硫酸盐竹浆杂细胞含量对打浆性能的影响

陈灵晨 申惠莹 李兵云 雷以超 李海龙

（华南理工大学轻工科学与工程学院，广东广州，510640）

竹子是我国一种分布广泛、资源丰富的植物纤维原料[1]，具有生长周期短、产量高、可持续经营等特点[2-3]。竹子的纤维素含量为50%~60%[4]，纤维形态细长，是一种较好的制浆原料。其制备的浆料性能仅次于针叶木浆，优于阔叶木浆和禾草浆[5-6]。我国森林资源匮乏，森林覆盖率低于全球30.7%的平均水平[7]，用于造纸的木材资源较少。据统计，2020年全国木浆消耗量为4046万t，占纸浆总消耗量的40%，其中进口木浆占25%、国产木浆占15%[8]，木浆主要依赖进口。竹子作为一种优良的造纸原料，可替代木材进行制浆造纸[9]，对于缓解木浆原料短缺的现状具有一定的现实意义。同时竹子具有良好的固碳增汇能力[10]，对造纸行业如期实现双碳目标具有重要意义。

与木材相比，竹子中有较多杂细胞，主要为薄壁细胞、表皮细胞、石细胞和导管[11]。竹子中纤维细胞含量约占竹细胞总量的50%~60%[12]，低于针叶木，高于禾草类。竹子纤维细胞呈纺锤状，两端尖锐，平均长度为1.5~2.0 mm，最长可达5 mm，平均宽度一般为15~18 µm[13]，竹纤维细胞壁较厚，胞腔较小。杂细胞比纤维细胞粗而短，缺乏交织力，对纸张强度和抄造时湿纸幅的滤水性能十分不利。竹子作为原料用于制浆造纸时应尽可能多地去除杂细胞，以提高纸浆质量。由于杂细胞的存在，不但会增大竹子在制浆过程中的药液消耗量，还会对后续生产中浆料打浆及纸机运行过程造成不良影响，从而影响纸张结构、物理性能、光学性能、印刷性能等多种性能[14-15]。

本课题以硫酸盐竹浆为研究对象，探究杂细胞含量对竹浆打浆前后纤维形态、打浆度、保水值的影响，以期为竹浆的高值化利用提供理论指导和技术支持。

1 实 验

1.1 实验原料

实验所用竹片为大叶龙竹，取自广西。

1.2 实验仪器

计算机控制立式蒸煮器（GreenWood，美国），Bauer-McNett纤维筛分仪（S401800007，德国PTI），PFI盘磨机（HAMJERN MASKIN，挪威），打浆度测定仪（P95587，德国PTI），研究级正置显微镜（OLYMPUS BX51，日本），扫描电子显微镜（SEM，SU5000，日本Hitachi），纤维形态测定仪（Valmet FS5，芬兰），凯塞法抄片器（RK3AKWT，德国PTI），抗张强度仪（CE062，瑞典L&W），撕裂度仪（009，瑞典L&W），耐破度测定仪（CE180，瑞典L&W），耐折度仪（型号S13505，德国PTI）。

1.3 实验方法

1.3.1 硫酸盐竹浆的制备

取1200 g（绝干）竹片于立式蒸煮器中，采用硫酸盐法制浆，蒸煮工艺为：用碱量23%（以NaOH计），硫化度25%，液比1∶4，最高温度160℃，升温2 h，保温2 h。蒸煮完成后，将制得的竹浆洗净，用平板筛筛选去除杂质得到硫酸盐竹浆（杂细胞含量18%）。

1.3.2 筛分

称取10 g绝干浆料于纤维解离器中疏解10000 r/min，采用Bauer—McNett纤维筛分仪对浆料进行分级筛分，采用400目的浆袋收集截留在30目前的浆料（R30）和通过200目的杂细胞（P200）。

1.3.3 打浆

将筛分后的杂细胞以3%、6%、10%、14%（质量分数）的比例与筛后的竹浆混合均匀，混合后的4种浆料与未筛分、筛分后的竹浆分别采用PFI磨打浆。PFI磨打浆条件：浆浓10%、线压力3.33 N/m、打浆转数为0、2000、4000、8000、13000、20000、30000转。

1.3.4 光学显微镜及扫描电子显微镜的观察

把浆料疏解成纤维悬浮液，制片后用赫氏或番红试剂染色，在光学显微镜（以下简称显微镜）下观察浆料纤维和杂细胞形态；把打浆后的浆料进行冷冻干燥，喷金后用扫描电子显微镜进行观察。

1.3.5 纤维形态测定

采用Valmet FS5纤维形态测定仪检测各浆料打浆前后纤维的长度、宽度、卷曲指数及扭结指数。

1.3.6 打浆度和保水值测定

打浆度测定参照GB/T 3332—2004进行。

纤维保水值采用离心法进行测定。称取一定质量的浆料置于转速4000 r/min的离心机中离心15 min，结束后置于105℃的烘箱中干燥。分别称取离心后浆料的湿质量和干燥后的绝干质量，两者之差与浆料绝干质量的比值即为保水值[16]，如式（1）所示。

式中，WRV为保水值，%；M0为离心后的湿浆质量，g；M1为干燥后浆料的绝干质量，g。

1.3.7 抄纸及纸张性能检测

取打浆度为（45±2）°SR的不同杂细胞含量的纸浆在标准纸页成型器上抄纸，纸张定量60 g/m2，纸张抗张强度参照GB/T 12914—2018进行检测；撕裂指数参照GB/T 455—2002进行检测；耐破指数参照GB/T 454—2002进行检测；耐折度参照GB/T 457—2008进行检测。

2 结果与讨论

2.1 杂细胞形态分析

图1为竹浆中主要杂细胞的显微镜图。图1（a）为薄壁细胞，多为长方形，细胞壁较薄；图1（b）为表皮细胞，又分为长细胞和短细胞。图1（c）为导管，两端开口，端壁平直，壁上有网状纹孔，孔径大小和分布都很均匀；图1（d）为石细胞，尺寸较小，呈椭圆形，与薄壁细胞类似但细胞壁较厚[17]。

图1 竹浆中杂细胞的显微镜图Fig.1 Microscopic images of non-fibrous cells in bamboo pulp

图2为竹浆筛分前后的显微镜（40倍）及SEM（200倍）图。图2（a）为未经筛分的浆料，图2（b）为截留在30目前的浆料（R30），图2（c）为通过200目的杂细胞（P200）。由图2可知，未经筛分的浆料中杂细胞分散在竹纤维之间。通过筛分后截留在30目前的浆料中大多是竹纤维，纤维细长，表面光滑，几乎没有杂细胞。通过200目后的绝大部分都是杂细胞，其得率约为18%，主要以薄壁细胞和石细胞为主。说明通过Bauer-McNett纤维筛分仪对竹浆进行筛分可以将竹纤维和杂细胞分离。

图2 竹浆筛分前后的显微镜图及SEM图Fig.2 Micrographs and SEM images of before and after bamboo pulp sieve

2.2 杂细胞对打浆性能的影响

2.2.1 杂细胞对打浆度的影响

图3为不同杂细胞含量对竹浆打浆的影响。由图3（a）可知，杂细胞的存在对竹浆打浆度有显著的影响。随着打浆转数增加，6种浆料打浆度都呈上升趋势。当打浆转数从0上升到13000转时，杂细胞含量为18%的竹浆打浆度提高了55°SR，而筛分后竹浆打浆度仅提高了24°SR。当打浆转数从13000转上升到30000转时，筛后竹浆打浆度提高了40.5°SR，而杂细胞含量18%的竹浆打浆度仅提高了16°SR。由图3（b）可知，在相同打浆转数下，随着杂细胞含量的增加，竹浆打浆度逐渐提高。杂细胞本身比表面积较大，在打浆过程中比纤维更容易破裂和吸水润胀[18]。在打浆初期，杂细胞含量高的竹浆打浆度上升较快主要是依靠杂细胞的破裂和吸水润胀，而不是纤维本身分丝帚化，所以杂细胞含量高的竹浆打浆度上升更快。在打浆后期，杂细胞含量高的竹浆打浆度上升开始依赖纤维本身分丝帚化。由于竹浆纤维细胞壁结构复杂，初始时难以分离出微细纤维，纤维分丝帚化速度较慢[19]，使得打浆度上升变慢。杂细胞含量低的竹浆，在整个打浆过程中打浆度上升更多的是依靠纤维本身的分丝帚化和吸水润胀。在打浆前期受竹纤维细胞壁结构特性的影响，打浆度上升较慢。在打浆后期，竹浆长纤维逐渐被切断，复杂的多层结构逐渐被破除剥离，纤维表面分离出许多微细纤维，吸水润胀和细纤维化程度增加，打浆度上升变快。

图3 不同杂细胞含量对竹浆打浆的影响Fig.3 Effect of different non-fibrous cells content on beating of bamboo pulp

2.2.2 杂细胞对保水值的影响

图4为杂细胞对纤维保水值的影响。由图4（a）可知，随着打浆转数的增加，不同杂细胞含量竹浆的纤维保水值均呈上升趋势，在打浆转数超过20000转后保水值变化趋于平缓。由图4（b）可知，在相同打浆转数下，随着杂细胞含量的增加，浆料的纤维保水值增大。这是因为杂细胞的细胞壁较薄，相较于纤维细胞体积较小，在打浆的机械作用下容易破裂，暴露出较多的微细纤维和羟基，能结合更多的水分子，使高杂细胞含量的竹浆纤维保水值更高[20]。

图4 杂细胞对纤维保水值的影响Fig.4 Effect of non-fibrous cells on fiber WRV

2.2.3 杂细胞对打浆后纤维形态的影响

图5为杂细胞对打浆后竹浆纤维形态的影响。由图5（a）可知，在未打浆时，随着杂细胞含量的增加，竹浆纤维平均长度呈下降趋势，筛后竹浆纤维平均长度比杂细胞含量为18%的竹浆长0.273 mm。随着打浆转数的增加，纤维在机械力作用下被切断，6种竹浆的纤维平均长度均呈下降趋势。由图5（b）可知，随着打浆转数的增加，6种竹浆的纤维宽度均呈上升趋势，最终基本升至21~22 µm之间。由图5（c）可知，随着打浆转数的增加，6种竹浆纤维的卷曲度都呈先快速上升后缓慢下降的趋势，基本在4000转时达到最大卷曲度。随着杂细胞含量减少，竹浆纤维所能达到的最大卷曲度也随之增大。因为在打浆前期，纤维切断程度较轻，在机械力作用下越长的纤维越容易发生扭曲变形[21-22]，使纤维卷曲度升高。在打浆后期，大量纤维被切断，纤维长度下降严重，纤维卷曲度也开始缓慢下降。由图5（d）可知，随着打浆转数增加，6种竹浆的纤维扭结呈先快速上升后趋于平缓的趋势。在打浆转数为30000转时，杂细胞含量为18%的竹浆纤维扭结为5029.6 m−1，筛后竹浆的纤维扭结仅为4392.0 m−1。

图5 杂细胞对打浆后纤维形态的影响Fig.5 Effect of non-fibrous cells on fiber morphology after beating

2.2.4 杂细胞对纤维分丝帚化的影响

图6为筛分前后竹浆经不同打浆转数后的显微镜图（100倍）及SEM图（1000倍）。由图6可知，杂细胞的存在对竹浆纤维分丝帚化有显著影响。当打浆转数为4000转时，筛后竹浆的纤维表面已经分丝帚化，也开始破裂脱落，杂细胞表面开始分离出微细纤维甚至破裂，而未筛竹浆的纤维表面分丝帚化不明显，也未破裂脱落。当打浆转数为13000转时，筛后竹浆纤维表面分丝帚化较明显，纤维表面破裂脱落较多，而未筛竹浆纤维表面分丝帚化较差，纤维表面才开始破裂脱落。当打浆转数为30000转时，2种浆料纤维分丝帚化的程度都已经较大，而未筛竹浆中存在一部分破碎的杂细胞和一部分完整的杂细胞分散在纤维之间。在相同打浆转数下，筛后竹浆比未筛竹浆中纤维的分丝帚化更明显，说明竹浆中杂细胞的存在使其打浆度上升更快，但浆料中纤维分丝帚化程度不高，在一定程度上起到了“延缓”竹浆纤维分丝帚化的效果。

图6 不同打浆转数下竹浆的显微镜图及SEM图Fig.6 Micrographs and SEM images of bamboo pulp under different beating revolutions

2.3 杂细胞对纸张性能的影响

图7为杂细胞含量对竹浆纸张性能的影响。由图7（a）可知，随着杂细胞含量增加，纸张抗张指数呈先上升后下降的趋势。在杂细胞含量为3%时，抗张指数达到最大值78.3 N·m/g。纤维间结合力和纤维本身的强度是影响纸张抗张指数最重要因素[23]。在相近打浆度下，杂细胞含量少的竹浆纤维分丝帚化程度较高，纤维间的结合力较强。而杂细胞比纤维更容易破裂，暴露出微细纤维。在杂细胞含量较低时，对纤维分丝帚化影响不大，反而提高了纤维间的结合力，因此纸张抗张指数呈先上升后下降的趋势。由图7（b）可知，随着杂细胞含量的增加，纸张耐破指数呈下降趋势。影响纸张耐破指数的主要因素是纤维间的结合力和纤维平均长度。少量杂细胞存在会提高纤维间结合力，但杂细胞会使竹浆纤维平均长度下降，所以纸张耐破指数呈现出下降趋势。由图7（c）和图7（d）可知，随着杂细胞含量增加，纸张撕裂指数和耐折度都呈下降趋势。这是因为影响撕裂指数和耐折度的主要因素是纤维平均长度。随着杂细胞含量增加，竹浆纤维平均长度下降，所以纸张撕裂指数和耐折度随之下降。

图7 不同杂细胞含量对竹浆纸张性能的影响Fig.7 Effect of different non-fibrous cells content on the paper properties of bamboo pulp

3 结 论

3.1 随着竹浆中杂细胞含量增加，竹浆打浆度、保水值和纤维扭结明显提高，竹浆纤维卷曲度下降。

3.2 筛后竹浆比未筛竹浆的纤维分丝帚化明显。竹浆中杂细胞的存在使打浆度上升加快，但浆料中纤维的分丝帚化程度不高，在一定程度上起到了“延缓”竹浆纤维分丝帚化的效果。

3.3 相近打浆度下，随着竹浆中杂细胞含量增加，纸张的耐破指数、撕裂指数及耐折度都呈下降趋势，纸张抗张指数在杂细胞含量为3%时最佳，达78.3 N·m/g。