關(guān)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)高S/G的木素含有更多的β-O-4醚鍵，因此含有高S/G木素的木材容易蒸煮和有較高制漿得率的原因是它們有較多的醚鍵，較少的縮合木素。高S/G木素可能的負(fù)面影響是會(huì)使黑液熱值降低，紫丁香基木素比愈創(chuàng)木基木素含氧量更多，會(huì)引起黑液熱值下降;但是通過(guò)制漿過(guò)程加速脫木素，高S/G木素能減少多糖損失，從而彌補(bǔ)紫丁香基木素高含氧量所引起的可能損失。此外，還已證明，高S/G木素桉木的硫酸鹽漿在一定卡伯值下易于漂白，這主要由于這些硫酸鹽漿具有較多的β-O-4鍵，較少的C-4縮合鍵。

1.4 半纖維素和糖醛酸含量

眾多研究已經(jīng)證明，在桉木硫酸鹽法制漿過(guò)程中，木材大部分糖醛酸都被轉(zhuǎn)變成己烯糖醛酸，這種轉(zhuǎn)變使得木材的聚木糖不再進(jìn)行降解反應(yīng)，從而提高紙漿得率。事實(shí)上，在硫酸鹽法制漿過(guò)程中，桉木聚木糖的分子質(zhì)量只降低約一半。表5列出不同桉木木材及其硫酸鹽漿中聚木糖的相對(duì)分子質(zhì)量。

表5 幾種桉木及相應(yīng)硫酸鹽漿聚木糖分子相對(duì)分子質(zhì)量 ×103

桉木聚木糖在硫酸鹽蒸煮中不易降解，大多數(shù)桉木硫酸鹽漿的聚木糖含量通常都很高。木材的聚木糖保留達(dá)50% ～59%(見(jiàn)表6)。

桉木聚木糖含有大量的4-O-甲基葡萄糖醛酸，用H NMR技術(shù)測(cè)出每10個(gè)木糖單元就有1.9～2.8個(gè)4-O-甲基葡萄糖醛酸，這會(huì)起到保護(hù)作用，不發(fā)生剝皮反應(yīng)和β(1-4)葡萄糖醛酸鍵不發(fā)生水解。對(duì)6種七年生桉木研究表明，桉木在硫酸鹽法制漿過(guò)程中，4-O-甲基葡萄糖醛酸含量和聚木糖的脫除成負(fù)相關(guān)，因此可以預(yù)測(cè)，糖醛酸含量高的木材會(huì)有較高的制漿得率，因?yàn)榧垵{中保留有較多的聚木糖。另外有研究表明，含有大量己烯糖醛酸的硫酸鹽法紙漿得率較高。還值得指出的是，桉木硫酸鹽蒸煮黑液中只含有少量的聚木糖，看來(lái)沒(méi)有必要去開(kāi)發(fā)從黑液提取聚木糖的方法。

表6 桉木硫酸鹽蒸煮后聚木糖的分布

南非的桉樹(shù)雜交樹(shù)種的硫酸鹽漿含有大量的己烯糖醛酸。已發(fā)現(xiàn)，不同種植環(huán)境的不同樹(shù)種己烯糖醛酸的含量不同。立地條件差的樹(shù)木的己烯糖醛酸含量較高。己烯糖醛酸的存在會(huì)使紙漿的卡伯值升高，從而使得對(duì)紙漿殘余木素的估值偏高。有人發(fā)現(xiàn)，9.4～11.6 μmol己烯糖醛酸在卡伯值測(cè)定時(shí)會(huì)增加1個(gè)卡伯值單位。

桉木硫酸鹽漿保留大量的聚木糖，這有利于改善桉木漿的打漿性能，可以明顯降低打漿能耗。為了使抗張強(qiáng)度達(dá)到60 N·m/g，紙漿聚木糖含量從13%增加至17%，可以減少能耗40%，也就是聚木糖含量每增加1%，節(jié)能約達(dá)10%。

2 結(jié)語(yǔ)

用于硫酸鹽法制漿的高質(zhì)量桉木應(yīng)具有合理高的密度，較少的抽出物和木素含量，木素有較高紫丁香基木素和愈創(chuàng)木基木素的比值 (S/G)，較高的聚木糖和糖醛酸含量。木材密度比制漿得率對(duì)制漿單位木材體積消耗的影響更大，木素含量高的木材一般來(lái)說(shuō)具有較低的S/G，比較難進(jìn)行硫酸鹽法蒸煮;桉樹(shù)樹(shù)齡明顯影響木材化學(xué)成分和纖維形態(tài)，從而影響硫酸鹽法制漿行為和紙張用途。桉木半纖維素主要由聚木糖組成，后者富含糖醛酸，在硫酸鹽法制漿中比較穩(wěn)定。在硫酸鹽法制漿過(guò)程聚木糖的分子質(zhì)量可以保留一半以上，降解較少。保留在硫酸鹽漿中的較多量的聚木糖大大改善打漿性能。木材樹(shù)齡和密度增加會(huì)增加纖維粗度，這對(duì)漿料打漿性能有不利影響，但有利于紙漿的濾水性能。

漂白桉木硫酸鹽漿主要用于生活用紙和印刷書(shū)寫(xiě)紙的生產(chǎn)。生活用紙要求紙漿有高松厚性和良好吸收性;而印刷書(shū)寫(xiě)紙要求紙漿有良好的打漿性能，使紙張有很好的撕裂度、抗張指數(shù)，良好的勻度和印刷適性。生活用紙要求纖維具有高粗度，且以短纖維為主，聚木糖含量低;而印刷書(shū)寫(xiě)紙對(duì)纖維特性的要求還不是那么清楚。但是這兩種用途的漿同樣都要求有良好的濾水性能。遺憾的是，因?yàn)殍衲緷{本身纖維較短，濾水性能都較差。

［1］Andreia Da Silva Magaton，et al．Eucalyptus wood quality and its impact on kraft pulp production and use［J］．Tappi Journal，2009(8)．

［2］Backman M E，De Leon J P．Proceedings 2003 Eucepa Conference［C］．Lisbon．

［3］Antonio Santos，et al．Effect of eucalyptus globules wood density on papermaking potential［J］．Tappi Journal，2008(5)．

［4］Nakamura H，Nawawil D S，Kondo K，et al．Proceedings ISWFPC 2007［C］．Durban，South Africa，2007．

［5］Jerome Andrew，Valerie Grzeskowiak，Lainkerr．Hexenuronic acid in South African grown eucalyptus hybrid clones［J］．Tappi Journal，2008(3)．

Effect of Eucalyptus Wood Properties on Its Kraft Pulping Performance

KUANG Shi-jun
(China National Pulp and Paper Research Institute，Beijing，100061)
(E-mail:ksj@cnppri．com．cn)

Effect of some important properties of eucalyptus wood such as wood density，lignin content，S/G ratio in lignin，extractives content，contents of xylose and uronic acids on its kraft pulping performance is discussed in this paper．

eucalyptus wood;kraft pulping

TS721+.1;TS743+.11

A

0254-508X(2011)12-0051-04

2010-09-06

(責(zé)任編輯:郭彩云)