麦草、芒草与竹材化学热磨机械制浆：纤维化能耗、纤维形态及箱纸板相关性能

《Journal of Bioresources and Bioproducts》：Chemi-Thermomechanical Pulping of Wheat Straw, Miscanthus, and Bamboo: Fiberization Energy, Morphology, and Containerboard-Relevant Properties

　　

非木材原料是高得率制浆的替代纤维来源，但其加工行为及造纸性能相对于工业基准的表征仍不充分。本研究评估了三种非木材原料——麦草（Triticum aestivum）、芒草（Miscanthus × giganteus）和竹材（Phyllostachys nigra 'Henon'）——的化学热磨机械制浆（CTMP），并以桉木（Eucalyptus urograndis）及工业基准浆料包括未漂硫酸盐针叶木浆（USK）、旧瓦楞纸箱（OCC）和半化学阔叶木浆（SCHW）作为对照。在温和预处理条件下（4% Na₂SO₃、4% NaOH、90–100 °C、60 min），非木材原料（280–393 kW·h/t）所需的纤维化能耗比桉木（538 kW·h/t）低27%–48%，所有浆料的筛渣率均低于6%。非木材原料的制浆得率为72.2%–86.0%，桉木为82.6%–90.0%。非木材CTMP浆料达到目标游离度所需的Papirindustriens Forskningsinstitutt（PFI）磨浆转数少于USK；竹材和麦草在500 mL加拿大标准游离度（CSF）下成纸密度超过500 kg/m³，而芒草和桉木CTMP仍低于450 kg/m³。在500 mL CSF下，竹材CTMP表现出所有浆料中最高的耐破强度（3.33 kPa·m²/g），超过USK（2.65 kPa·m²/g）和OCC（2.73 kPa·m²/g）。竹材（40.4 N·m/g）和麦草（36.4 N·m/g）的抗张指数超过SCHW（32.0 N·m/g），而芒草（19.0 N·m/g）低于SCHW；USK在所有浆料中保持了最高的抗张指数、短距压缩强度（STFI）和挺度指数。桉木CTMP在90%得率下记录了数据集中的最低强度值。纤维形态分析表明，竹材在CTMP浆料中最低的粗度（118 mg/km）和最高的长宽比（78.7）源于其较窄的纤维宽度而非长度，而芒草表现出最高的Runkel比（0.543）和粗度（331 mg/km），这些指标与观察到的力学性能层级一致。总体而言，竹材和麦草CTMP在强度导向应用中表现出最大潜力，而芒草尽管纤维化能耗需求低，但强度发展较低。这些发现证明了非木材原料用于CTMP生产的潜力，同时强调了在工业规模实施前需解决原料特异性污染物、储存、处理及工艺集成等挑战。

研究背景方面，制浆造纸工业面临原料成本、供应链灵活性和能源效率等多重压力。木材纤维虽仍为造纸主导原料，但木材纤维成本与供应的区域差异、农业残余物及专用作物的 valorization 需求，以及特定非木材原料在高得率制浆中可能提供的加工优势，共同推动了对补充纤维来源的评估。美国每年产生超过2亿吨农业残余物，包括麦草、玉米秸秆和稻壳，同时在边际土地上种植芒草和柳枝稷等专用作物。这些原料代表了区域集中的生物质资源，可在物流有利于本地采购的市场中补充或部分替代木纤维。此外，非木材原料在解剖结构和化学组成上的根本差异，特别是其薄壁薄壁细胞、较高的组织孔隙率以及独特的木质素-碳水化合物连接化学，暗示其在CTMP过程中可能以比木材更低的能量输入实现有效纤维分离。然而，非木材纤维在尺寸、表面化学和结合潜力方面与木纤维存在差异，引发了关于农业生物质衍生浆料能否为 demanding 纸张应用提供合适力学性能的问题。尽管对非木材纤维在造纸应用中的兴趣日益增长，但特定非木材物种在CTMP条件下的系统性理解仍然有限。关键问题持续存在：(1) 纤维化过程中能效优势的幅度及其主要归因于解剖差异还是化学反应性；(2) 不同预处理强度下制浆得率与纤维质量之间的权衡及其在木材与非木材原料间的差异；(3) 非木材CTMP浆料在与工业基准如硫酸盐针叶木浆、OCC和半化学阔叶木浆比较时，能否提供适用于包装应用的力学性能，特别是抗张强度、耐破阻力和压缩强度。此外，非木材CTMP浆料的磨浆响应——如何发展结合潜力并达到目标游离度水平——直接影响生产、能耗和纸机运行性能。本研究系统研究了三种代表性非木材原料——麦草、芒草和竹材——的CTMP加工，并以桉木作为参照阔叶木。研究目标有三：(1) 评估原料解剖结构对标准化CTMP条件下纤维化能耗的影响，并将能量差异转化为与工业决策相关的经济术语；(2) 表征非木材原料在选定预处理条件下的制浆得率、纤维分离和残余筛渣，并考察预处理温度对桉木的影响；(3) 表征非木材CTMP浆料的磨浆响应及所得造纸性能，与造纸制造中常用的工业基准浆料进行比较，特别强调箱纸板应用的力学性能。通过阐明这些关系，本研究旨在为将非木材纤维整合至高得率制浆操作的潜在情景提供技术信息，并识别其采用相关的加工要求和性能权衡。

研究人员开展了以下研究：以麦草、芒草和竹材三种非木材原料为对象，以桉木为参照，在实验室规模单盘加压磨浆机中进行CTMP制浆，系统评估纤维化能耗、制浆得率、筛渣率、磨浆响应、纤维形态及手抄片力学性能，并与USK、OCC和SCHW三种工业基准浆料进行对比。研究结论表明：CTMP在实验室规模条件下对麦草、芒草和竹材的加工具有技术可行性；温和预处理条件下非木材原料纤维化能耗比桉木低27%–48%，反映了原料间组织结构和纤维化行为的特异性差异；力学性能在原料间差异显著，与纤维形态和纸页固结差异相关；竹材在非木材浆料中表现最具竞争力，在500 mL CSF下耐破指数超过USK和OCC，其优异性能与低粗度和高长宽比相关，后者主要源于窄纤维宽度而非更大纤维长度；芒草在CTMP浆料中表现出最高的Runkel比和粗度，与有限的纸页致密化和较低力学性能一致；长宽比、Runkel比和粗度提供了CTMP浆料性能的有用补充指标；非木材CTMP浆料在选定箱纸板应用中显示出潜力，虽力学性能总体低于USK，但竹材和麦草在选定强度性能上可与OCC和半化学阔叶木浆媲美，可作为瓦楞芯纸配料中的部分替代或补充纤维，而芒草可能需要额外工艺优化；由于每种非木材原料仅在单一预处理条件下评估，未来工作应建立原料强度-得率-强度关系，并在连续磨浆条件下进行中试规模验证，解决污染物、细组分含量、滤水、纸机运行性能、可回收性及工业相关箱纸板配料共混中的性能问题。重要意义在于，这些发现证明了非木材原料用于CTMP生产的潜力，同时强调了在工业规模实施前需解决原料特异性污染物、储存、处理及工艺集成等挑战。论文发表在《Journal of Bioresources and Bioproducts》。

关键技术方法方面，研究人员采用实验室规模单盘加压磨浆机（Sprout-Waldron，60 HP，1 775 r/min）进行CTMP制浆，通过功率计实时记录能耗并计算比能耗（SEC）；采用旋转蒸煮器以Na₂SO₃和NaOH进行化学预处理；采用PFI磨浆机进行磨浆并测定加拿大标准游离度（CSF）；采用纤维质量分析仪（FQA 360）测定纤维形态参数（长度、宽度、粗度、Runkel比、长宽比）；按照TAPPI标准制备手抄片并测定抗张、耐破、短距压缩强度（STFI）和挺度指数；采用二阶多项式回归建立手抄片性能与CSF的关系模型。原料来源方面，麦草来自Ag Processing Solutions Inc.（美国蒙大拿州），芒草来自Genera Energy Inc.（美国田纳西州）的3–5年生种植园，竹材来自美国北卡罗来纳州5年生私人种植园（National Bamboo LLC提供），桉木片由巴西供应商提供，所有原料于2024年采集。

研究结果方面，第一，原料解剖结构对CTMP纤维化能耗的影响：在低强度预处理条件下（4% Na₂SO₃、4% NaOH、液比6?1、90–100 °C、60 min；137.9 kPa蒸煮3 min），能耗顺序为桉木（538 kW·h/t）>竹材（393 kW·h/t）>芒草（289 kW·h/t）>麦草（280 kW·h/t），所有浆料筛渣率低于6%（桉木4.7%、竹材5.9%、芒草3.0%、麦草5.4%）。非木材原料比桉木节能27%–48%。截面显微观察显示原料间组织组织存在明显差异：桉木为连续木质基质，竹材为维管束周围厚壁纤维鞘嵌入薄壁组织基质，芒草和麦草为维管束及支持厚壁组织分布于薄壁组织区域。定量测定纤维承载组织细胞壁厚度：桉木2.34 μm、竹材5.33 μm、芒草3.67 μm、麦草3.02 μm，但该排序与比能耗排序不直接对应，表明纤维化行为不能仅由细胞壁厚度解释。第二，预处理温度对桉木的影响及非木材原料在选定CTMP条件下的性能：桉木预处理温度从90 °C升至140 °C导致制浆得率从90.0%单调降至82.6%，筛渣率从4.7%降至3.8%，游离度从697降至651 mL。非木材原料各在单一条件下加工：芒草得率86.0%（90 °C）、麦草80.0%（90 °C）、竹材72.2%（100 °C），一般低于同等强度下桉木。非木材浆料游离度（707–756 mL）高于桉木各温度下（651–697 mL）。第三，磨浆响应——游离度与表观密度发展：USK需超过8 000转达到约400 mL CSF，非木材CTMP浆料尤其是麦草和芒草以显著更少转数达到等效CSF。竹材CTMP在CSF约500 mL时表观密度接近550 kg/m³，麦草在类似CSF范围达到约530–550 kg/m³，而桉木和芒草CTMP在整个评估CSF范围内低于460 kg/m³。第四，手抄片力学性能：抗张指数随游离度降低而增加，USK始终最高，OCC次之。在CTMP浆料中，竹材、芒草和麦草在可比游离度下超过SCHW和桉木CTMP，但低于OCC。桉木CTMP抗张指数最低。耐破强度方面，竹材CTMP在500 mL CSF下最高（3.33 kPa·m²/g），超过USK（2.65 kPa·m²/g）和OCC（2.73 kPa·m²/g），且在400–600 mL CSF范围内优于USK。芒草和麦草耐破强度中等，与SCHW大致相当。STFI方面，竹材和麦草CTMP在整个评估游离度范围内接近OCC性能，芒草和桉木CTMP记录最低STFI值。挺度指数趋势与抗张指数平行，USK最高，竹材CTMP为非木材浆料中最佳。在500 mL CSF插值下，竹材CTMP抗张指数40.4 N·m/g、表观密度513 kg/m³、耐破强度3.33 kPa·m²/g、STFI 22.0 N·m/g、挺度指数4.80 kN·m/g；麦草CTMP抗张指数36.4 N·m/g、表观密度501 kg/m³、耐破强度1.97 kPa·m²/g、STFI 20.6 N·m/g、挺度指数3.80 kN·m/g；芒草CTMP抗张指数19.0 N·m/g、表观密度434 kg/m³、耐破强度0.85 kPa·m²/g、STFI 17.0 N·m/g、挺度指数4.50 kN·m/g。第五，纤维形态分析与功能定位：USK纤维最长（2.58 mm）、粗度最高（335 mg/km），Runkel比低（0.142）、长宽比高（77.6）。OCC纤维较短（1.65 mm）、Runkel比升高（0.208）。SCHW处于中间形态位置（粗度182 mg/km、长宽比41.3、Runkel比0.188）。在CTMP浆料中，竹材表现出最独特的形态特征：数据集最高长宽比（78.7），甚至超过USK（77.6），结合最窄纤维宽度（16.7 μm）和中等粗度（118 mg/km）；竹材高长宽比并非源于纤维长度（1.32 mm，不足USK一半），而是源于其异常窄的直径。芒草CTMP表现出最异常的特征：所有CTMP浆料中最高粗度（331 mg/km）、最厚纤维壁（3.80 μm）和最高Runkel比（0.543），超过USK三倍以上。麦草CTMP（长宽比45.0、粗度218 mg/km、Runkel比0.296）和桉木CTMP（长宽比40.3、粗度166 mg/km、Runkel比0.230）处于中间位置。桉木CTMP的粗度和Runkel比显著高于同物种的南方漂白阔叶木浆，归因于高得率加工中纤维壁木质素保留。形态数据部分解释了浆料性能层级：竹材窄细纤维赋予网络连接性以补偿短长度；芒草厚粗壁限制结合而不论磨浆强度；桉木CTMP残余木质素抑制纤维壁塌陷。

讨论部分总结：本研究在实验室规模条件下进行，聚焦于单一浆料的纤维化能耗、磨浆响应、纤维形态和手抄片性能。某些非木材原料观察到的较低纤维化能耗应解释为工艺层面结果，而非总体环境影响较低的证据；土地利用、种植或残余物收集、储存、运输、电力来源和生命周期排放不在本研究范围内。非木材CTMP浆料在箱纸板中的应用还需在更具代表性的制造条件下验证；商业箱纸板通常含有 virgin 和回收浆料的共混物，配料相互作用可能取决于共混比例、磨浆历史、细组分含量、湿部化学、滤水、压榨、干燥和纸机运行条件，因此单一浆料测定的性能不能直接外推至商业多浆配料。可回收性是另一重要考量，因为反复干燥和再制浆可能促进角质化、降低纤维润胀和结合能力、增加细组分生成并影响强度保持；本研究中的OCC浆料提供了工业回收纤维基准，但不代表对实验非木材浆料可回收性的直接评估，因此需要反复回收研究以量化纤维形态、滤水、结合能力和力学性能的变化。在这些局限性内，本研究结果为选择原料和确定未来工艺开发与工业验证研究提供了比较基础。

研究结论部分翻译：CTMP在实验室规模条件下展示了加工麦草、芒草和竹材的技术可行性。在温和预处理条件下，非木材原料所需的纤维化能耗比桉木低27%–48%，反映了原料间组织结构和纤维化行为的特异性差异。这些发现表明，CTMP可能为利用替代木质纤维素原料提供一条较低复杂度的路径，而无需传统化学制浆相关的资本密集型化学回收系统。力学性能在原料间差异显著，并与纤维形态和纸页固结差异相关。竹材在非木材浆料中表现出最具竞争力的性能，在500 mL CSF下耐破指数超过未漂硫酸盐针叶木浆和旧瓦楞纸箱浆。其优异性能与低粗度和高长宽比相关，后者主要源于窄纤维宽度而非更大纤维长度。相比之下，芒草在CTMP浆料中表现出最高的Runkel比和粗度，与有限的纸页致密化和较低力学性能一致。总体而言，长宽比、Runkel比和粗度为CTMP浆料性能提供了有用的补充指标，尽管强度发展还取决于磨浆响应、纤维结合、细组分生成和纸页结构。非木材CTMP浆料在选定箱纸板应用中显示出潜力。尽管其力学性能总体低于未漂硫酸盐针叶木浆，但竹材和麦草在选定强度性能上可与OCC和半化学阔叶木浆媲美。因此，这些浆料可作为瓦楞芯纸配料中的部分替代或补充纤维，而芒草可能需要额外工艺优化。由于每种非木材原料仅在单一预处理条件下评估，未来工作应建立原料的强度-得率-强度关系。在连续磨浆条件下的中试规模验证还应解决污染物、细组分含量、滤水、纸机运行性能、可回收性以及工业相关箱纸板配料共混中的性能问题，然后才能工业实施。