竹纤维与硬木共蒸煮制备漂白硫酸盐浆的协同效应及其在纸板应用中的性能优化

为应对硬木资源短缺和成本上涨问题，研究人员开展竹纤维(Phyllostachys nigra)与硬木共蒸煮(kraft co-cooking)研究。结果表明，竹纤维虽得率较低(45.8% vs 50.5%)，但共蒸煮浆料保留优异纤维形态，经D0EopD1漂白后亮度达90% ISO，且竹纤维混合浆料抗张/撕裂强度显著提升。该研究为纸板(SBS)生产提供可持续纤维替代方案。

　　

随着全球对生物基包装材料需求的激增，纸板市场预计2032年将达到6600万吨规模。然而，美国南部硬木资源面临成本攀升、种植率下降等挑战，迫使造纸行业寻找替代纤维。竹材(Phyllostachys nigra 'Henon')凭借快速生长、适应性强等优势进入视野，但其工业化应用仍存在蒸煮效率、纤维性能优化等瓶颈。为此，美国北卡罗来纳州立大学的研究团队创新性地提出竹-硬木共蒸煮策略，相关成果发表于《Industrial Crops and Products》。

研究采用标准kraft工艺，通过五组蒸煮情景设计（纯硬木、纯竹材、分层/混合共蒸煮），结合D₀EopD₁漂白序列和PFI磨浆技术，系统评估了纤维形态、机械性能及表面特性。样本来自北卡罗来纳州5年生竹材和Smurfit Westrock公司的硬木片，关键分析包括NREL组分测定、FQA纤维形态分析、SEM观测等。

3.1 蒸煮性能
分层蒸煮实验揭示竹材脱木素速率更快（卡伯值12.7-13.7 vs 硬木16.9-18.6），但得率降低5-7%。混合蒸煮时浆料性能趋于均衡（得率48.2%，卡伯值17.4），表明均匀分布可缓解局部过蒸煮问题。组分分析显示竹浆残留木质素(2.09%)低于硬木(4.03%)，但高灰分(1.48%)可能影响碱回收效率。

3.3 漂白响应
共蒸煮浆料在D₀EopD₁漂白中展现协同效应：最终亮度达90% ISO，且粘度保留优于纯硬木浆。竹纤维的较高半纤维素含量(24.1%木聚糖)促进溶胀，但需更高ClO₂剂量(2.4%)补偿木质素反应差异。

3.4 磨浆特性
竹纤维表现出更优的磨浆响应，在相同游离度(CSF 400-500mL)下，共蒸煮浆料抗张指数比硬木提高50%，折叠次数显著增加。纤维形态分析证实竹纤维更长(1.44mm)、更细(17.2μm)，其低粗度(0.093mg/m)促进纤维结合。

3.6 表面改性
热压光处理(130°C/3.45MPa)使竹基纸板粗糙度降低40%，SEM显示精磨后纤维坍塌更彻底。共蒸煮浆料在密度-平滑度平衡中表现最佳，适用于要求印刷适性的包装领域。

该研究证实竹-硬木共蒸煮可兼顾资源可持续性与产品性能：竹纤维弥补硬木的强度缺陷，而硬木稳定了得率波动。未来需优化蒸煮参数以解决硅积累问题，并评估大规模生产的经济性。这项技术为造纸业提供应对原料危机的可行路径，尤其适合美国南部竹材种植区推广。