Super-Arundo donax作为造纸工业非木材原料的潜力：碱性半化学制浆工艺优化及纸张性能研究

推荐：为解决传统木浆生产导致的森林砍伐问题，研究人员以Super-Arundo donax为原料，优化NaOH和NaOH:Na2CO3碱性半化学制浆工艺，探究碱用量、蒸煮温度和时间对浆料及纸张性能的影响。结果表明，最佳条件下浆料得率达65%以上，纸张抗张指数（33.5 N·m/g）和撕裂指数（6.33 mN·m2/g）优异，为可持续造纸提供新选择。

　　

随着全球纸张需求激增，传统木浆生产导致的森林砍伐问题日益严峻。中国作为全球最大的纸品生产国，森林资源匮乏使得寻找可持续的非木材纤维原料成为当务之急。Super-Arundo donax（超级芦竹）因其高产、耐旱、低维护等特性，被视为极具潜力的替代原料。然而，现有研究多聚焦于传统化学制浆，对半化学制浆工艺的系统探索仍属空白。为此，来自山东世纪阳光纸业集团的研究团队在《Industrial Crops and Products》发表论文，首次系统优化了Super-Arundo donax的碱性半化学制浆工艺，为造纸工业的绿色转型提供了关键技术支撑。

研究采用单因素实验设计，通过组分分析（纤维素/半纤维素/木质素含量测定）、元素分析（ICP-MS检测Si/Ca/Mg等）和纤维质量分析（FQA）等技术，对比了Super-Arundo donax与竹材、芦苇等原料的差异；通过垂直旋转蒸煮釜（KRK No.2615）进行NaOH和NaOH:Na₂CO₃（4:1）两种制浆工艺，检测黑液成分（UV法测木质素、离子色谱测木糖/葡萄糖）及纸张物理性能（抗张/撕裂/环压指数）。

3.1 原料组分分析
通过NREL/TP-510-42618标准方法测定五种原料的化学组成，发现Super-Arundo donax纤维素含量达38.95%，木质素（20.09%）和灰分（4.32%）低于竹材，1% NaOH抽提物（41.18%）显著低于芦苇，表明其更易制浆。元素分析显示其Si含量（1.79%）适中，避免了高硅导致的回收难题。

3.3 制浆工艺优化
3.3.1 碱用量影响
NaOH制浆最佳碱用量为9% Na₂O，此时浆料得率65.2%，纸张抗张指数34.6 N·m/g；NaOH:Na₂CO₃组最佳为12% Na₂O，得率65.68%，抗张指数30.5 N·m/g。Na₂CO₃的添加有效抑制纤维素1,4-β-糖苷键的碱性降解。

3.3.2 蒸煮温度影响
130℃时两种工艺的浆料得率降幅最小（<2.5%），且黑液中木质素溶解充分（21.75→27.41 g/L）。FQA显示≥1.5mm长纤维占比提升至21.8%，证实高温促进纤维素终止反应（stopping reaction），保留纤维长度。

3.3.3 蒸煮时间影响
90分钟为最优时长，延长至180分钟仅使NaOH组抗张指数提升12.5 N·m/g，但得率下降9.57%，性价比失衡。

3.4 纸张形貌表征
SEM显示优化条件下纤维分丝帚化明显，形成致密网络结构（图10），解释其优异机械性能。与芦苇化学浆相比，半化学浆得率提高30%以上，抗张指数超传统麦草浆92.86%。

这项研究首次建立了Super-Arundo donax碱性半化学制浆的完整工艺体系，其温和反应条件（130℃ vs 传统160-190℃）和低碱用量（9% vs 硫酸盐浆15-25%）显著降低能耗。所得浆料适用于瓦楞原纸等包装材料，为解决中国造纸业"原料卡脖子"问题提供了可规模化应用的方案。未来需进一步评估大规模生产成本，但其环境效益已为"以草代木"战略提供了关键技术路径。